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浅谈霍尔电流传感器在铅酸蓄电池监测系统中的应用及选型

点击次数:600 发布时间:2022-09-23

【摘要】感器其精度高、线性好、频带宽、响应快等优点,设计了霍尔传感器对铅酸蓄电池充放电电流检测的实现。本文着重介绍了监测系统组成,原理以及其应用。通过检测充放电电流,电池组单节电池电压等参数来实现对铅酸蓄电池进行监测。

【关键词】霍尔传感器;铅酸蓄电池;测试系统

 

引言

铅酸蓄电池从其产生到发展已经有一百多年的历史,其具有价格低廉,使用上具有充分的可靠性,适用于大电流放电场合,但大电流放电时间过长容易造成对电池的损坏。

与此同时,铅酸电池在充电时,对充电电流大小也有严格要求,基于此,本文提出一种基于霍尔传感器来对蓄电池充放电电流监测的系统,相较于一般使用检流电阻来检测充放电电流的系统,具有反应速度快,灵敏度高,检测电流范围大,无需考虑散热问题等优点。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作出的一类传感器,具有对磁场敏感,结构简单,体积小,输出电压变化大,使用寿命长等特点,因此广泛被应用于工业自动化技术,信息处理以及检测技术。

霍尔传感器分为两种:

1.线性霍尔传感器,由霍尔元件,线性放大开关和射极跟随器组成。

2.开关型霍尔传感器,由稳压器,霍尔元件,差分放大器,施密特触发器和输出级组成。

本系统中采用的CS050E霍尔传感器,针对CS050E的性能开发出一种实时检测铅酸蓄电池充放以及放电时电流大小。

 

一、系统硬件构成

系统的硬件主要由电源电路,霍尔电流信号采样电路,蓄电池电压检测模块,主控模块,数码显示模块等组成。具体结构框图如图1所示。

image.png

1系统结构框图

 

1.主控制系

主控芯片采用基于ARM-Cortex处理器的LCP1751,该芯片具有4路串行接口,2个SSP控制器,8路模拟采集通道,可以*实现对所有模块控制。控制系统工作流程如下:当铅酸蓄电池出于充电或者放电状态时,充电\放电电流经检流电阻后转换成电压输出,输出的电压经由模拟电压采集电路送至单片机AD口采集;而蓄电池组每节电压则是通过专门的电压采集模块采集到之后,通过串口发送到主控MCU被接收。主控MCU在采集到充/放电流和每节电池的电压的值之后,将其发送到数码管显示。通过数码管,可以实时看到蓄电池各节电压,以及充\放电状态下电流的大小。整个系统的开始由上位机对其控制。上位机通过串口发送开始信号给主控MCU,控制整个系统开始工作。主控制系统原理如图2所示。

image.png

2主控制系统

 

2.系统电源电路设计

在本设计中,系统需要两种工作电压:其一是用于霍尔传感器工作的正负15V电压,其二是微处理器工作的标准5V工作电压。为实现这三种电压的输出,同时又在基于节约PCB空间的考虑,选用了DC/DC升压转换器TPS61170,降压转换器SC4508IML,不可调三端稳压电源MC7805,分别构成正15V和负15V电压,以及标准5V电压输出电路,具体电路由下图3所示。

image.png


电源模块电路

 

在TPS61170构成的升压电路中,如图3-1所示,根据输出电压和芯片基准电压之间的关系公式:Vout=1.229V*(R3/R4+1),通过计算R3和R4选取合适的阻值后输出正15V电压。

在SC4508构成的降压电路中,如图3-2所示,芯片参考电压VREF输出典型值1.25V,通过计算R9、R12选取合适的值,即可在芯片误差放大器输出端输出负15V电压。

在蓄电池提供12V电源供电状态下,通过MC7805稳压电源芯片即可实现5V电源输出。

3.信号采样电路设计

CS050E霍尔可拆卸电流传感器,是应用霍尔效应开环原理的电流传感器,能在电隔离条件下测量直流,交流,脉冲以及各种不规则波形电流。当传感器上电工作之后,被测充电或者放电电流从传感器中穿过,即可在输出端测得同相或反相的电压值。根据此原理,在霍尔传感器输出端连上由LM324四运放集成电路构成电压捕捉电路,电路如图4所示。





Q1是传感器输出电压信号,通过U4构成的同相电压跟随器,输出信号Q+,并连接到U4构成的同相比较器输出端,以及反相电压跟随器输入端。当输入Q+为一个正的电压值时(对应为霍尔电流计测量充电电流),4OUT输出低电平信号后作为开关的MOS管QP1打开,输出电压AD+;当输入Q+为一个负的电压值时(对应为霍尔电流计测量放电电流),3OUT输出低电平信号,作为开关的MOS管QP4打开,输出电压值AD-。

电压采样电路是通过电阻分压方式采样输入电压,共有两路,分别实现传感器输出的两路电压的采样,电路如图5所示。

image.png


电压采样电路

4.电池电压采样模块设计

蓄电池组由16节电池构成,电池电压采样电路是以四节为一个模块进行电压采集,每个模块总共有四路采集电路,实现对每一节电池电压的采集。采集电路通过分压电路实现对单节电压采集,单节电压采集电路如图6所示。

image.pngimage.png

每个电池电压采集模块之间通过串行信号线连接,从上而下将测得的电压信号传递,下面的一个模块和主控板串口相连,将所有十六节电压信号传递给主控板处理并显示出来。

二、系统软件部分

本系统软件部分主要功能:实现系统上电时,数码管显示蓄电池各节当前电压。当上位机发送开始检测充放电电流指令之后,MCU启动充放电电流检测模块,MCU对AD采集过的数据进行处理,送往数码管显示为实际的充放电电流值,当上位机发送停止命令之后,关闭电流检测模块。图7为系统整个程序流程图。


三、实验结果

将监测系统用于16组铅酸蓄电池,进行充放电电流测试。实验在室温下进行,测试10次后取均值,将采集的AD换算成电流数据后与实验电流进行对比,实验数据如表1。

image.png

由测试数据分析可以看出,测试电流误差在100个毫安以内,满足一般测试对精度的要求。

 

 

四、安科瑞霍尔型传感器的选型

1、概述

霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换,通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被ADDSPPLC、二次仪表等各种采集装置直接采集,广泛应用于电流监控及电池应用、逆变电源及太阳能电源管理系统、直流屏及直流马达驱动、电镀、焊接应用、变频器,UPS伺服控制等系统电流信号采集和反馈控制,具有响应时间快,电流测量范围宽精度高,过载能力强,线性好,抗干扰力强等优点

2、应用场所

霍尔电流传感器控制从可再生能源系统发送到电网的能量的流量和波形。他们测量电流以帮助风车,太阳能,光伏或其他类型的装置以较大效率工作。

3、可再生能源的典型应用:

太阳能

风电

水电

燃料电池

地热发电

潮汐能

 

4、安科瑞霍尔传感器产品选型说明

型号

产品图片

额定电流

额定输出

供电电源

测量孔径(mm)

准确度

AHKC-BS

image.png 

0~(50-500)A

5V/4V

DC±12V/±15V

20.5×10.5

1级

AHKC-F

image.png 

0~(200-1000)A

5V/4V

DC±12V/±15V

43*13

1级

AHLC-LTA

image.png 

DC 0~(10mA-2A)

5V

DC±12V/±15V

φ20

1级

AHKB-2005-TS

image.png 

0~(500-2000)A

400mA

DC±15V/±24V

Φ60

0.4

AHBC-LT1005

image.png

0~1000A

200mA

DC±12V~±24V

Φ40.5

0.5级

AHBC-LF

image.png 

0~2000A

400mA

DC±12V~±24V

Φ60.5

0.5级

 

5、安科瑞霍尔传感器应用场景示意图




image.png

五、结语

本文针对铅酸蓄电池充放电电流检测存在的一些问题,提出了基于霍尔传感器的铅酸蓄电池监测系统的设计。实验结果表明,该系统能够快速准确测得蓄电池充放电电流大小,能够适用于各种需监测蓄电池组大电流充放电场合。这种设计可有效维护铅酸蓄电池,延长电池寿命。相信本文研究的控制系统经过进一步的完善后,能够产生一定的经济和社会效益。

 

参考文献

[1] 郭正海.霍尔元件的几种检测方法[J].2007.

[2] 黄薇李丽,曾兵,袁海林,李国仁.基于霍尔传感器的铅酸蓄电池监测系统的设计.

[3] 企业微电网设计与应用手册.2022.5.



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