如何測(cè)量 EV／HEV 電池管理系統(tǒng)中的電流

混合動(dòng)力汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 的普及為汽車設(shè)計(jì)帶來了新的活力。HEV 和 EV 不再使用傳統(tǒng)的 12V 鉛酸電池（主要用于產(chǎn)生足夠的火花來啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)），而是采用固態(tài)電池，類似于智能手機(jī)電池，但規(guī)模要大得多。這些新的電池管理系統(tǒng) (BMS) 需要高精度電流測(cè)量以滿足各種操作模式。車輛推進(jìn)和電池充電是工作電流范圍高端的示例，而車輛關(guān)閉通信是低電流操作模式的示例。

解決這一雙向挑戰(zhàn)需要非常且工作范圍寬的電流測(cè)量解決方案。本文介紹了如何確定分流電阻值以處理車輛運(yùn)動(dòng)或電池充電所需的高工作電流。本文還研究了各種替代方案將如何影響電流的測(cè)量。

汽車 BMS 中的電流感應(yīng)

圖 1說明了電流測(cè)量解決方案在 BMS 中的放置位置，無論是位于電池堆頂部還是電池堆底部，具體取決于分流電阻相對(duì)于電池輸出和電池接地的位置。對(duì)于電動(dòng)汽車，由于電池堆頂部的電壓較高，因此電池堆底部是的實(shí)現(xiàn)方式。對(duì)于 48 伏和 12 伏 BMS 實(shí)現(xiàn)，任一位置均可。與電池堆底部相比，電池堆頂部的主要優(yōu)勢(shì)在于電池堆與系統(tǒng)接地直接連接。

簡(jiǎn)化的汽車 BMS 電路圖圖 1簡(jiǎn)化的汽車 BMS 電流測(cè)量位置，標(biāo)識(shí)為堆棧頂部或堆棧底部。來源：德州儀器

高電流工作模式（例如車輛行駛或電池充電期間牽引電機(jī)的接合）可能超過 1,000 A。低電流工作模式（例如車輛關(guān)閉通信和系統(tǒng)監(jiān)控）可以低至 1 A 以下。除了寬動(dòng)態(tài)范圍之外，BMS 還需要雙向電流測(cè)量，在電池充電期間吸收電流，而在車輛運(yùn)行時(shí)提供電流。

寬動(dòng)態(tài)范圍給確定分流電阻的值帶來了挑戰(zhàn)。電流（通常超過 1,000 A）加上測(cè)量系統(tǒng)的滿量程輸入范圍將決定可能的分流值。在電流范圍的另一端，即低于 1 A 時(shí)，可能有兩個(gè)挑戰(zhàn)需要克服：由放大器失調(diào) (V OFFSET ) 引起的誤差和由放大器偏置電流 (I BIAS )引起的誤差，后者是輸入引腳拉出信號(hào)的電流。考慮第二個(gè)誤差的簡(jiǎn)單方法是 I BIAS與測(cè)得電流的比率。對(duì)于大多數(shù)電流檢測(cè)放大器，I BIAS遠(yuǎn)低于 100 ?A。因此，只要電流范圍至少為 100 mA，偏置電流誤差貢獻(xiàn)就應(yīng)該可以忽略不計(jì)。

計(jì)算分流電阻值

如前所述，BMS 需要能夠進(jìn)行雙向電流測(cè)量的設(shè)備；因此，在確定相應(yīng)的分流值時(shí)，我們假設(shè)對(duì)稱雙向電流為 ±1,000 A。要使用模擬輸出電流檢測(cè)放大器測(cè)量雙向電流，請(qǐng)使用參考電壓 (V REF ) 在差分輸入為零時(shí)設(shè)置輸出電平。對(duì)于對(duì)稱操作，這通常設(shè)置為電源電壓的 50%?，F(xiàn)在您知道了電源電壓，您可以使用公式 1 確定模擬輸出電流檢測(cè)放大器的滿量程輸入電壓：

V滿量程輸入= （V電源-V擺幅至電源-V REF）/增益 (1)

使用增益（包括放大器的增益誤差和溫度漂移）將得到“”預(yù)期單向滿量程輸入電壓。將單向滿量程輸入范圍除以單向電流 (1,000 A) 可得到分流電阻值。

作為模擬電流檢測(cè)放大器的替代方案，讓我們考慮一下 TI 的數(shù)字電源監(jiān)視器INA229-Q1。數(shù)字電源監(jiān)視器是專用于測(cè)量電流的專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。使用數(shù)字電源監(jiān)視器，ADC 的滿量程輸入范圍與典型 ADC 的滿量程輸入范圍不同，以適應(yīng)分流電阻器上的小信號(hào)電壓降。INA229-Q1 電源監(jiān)視器的滿量程輸入范圍為 ±163.84 mV，這使得計(jì)算分流電阻值變得相當(dāng)簡(jiǎn)單，因?yàn)槟恍鑼M量程輸入除以單向電流即可。

表 1總結(jié)了確定三種不同器件選項(xiàng)能夠測(cè)量 ±1,000 A 的分流電阻值的關(guān)鍵規(guī)格和計(jì)算方法。我們將使用INA190-Q1芯片的兩個(gè)增益選項(xiàng)（25 V/V 和 500 V/V）作為進(jìn)行計(jì)算的模擬選項(xiàng)。

　表 1有助于確定 INA190A1、INA190A5 和 INA229-Q1 的分流電阻值（可測(cè)量 ±1,000 A）的關(guān)鍵規(guī)格和計(jì)算方法。資料來源：德州儀器

為了確保在電流下完全線性運(yùn)行，所選的實(shí)際分流電阻值需要比計(jì)算值低，以便將分流電阻的公差變化以及 INA190-Q1 模擬輸出選項(xiàng)的電源電壓和參考電壓考慮在內(nèi)。因此，在其余計(jì)算中，我們將對(duì) INA190A1 使用 90 ?Ω，對(duì) INA190A5 使用 4.5 ?Ω，對(duì) INA229-Q1 使用 100 ?Ω 和 50 ?Ω。

計(jì)算 V OFFSET對(duì)誤差的影響

使用選定的分流電阻值，現(xiàn)在是時(shí)候確定可以準(zhǔn)確測(cè)量的電流了。TI精密實(shí)驗(yàn)室關(guān)于電流檢測(cè)放大器的培訓(xùn)系列提供了一種方法來確定在各種工作條件下可以預(yù)期的誤差。由此，您知道隨著負(fù)載電流的減小，誤差主要由失調(diào)誤差決定。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們將僅使用放大器失調(diào)誤差和增益誤差以及由公式 2 表示的方和根方法：

　表 2 INA190A1、INA190A5 和 INA229-Q1 在選定輸入電流和選定分流電阻值時(shí)的誤差計(jì)算。來源：德州儀器

低 V OFFSET解決方案可實(shí)現(xiàn)五十年的測(cè)量

表 1 中的誤差計(jì)算表明，500 V/V 選項(xiàng)將提供很小的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)榉至麟娮璧闹堤?，無法測(cè)量低電流，即使使用非常低的偏移放大器也是如此。如果應(yīng)用中可以接受 25% 的誤差，則增益為 25 的選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)四十年的能力。INA229-Q1 的 1 ?V 偏移和 10 nV/°C 漂移可在選擇兩個(gè)分流電阻值中的任何一個(gè)的情況下實(shí)現(xiàn)五十年的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。工程師需要在峰值 I 2 R 功耗與系統(tǒng)的低電流精度要求之間進(jìn)行權(quán)衡，以確定他們是否可以實(shí)施實(shí)際的分流電阻。

由于 INA229-Q1 是一款專用 ADC，因此了解它是否也能解析這種低電平信號(hào)非常重要。INA229-Q1 是一款 20 位 delta-sigma ADC，其中一位為符號(hào)位。將滿量程輸入除以 19 位可得出每個(gè)有效位 312.5 nV，這相當(dāng)于 100 ?Ω 分流電阻上的 2.9 ?A 或 50 ?Ω 分流電阻上的 5.8 ?A。這兩個(gè)電平都遠(yuǎn)低于偏移誤差電平，這意味著 ADC 能力不是測(cè)量的限制因素。

這些計(jì)算結(jié)果類似，可以實(shí)現(xiàn) 50 年的測(cè)量，無論本文中汽車 BMS 應(yīng)用的電流是 1,000 A，還是工業(yè)應(yīng)用（如測(cè)試和測(cè)量或光網(wǎng)絡(luò)模塊）的電流是 1 A。分流電阻值將按相同的 1,000 倍縮小，這會(huì)導(dǎo)致電流增加一千倍，以達(dá)到相同的誤差水平。正如本文開頭所述，當(dāng)電流范圍擴(kuò)展到毫安范圍以下時(shí)，您需要考慮潛在的 I BIAS誤差。INA229-Q1 的超低 I BIAS為 2.5 nA，可實(shí)現(xiàn)微安范圍內(nèi)的測(cè)量。

測(cè)量多達(dá)五個(gè)十進(jìn)制的電流（這是的汽車 BMS 所需的）是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，到目前為止還沒有簡(jiǎn)單的答案。1 V V OFFSET、10 nV/°C 失調(diào)漂移、154 dB 共模抑制比和 2.5 nA I BIAS的組合在 125°C 時(shí)提供 2.02 V 的失調(diào)。無論應(yīng)用需要的電流是 1 A 還是 1,000 A，這種性能使工程師能夠測(cè)量多達(dá)五個(gè)十進(jìn)制。