為什么測量精度對 EV 性能至關(guān)重要

使用傳感器測量電路中不同的功率相關(guān)參數(shù)時，會遇到不同的挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)是保持傳感器和電源電路之間的電氣隔離，以防止電源電路波動對測量的影響。高效隔離還有助于保持高頻開關(guān)電路中的測量精度，該電路極易受到這些高頻開關(guān)通過接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲的影響。

由于世界各國對可持續(xù)發(fā)展未來的關(guān)注，混合動力汽車和純電動汽車近出現(xiàn)了快速增長。許多電子元件和功率元件同步協(xié)同工作以成功運行電動汽車。電源模塊位于車輛周圍的不同位置，需要實時測量這些模塊的隔離電壓和電流以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。EV 中的一些主要模塊包括車載充電器、電池管理系統(tǒng) (BMS)、HVAC 系統(tǒng)、牽引逆變器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。必須準(zhǔn)確監(jiān)測電流和電壓值以確保正常運行。

本文是 Skyworks 產(chǎn)品線經(jīng)理 John Wilson 的演講摘要。Wilson 解釋了有效測量和監(jiān)控 EV 中的電壓和電流以確保運行的重要性。他首先為如何在高壓電路中進(jìn)行測量奠定了基礎(chǔ)。

測量及其目的

為了監(jiān)測模塊兩端的電壓和流過它的電流，電流和電壓傳感器被放置在電路中的適當(dāng)位置。例如，為測量流過電池組的電流，電流傳感器測量串聯(lián)分流電阻器兩端的電壓并生成輸出信號，該信號與電路中流動的電流大小成正比。同樣，為了測量電池組兩端的電壓，電壓傳感器會檢測該點的電壓并生成與電壓成比例的輸出。然后將這些傳感器讀數(shù)發(fā)送到 BMS，然后由 BMS 做出有效操作的決策。車輛中的不同模塊需要來自車輛周圍不同節(jié)點的測量，以進(jìn)行反饋、控制、安全和充電水平評估。

使用傳感器測量電路中不同的功率相關(guān)參數(shù)時，會遇到不同的挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)是保持傳感器和電源電路之間的電氣隔離，以防止電源電路波動對測量的影響。高效隔離還有助于保持高頻開關(guān)電路中的測量精度，該電路極易受到這些高頻開關(guān)通過接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲的影響。低響應(yīng)時間和波動的溫度也會影響測量的準(zhǔn)確性。隔離還有助于電平轉(zhuǎn)換，即在同一塊電路板上獨立運行兩個邏輯電平。大多數(shù)模塊都使用基于 CMOS 的電容耦合來跨隔離邊界進(jìn)行信號耦合。

為了更好地理解測量過程，Wilson 展示了一個 BMS 監(jiān)控鋰離子電池組，其中兩個電池管理 IC 監(jiān)控兩個電池的電壓和電流水平。一個額外的電壓和電流監(jiān)控系統(tǒng)允許整個系統(tǒng)保持安全和冗余。主 BMS 通過分壓器電路和電壓傳感器測量系統(tǒng)電壓，如圖 1 所示。單個電池測量值也被發(fā)送到 BMS 以進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)控。所有傳感器和各個 BMS 都是隔離的。

圖 1：BMS 中的電壓和電流測量

測量錯誤的后果

確定各種系統(tǒng)參數(shù)時的準(zhǔn)確性對于 EV 的功能很重要。不準(zhǔn)確的測量會導(dǎo)致不便，甚至導(dǎo)致危險和事故。由于電壓和電流測量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的一些常見問題包括行駛里程和電池充電水平的錯誤估計、完全充電剩余時間的錯誤估計、實際車廂溫度與所需車廂溫度之間的不匹配，以及對電池的過壓或欠壓DC/DC轉(zhuǎn)換后的模塊。雖然保留電荷水平和保護(hù)帶等一些功能可以幫助解決這些問題，但它們不是性的解決方案，有必要解決問題的根本原因。

可能會發(fā)生兩種基本類型的錯誤：靜態(tài)錯誤和動態(tài)錯誤。當(dāng)實際值與測量靜態(tài)或緩慢變化參數(shù)的傳感器的測量值之間存在差異時，就會出現(xiàn)靜態(tài)誤差。當(dāng)傳感器測量失真或易受噪聲影響的參數(shù)時，會出現(xiàn)動態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包括增益誤差、失調(diào)誤差和非線性。為了有效地測量靜態(tài)誤差的不同組成部分，需要將它們轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單位，在 EV 的 BMS 中，標(biāo)準(zhǔn)單位是電池電量的滿刻度百分比。對這些誤差求平方根和，以統(tǒng)計上準(zhǔn)確的方式表示數(shù)據(jù)。

其他需要測量的主要系統(tǒng)是車載充電系統(tǒng)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和 HVAC 系統(tǒng)。對于這些系統(tǒng)中的每一個，功率參數(shù)都是在功率轉(zhuǎn)換的不同階段測量的，以保持冗余和準(zhǔn)確性。