【摘要】感器其精度高、線性好、頻帶寬、響應快等優點，設計了霍爾傳感器對鉛酸蓄電池充放電電流檢測的實現。本文著重介紹了監測系統組成，原理以及其應用。通過檢測充放電電流，電池組單節電池電壓等參數來實現對鉛酸蓄電池進行監測。
【關鍵詞】霍爾傳感器；鉛酸蓄電池；測試系統
引言
鉛酸蓄電池從其產生到發展已經有一百多年的歷史，其具有價格低廉，使用上具有充分的可靠性，適用于大電流放電場合，但大電流放電時間過長容易造成對電池的損壞。
與此同時，鉛酸電池在充電時，對充電電流大小也有嚴格要求，基于此，本文提出一種基于霍爾傳感器來對蓄電池充放電電流監測的系統，相較于一般使用檢流電阻來檢測充放電電流的系統，具有反應速度快，靈敏度高，檢測電流范圍大，無需考慮散熱問題等優點。
霍爾傳感器是根據霍爾效應制作出的一類傳感器，具有對磁場敏感，結構簡單，體積小，輸出電壓變化大，使用壽命長等特點，因此廣泛被應用于工業自動化技術，信息處理以及檢測技術。
霍爾傳感器分為兩種：
1.線性霍爾傳感器，由霍爾元件，線性放大開關和射極跟隨器組成。
2.開關型霍爾傳感器，由穩壓器，霍爾元件，差分放大器，施密特觸發器和輸出級組成。
本系統中采用的CS050E霍爾傳感器，針對CS050E的性能開發出一種實時檢測鉛酸蓄電池充放以及放電時電流大小。
一、系統硬件構成
系統的硬件主要由電源電路，霍爾電流信號采樣電路，蓄電池電壓檢測模塊，主控模塊，數碼顯示模塊等組成。具體結構框圖如圖1所示。
圖1系統結構框圖
1.主控制系
主控芯片采用基于ARM-Cortex處理器的LCP1751，該芯片具有4路串行接口，2個SSP控制器，8路模擬采集通道，可以*實現對所有模塊控制。控制系統工作流程如下：當鉛酸蓄電池出于充電或者放電狀態時，充電\放電電流經檢流電阻后轉換成電壓輸出，輸出的電壓經由模擬電壓采集電路送至單片機AD口采集；而蓄電池組每節電壓則是通過專門的電壓采集模塊采集到之后，通過串口發送到主控MCU被接收。主控MCU在采集到充/放電流和每節電池的電壓的值之后，將其發送到數碼管顯示。通過數碼管，可以實時看到蓄電池各節電壓，以及充\放電狀態下電流的大小。整個系統的開始由上位機對其控制。上位機通過串口發送開始信號給主控MCU，控制整個系統開始工作。主控制系統原理如圖2所示。
圖2主控制系統
2.系統電源電路設計
在本設計中，系統需要兩種工作電壓：其一是用于霍爾傳感器工作的正負15V電壓，其二是微處理器工作的標準5V工作電壓。為實現這三種電壓的輸出，同時又在基于節約PCB空間的考慮，選用了DC/DC升壓轉換器TPS61170，降壓轉換器SC4508IML，不可調三端穩壓電源MC7805，分別構成正15V和負15V電壓，以及標準5V電壓輸出電路，具體電路由下圖3所示。
圖3 電源模塊電路
在TPS61170構成的升壓電路中，如圖3-1所示，根據輸出電壓和芯片基準電壓之間的關系公式：Vout=1.229V*(R3/R4+1)，通過計算R3和R4選取合適的阻值后輸出正15V電壓。
在SC4508構成的降壓電路中，如圖3-2所示，芯片參考電壓VREF輸出典型值為1.25V，通過計算R9、R12選取合適的值，即可在芯片誤差放大器輸出端輸出負15V電壓。
在蓄電池提供12V電源供電狀態下，通過MC7805穩壓電源芯片即可實現5V電源輸出。
3.信號采樣電路設計
CS050E霍爾可拆卸電流傳感器，是應用霍爾效應開環原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流，交流，脈沖以及各種不規則波形電流。當傳感器上電工作之后，被測充電或者放電電流從傳感器中穿過，即可在輸出端測得同相或反相的電壓值。根據此原理，在霍爾傳感器輸出端連上由LM324四運放集成電路構成電壓捕捉電路，電路如圖4所示。
Q1是傳感器輸出電壓信號，通過U4構成的同相電壓跟隨器，輸出信號Q+，并連接到U4構成的同相比較器輸出端，以及反相電壓跟隨器輸入端。當輸入Q+為一個正的電壓值時（對應為霍爾電流計測量充電電流），4OUT輸出低電平信號后作為開關的MOS管QP1打開，輸出電壓AD+；當輸入Q+為一個負的電壓值時（對應為霍爾電流計測量放電電流），3OUT輸出低電平信號，作為開關的MOS管QP4打開，輸出電壓值AD-。
電壓采樣電路是通過電阻分壓方式采樣輸入電壓，共有兩路，分別實現傳感器輸出的兩路電壓的采樣，電路如圖5所示。
圖5 電壓采樣電路
4.電池電壓采樣模塊設計
蓄電池組由16節電池構成，電池電壓采樣電路是以四節為一個模塊進行電壓采集，每個模塊總共有四路采集電路，實現對每一節電池電壓的采集。采集電路通過分壓電路實現對單節電壓采集，單節電壓采集電路如圖6所示。
每個電池電壓采集模塊之間通過串行信號線連接，從上而下將測得的電壓信號傳遞，下面的一個模塊和主控板串口相連，將所有十六節電壓信號傳遞給主控板處理并顯示出來。
二、系統軟件部分
本系統軟件部分主要功能：實現系統上電時，數碼管顯示蓄電池各節當前電壓。當上位機發送開始檢測充放電電流指令之后，MCU啟動充放電電流檢測模塊，MCU對AD采集過的數據進行處理，送往數碼管顯示為實際的充放電電流值，當上位機發送停止命令之后，關閉電流檢測模塊。圖7為系統整個程序流程圖。
三、實驗結果
將監測系統用于16組鉛酸蓄電池，進行充放電電流測試。實驗在室溫下進行，測試10次后取均值，將采集的AD換算成電流數據后與實驗電流進行對比，實驗數據如表1。
由測試數據分析可以看出，測試電流誤差在100個毫安以內，滿足一般測試對精度的要求。
四、安科瑞霍爾型傳感器的選型
1、概述
霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集，廣泛應用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制，具有響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾力強等優點
2、應用場所
霍爾電流傳感器控制從可再生能源系統發送到電網的能量的流量和波形。他們測量電流以幫助風車，太陽能，光伏或其他類型的裝置以較大效率工作。
3、可再生能源的典型應用：
太陽能
風電
水電
燃料電池
地熱發電
潮汐能
4、安科瑞霍爾傳感器產品選型說明
型號 | 產品圖片 | 額定電流 | 額定輸出 | 供電電源 | 測量孔徑(mm) | 準確度 |
AHKC-BS |
| 0～(50-500)A | 5V/4V | DC±12V/±15V | 20.5×10.5 | 1級 |
AHKC-F |
| 0～(200-1000)A | 5V/4V | DC±12V/±15V | 43*13 | 1級 |
AHLC-LTA |
| DC 0～(10mA-2A) | 5V | DC±12V/±15V | φ20 | 1級 |
AHKB-2005-TS |
| 0～(500-2000)A | 400mA | DC±15V/±24V | Φ60 | 0.4級 |
AHBC-LT1005 |
| 0～1000A | 200mA | DC±12V～±24V | Φ40.5 | 0.5級 |
AHBC-LF |
| 0～2000A | 400mA | DC±12V～±24V | Φ60.5 | 0.5級 |
5、安科瑞霍爾傳感器應用場景示意圖
五、結語
本文針對鉛酸蓄電池充放電電流檢測存在的一些問題，提出了基于霍爾傳感器的鉛酸蓄電池監測系統的設計。實驗結果表明，該系統能夠快速準確測得蓄電池充放電電流大小，能夠適用于各種需監測蓄電池組大電流充放電場合。這種設計可有效維護鉛酸蓄電池，延長電池壽命。相信本文研究的控制系統經過進一步的完善后，能夠產生一定的經濟和社會效益。
參考文獻
[1] 郭正海.霍爾元件的幾種檢測方法[J].2007.
[2] 黃薇，李麗，曾兵，袁海林，李國仁.基于霍爾傳感器的鉛酸蓄電池監測系統的設計.
[3] 企業微電網設計與應用手冊.2022.5版.
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