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)參數時(shí)，會(huì )遇到不同的挑戰。主要挑戰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(dòng)對測量的影響。高效隔離還有助于保持高頻開(kāi)關(guān)電路中的測量精度，該電路極易受到這些高頻開(kāi)關(guān)通過(guò)接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲的影響。

由于世界各國對可持續發(fā)展未來(lái)的關(guān)注，混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)近出現了快速增長(cháng)。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(dòng)汽車(chē)。電源模塊位于車(chē)輛周?chē)牟煌恢?，需要?shí)時(shí)測量這些模塊的隔離電壓和電流以進(jìn)行連續監控。EV 中的一些主要模塊包括車(chē)載充電器、電池管理系統 (BMS)、HVAC 系統、牽引逆變器和 DC/DC 轉換器。必須準確監測電流和電壓值以確保正常運行。

本文是 Skyworks 產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 John Wilson 的演講摘要。Wilson 解釋了有效測量和監控 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。

測量及其目的

為了監測模塊兩端的電壓和流過(guò)它的電流，電流和電壓傳感器被放置在電路中的適當位置。例如，為測量流過(guò)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(dòng)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(huì )檢測該點(diǎn)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發(fā)送到 BMS，然后由 BMS 做出有效操作的決策。車(chē)輛中的不同模塊需要來(lái)自車(chē)輛周?chē)煌濣c(diǎn)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)參數時(shí)，會(huì )遇到不同的挑戰。主要挑戰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(dòng)對測量的影響。高效隔離還有助于保持高頻開(kāi)關(guān)電路中的測量精度，該電路極易受到這些高頻開(kāi)關(guān)通過(guò)接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲的影響。低響應時(shí)間和波動(dòng)的溫度也會(huì )影響測量的準確性。隔離還有助于電平轉換，即在同一塊電路板上獨立運行兩個(gè)邏輯電平。大多數模塊都使用基于 CMOS 的電容耦合來(lái)跨隔離邊界進(jìn)行信號耦合。

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

確定各種系統參數時(shí)的準確性對于 EV 的功能很重要。不準確的測量會(huì )導致不便，甚至導致危險和事故。由于電壓和電流測量不準確而導致的一些常見(jiàn)問(wèn)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(shí)間的錯誤估計、實(shí)際車(chē)廂溫度與所需車(chē)廂溫度之間的不匹配，以及對電池的過(guò)壓或欠壓DC/DC轉換后的模塊。雖然保留電荷水平和保護帶等一些功能可以幫助解決這些問(wèn)題，但它們不是性的解決方案，有必要解決問(wèn)題的根本原因。

可能會(huì )發(fā)生兩種基本類(lèi)型的錯誤：靜態(tài)錯誤和動(dòng)態(tài)錯誤。當實(shí)際值與測量靜態(tài)或緩慢變化參數的傳感器的測量值之間存在差異時(shí)，就會(huì )出現靜態(tài)誤差。當傳感器測量失真或易受噪聲影響的參數時(shí)，會(huì )出現動(dòng)態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包括增益誤差、失調誤差和非線(xiàn)性。為了有效地測量靜態(tài)誤差的不同組成部分，需要將它們轉換為標準單位，在 EV 的 BMS 中，標準單位是電池電量的滿(mǎn)刻度百分比。對這些誤差求平方根和，以統計上準確的方式表示數據。

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