如何測量 EV／HEV 電池管理系統(tǒng)中的電流

混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 的普及為汽車設計帶來了新的活力。HEV 和 EV 不再使用傳統(tǒng)的 12V 鉛酸電池（主要用于產生足夠的火花來啟動發(fā)動機），而是采用固態(tài)電池，類似于智能手機電池，但規(guī)模要大得多。這些新的電池管理系統(tǒng) (BMS) 需要高精度電流測量以滿足各種操作模式。車輛推進和電池充電是工作電流范圍高端的示例，而車輛關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動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量。

汽車 BMS 中的電流感應

圖 1說明了電流測量解決方案在 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于電池輸出和電池接地的位置。對于電動汽車，由于電池堆頂部的電壓較高，因此電池堆底部是的實現(xiàn)方式。對于 48 伏和 12 伏 BMS 實現(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)勢在于電池堆與系統(tǒng)接地直接連接。

簡化的汽車 BMS 電路圖圖 1簡化的汽車 BMS 電流測量位置，標識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的接合）可能超過 1,000 A。低電流工作模式（例如車輛關閉通信和系統(tǒng)監(jiān)控）可以低至 1 A 以下。除了寬動態(tài)范圍之外，BMS 還需要雙向電流測量，在電池充電期間吸收電流，而在車輛運行時提供電流。

寬動態(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，可能有兩個挑戰(zhàn)需要克服：由放大器失調 (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的電流?？紤]第二個誤差的簡單方法是 I BIAS與測得電流的比率。對于大多數(shù)電流檢測放大器，I BIAS遠低于 100 ?A。因此，只要電流范圍至少為 100 mA，偏置電流誤差貢獻就應該可以忽略不計。

計算分流電阻值

如前所述，BMS 需要能夠進行雙向電流測量的設備；因此，在確定相應的分流值時，我們假設對稱雙向電流為 ±1,000 A。要使用模擬輸出電流檢測放大器測量雙向電流，請使用參考電壓 (V REF ) 在差分輸入為零時設置輸出電平。對于對稱操作，這通常設置為電源電壓的 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)視器是專用于測量電流的專用模數(shù)轉換器 (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，以適應分流電阻器上的小信號電壓降。INA229-Q1 電源監(jiān)視器的滿量程輸入范圍為 ±163.84 mV，這使得計算分流電阻值變得相當簡單，因為您只需將滿量程輸入除以單向電流即可。

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

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

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

計算 V OFFSET對誤差的影響

使用選定的分流電阻值，現(xiàn)在是時候確定可以準確測量的電流了。TI精密實驗室關于電流檢測放大器的培訓系列提供了一種方法來確定在各種工作條件下可以預期的誤差。由此，您知道隨著負載電流的減小，誤差主要由失調誤差決定。為了簡化計算，我們將僅使用放大器失調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的誤差計算。來源：德州儀器

低 V OFFSET解決方案可實現(xiàn)五十年的測量

表 1 中的誤差計算表明，500 V/V 選項將提供很小的動態(tài)范圍，因為分流電阻的值太低，無法測量低電流，即使使用非常低的偏移放大器也是如此。如果應用中可以接受 25% 的誤差，則增益為 25 的選項可以實現(xiàn)四十年的能力。INA229-Q1 的 1 ?V 偏移和 10 nV/°C 漂移可在選擇兩個分流電阻值中的任何一個的情況下實現(xiàn)五十年的測量動態(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行權衡，以確定他們是否可以實施實際的分流電阻。

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非常重要。INA229-Q1 是一款 20 位 delta-sigma ADC，其中一位為符號位。將滿量程輸入除以 19 位可得出每個有效位 312.5 nV，這相當于 100 ?Ω 分流電阻上的 2.9 ?A 或 50 ?Ω 分流電阻上的 5.8 ?A。這兩個電平都遠低于偏移誤差電平，這意味著 ADC 能力不是測量的限制因素。

這些計算結果類似，可以實現(xiàn) 50 年的測量，無論本文中汽車 BMS 應用的電流是 1,000 A，還是工業(yè)應用（如測試和測量或光網絡模塊）的電流是 1 A。分流電阻值將按相同的 1,000 倍縮小，這會導致電流增加一千倍，以達到相同的誤差水平。正如本文開頭所述，當電流范圍擴展到毫安范圍以下時，您需要考慮潛在的 I BIAS誤差。INA229-Q1 的超低 I BIAS為 2.5 nA，可實現(xiàn)微安范圍內的測量。

測量多達五個十進制的電流（這是的汽車 BMS 所需的）是一項挑戰(zhàn)，到目前為止還沒有簡單的答案。1 V V OFFSET、10 nV/°C 失調漂移、154 dB 共模抑制比和 2.5 nA I BIAS的組合在 125°C 時提供 2.02 V 的失調。無論應用需要的電流是 1 A 還是 1,000 A，這種性能使工程師能夠測量多達五個十進制。