如何測量 EV／HEV 電池管理系統中的電流

混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的普及為汽車(chē)設計帶來(lái)了新的活力。HEV 和 EV 不再使用傳統的 12V 鉛酸電池（主要用于產(chǎn)生足夠的火花來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機），而是采用固態(tài)電池，類(lèi)似于智能手機電池，但規模要大得多。這些新的電池管理系統 (BMS) 需要高精度電流測量以滿(mǎn)足各種操作模式。車(chē)輛推進(jìn)和電池充電是工作電流范圍高端的示例，而車(chē)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(chē)輛運動(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量。

汽車(chē) BMS 中的電流感應

圖 1說(shuō)明了電流測量解決方案在 BMS 中的放置位置，無(wú)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(dòng)汽車(chē)，由于電池堆頂部的電壓較高，因此電池堆底部是的實(shí)現方式。對于 48 伏和 12 伏 BMS 實(shí)現，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接地直接連接。

簡(jiǎn)化的汽車(chē) BMS 電路圖圖 1簡(jiǎn)化的汽車(chē) BMS 電流測量位置，標識為堆棧頂部或堆棧底部。來(lái)源：德州儀器

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

寬動(dòng)態(tài)范圍給確定分流電阻的值帶來(lái)了挑戰。電流（通常超過(guò) 1,000 A）加上測量系統的滿(mǎn)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(gè)誤差的簡(jiǎn)單方法是 I BIAS與測得電流的比率。對于大多數電流檢測放大器，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(jìn)行雙向電流測量的設備；因此，在確定相應的分流值時(shí)，我們假設對稱(chēng)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(shí)設置輸出電平。對于對稱(chēng)操作，這通常設置為電源電壓的 50%?，F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(mǎn)量程輸入電壓：

V滿(mǎn)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(mǎn)量程輸入電壓。將單向滿(mǎn)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 的數字電源監視器INA229-Q1。數字電源監視器是專(zhuān)用于測量電流的專(zhuān)用模數轉換器 (ADC)。使用數字電源監視器，ADC 的滿(mǎn)量程輸入范圍與典型 ADC 的滿(mǎn)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 電源監視器的滿(mǎn)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(jiǎn)單，因為您只需將滿(mǎn)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(guān)鍵規格和計算方法。我們將使用INA190-Q1芯片的兩個(gè)增益選項（25 V/V 和 500 V/V）作為進(jìn)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(guān)鍵規格和計算方法。資料來(lái)源：德州儀器

為了確保在電流下完全線(xiàn)性運行，所選的實(shí)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，現在是時(shí)候確定可以準確測量的電流了。TI精密實(shí)驗室關(guān)于電流檢測放大器的培訓系列提供了一種方法來(lái)確定在各種工作條件下可以預期的誤差。由此，您知道隨著(zhù)負載電流的減小，誤差主要由失調誤差決定。為了簡(jiǎn)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(shí)的誤差計算。來(lái)源：德州儀器

低 V OFFSET解決方案可實(shí)現五十年的測量

表 1 中的誤差計算表明，500 V/V 選項將提供很小的動(dòng)態(tài)范圍，因為分流電阻的值太低，無(wú)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(shí)現四十年的能力。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)現五十年的測量動(dòng)態(tài)范圍。工程師需要在峰值 I 2 R 功耗與系統的低電流精度要求之間進(jìn)行權衡，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(zhuān)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(mǎn)量程輸入除以 19 位可得出每個(gè)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(gè)電平都遠低于偏移誤差電平，這意味著(zhù) ADC 能力不是測量的限制因素。

這些計算結果類(lèi)似，可以實(shí)現 50 年的測量，無(wú)論本文中汽車(chē) 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(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 )導致電流增加一千倍，以達到相同的誤差水平。正如本文開(kāi)頭所述，當電流范圍擴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)現微安范圍內的測量。

測量多達五個(gè)十進(jìn)制的電流（這是的汽車(chē) BMS 所需的）是一項挑戰，到目前為止還沒(méi)有簡(jiǎn)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(shí)提供 2.02 V 的失調。無(wú)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(gè)十進(jìn)制。