解決 48V BMS 應(yīng)用中的數(shù)十年電流測(cè)量挑戰(zhàn)
車輛中 48V 電池系統(tǒng)的激增產(chǎn)生了對(duì)高精度、數(shù)十年電流測(cè)量的需求，以最大限度地提高電池管理系統(tǒng) (BMS) 的效率。在本文中，我將討論測(cè)量長(zhǎng)達(dá)五個(gè)十年的電流時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，并分析解決這一挑戰(zhàn)的方法。我還將討論其他診斷功能如何幫助您進(jìn)行功能安全計(jì)算。
48V BMS 中的電流測(cè)量
讓我們首先通過(guò)查看圖 1 來(lái)分析 BMS 中電流測(cè)量發(fā)生的位置。
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
如圖 1 所示，兩個(gè)最常見的位置是堆棧頂部或堆棧底部。
對(duì)于大多數(shù) 48-V BMS，實(shí)施堆棧頂部位置可檢測(cè)更多潛在故障條件。
許多 BMS 將實(shí)施兩項(xiàng)測(cè)量來(lái)滿足其功能安全目標(biāo)。其中之一必須是高精度的，以便監(jiān)控電池的充電狀態(tài)。第二次測(cè)量不需要這樣的精度——它只是為了比較，以確保主要測(cè)量在正確的范圍內(nèi)。二次測(cè)量通常在一次測(cè)量的相反位置（堆棧底部），因此使用完全不同的分流電阻?；蛘?，使用諸如磁電流傳感器之類的不同技術(shù)可以提供功能安全冗余路徑。
48V BMS 需要數(shù)十年的測(cè)量范圍
接下來(lái)，我想討論為什么汽車 BMS 應(yīng)用可能需要跨數(shù)十年的電流進(jìn)行測(cè)量。兩種運(yùn)行模式?jīng)Q定了該范圍的高端：電池充電和牽引電機(jī)運(yùn)行。
這兩個(gè)用例中的任何一個(gè)都可能會(huì)看到高達(dá) 1,000 A 的電流。48 V 電池的快速充電將需要這種水平的高電流以最大限度地縮短充電時(shí)間，而最大扭矩下的牽引電機(jī)可能需要支持 1,000-峰值電流能力。這兩個(gè)用例還強(qiáng)調(diào)了雙向電流測(cè)量的必要性，如圖 2 所示。
圖 2：汽車 BMS 電流測(cè)量同時(shí)具有拉電流和灌電流要求
充電時(shí)，電池將從車載充電系統(tǒng)吸收電流，并在車輛行駛時(shí)向牽引逆變器提供電流。
當(dāng)前使用范圍的另一端是用于車輛關(guān)閉操作的 100 mA 范圍，例如遠(yuǎn)程啟動(dòng)監(jiān)控、無(wú)鑰匙進(jìn)入或系統(tǒng)固件更新。
五年的挑戰(zhàn)
既然您了解了為什么需要 5 個(gè)十年，那么您的第一步是確定測(cè)量最大電流電平所需的分流電阻值。除了最大電流電平外，您還需要測(cè)量設(shè)備的滿量程輸入來(lái)進(jìn)行此計(jì)算。對(duì)于雙向模擬輸出設(shè)備，電源電壓、電源擺幅和參考電壓（輸入為零時(shí)設(shè)置輸出電平的電壓）將決定最大輸出擺幅；將最大輸出擺幅除以增益確定滿量程輸入范圍。對(duì)于數(shù)字設(shè)備，數(shù)據(jù)表通常定義滿量程輸入。然后，您只需使用等式 1 和 2 將滿量程輸入值除以最大電流即可確定最大分流電阻值。
模擬輸出：
(1)
數(shù)字輸出：
(2)
實(shí)際的分流電阻值應(yīng)小于計(jì)算值，以確保您遠(yuǎn)離由系統(tǒng)容差引起的任何飽和。
一旦您選擇了分流電阻值，下一個(gè)要考慮的事項(xiàng)是您在實(shí)現(xiàn)中可以接受的錯(cuò)誤級(jí)別。公式 3 是用于計(jì)算誤差的和方根 (RSS) 公式，因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)上講，所有誤差都不可能同時(shí)處于最差狀態(tài)：
(3)
我之前提到的視頻系列也有關(guān)于這些計(jì)算的詳細(xì)信息。
在我的計(jì)算中，我將 TI INA240-Q1（特別是具有 20 V/V 增益的 INA240A1-Q1 選項(xiàng)），一種超精密高壓 (80-V) 模擬電流檢測(cè)放大器，與 INA229-Q1 進(jìn)行了比較， 20 位、85V 數(shù)字電源監(jiān)視器。表 1 總結(jié)了從器件規(guī)格開始的最大分流值和預(yù)期誤差計(jì)算。
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設(shè)備選項(xiàng) |
INA240A1-Q1 |
INA229-Q1 |
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共模電壓 |
48 伏 |
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VS _ |
5伏 |
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轉(zhuǎn)向供應(yīng) |
200 毫伏 |
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參考電壓 |
2.5V |
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最大單向輸出電壓 |
2.3V |
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標(biāo)稱增益選項(xiàng) |
20 伏/伏 |
統(tǒng)一 |
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25°C 時(shí)的增益誤差 |
0.2% |
0.1% |
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增益漂移 |
2.5 ppm/°C |
20 ppm/°C |
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125°C 時(shí)的最大增益誤差 |
0.23% |
0.3% |
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125°C 時(shí)的最大增益 |
20.05 V/V |
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最大單向輸入電壓 |
114.7 毫伏 |
163.84 毫伏 |
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最大 25°C 輸入失調(diào)電壓 |
25μV |
1μV |
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輸入失調(diào)電壓漂移 |
250 nV/°C |
10 nV/°C |
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最大 125°C 輸入失調(diào)電壓 |
50μV |
2μV |
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最大單向電流 |
1,000 安 |
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最大分流電阻值 |
114.7 μΩ |
163.8 μΩ |
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選擇的分流電阻值 |
100μΩ |
150μΩ |
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RSS 誤差計(jì)算于： |
25°C |
125°C |
25°C |
125°C |
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1,000 安 |
0.21% |
0.24% |
0.10% |
0.30% |
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100 安 |
0.64% |
0.89% |
0.10% |
0.30% |
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10安 |
6.1% |
8.6% |
0.27% |
0.43% |
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1個(gè) |
61% |
86% |
2.5% |
3.2% |
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100毫安 |
610% |
860% |
25% |
31% |
表 1：計(jì)算需要 ±1,000A 能力的 48V 汽車 BMS 應(yīng)用的最大分流值和預(yù)期誤差
解決了五個(gè)十年的挑戰(zhàn)！
如您所見，解決 48-V BMS 的五個(gè)十年挑戰(zhàn)需要：
· 足夠大的滿量程輸入范圍可在最大電流下啟用足夠大的分流電阻，從而克服失調(diào)誤差。
· 低總輸入失調(diào)電壓，包括共模抑制比和電源抑制的影響，可實(shí)現(xiàn)由最大電流電平驅(qū)動(dòng)的低歐姆分流器。
INA229-Q1 的 164mV 滿量程輸入范圍和 48V 共模電壓下的最大 2μV 總失調(diào)電壓可在單個(gè)分流電阻器上使用單個(gè)器件進(jìn)行 5 個(gè)十年的測(cè)量。此外，該器件還具有監(jiān)控 48V 電池電壓的能力，并結(jié)合靈活的警報(bào)選項(xiàng)，例如過(guò)壓和欠壓以及過(guò)流和欠流。
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