作者：Aaron Reynoso，Crocus Technology產(chǎn)品營銷總監(jiān)
PSD功率系統(tǒng)設(shè)計
PSD功率系統(tǒng)設(shè)計《功率系統(tǒng)設(shè)計》為功率、汽車、能源、交通等提供相關(guān)技術(shù)；電子雜志涵蓋國內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)、應(yīng)用案例和產(chǎn)品信息。 提供文章、新聞翻譯和軟文撰寫，歡迎廠商聯(lián)系。免費推廣：個人論文、市場宣傳、產(chǎn)品發(fā)布。135篇原創(chuàng)內(nèi)容
導 讀
隨著汽油價格的上漲和公眾環(huán)保意識的提高，電動自行車或電動汽車（EV）形式的電動汽車越來越受歡迎。這些電動車輛包括用于存儲能量的電池、用于移動的電動機和用于管理系統(tǒng)的控制器；所有這些都需要用于感測和測量電流的方法。由于推進電動汽車所需的電流可能在100安培量級，因此電流測量可能對安全性、準確性和熱管理提出挑戰(zhàn)。本文討論了電流測量技術(shù)，并介紹了一種新的磁阻傳感技術(shù)。
▋精確測量大直流電流
電動汽車需要精確測量大直流電流（DC），因為它們具有高功率和能量需求。該能量通過構(gòu)成電池組的鋰離子電池的并聯(lián)/串聯(lián)互連來實現(xiàn)。單元配置為XPY形式，其中x為并聯(lián)單元，y為串聯(lián)單元。例如，特斯拉Model S電池組為74p96s、日產(chǎn)Leaf（2p96s）和奧迪e-tron 55（4p108s）。奧迪e-tron的電池標稱電壓為396伏（3.66V x 3s x 36個模塊），容量為240Ah（4p x 60Ah），總電量為95kWh（圖1）。
圖1：4p108s電池組配置
EV電池組通常設(shè)計用于300V至450V之間的電壓范圍，以平衡安全性和部件功率處理能力之間的能量需求。更高的電壓導致對爬電和氣隙距離、絕緣材料厚度的嚴格要求，并且需要能夠承受高電壓的部件。對于相同的功率，較低的電壓需要較高的電流，導致需要更高規(guī)格的導體，這增加了成本和EV重量。
▋BMS的功能
電動汽車的核心是由可充電鋰離子電池和電池管理系統(tǒng)（BMS）組成的電池系統(tǒng)，以最大限度地提高電池使用和安全性。BMS可以定義為通過在其安全操作區(qū)域（SOA）內(nèi)保持操作、監(jiān)控其狀態(tài)、計算二次數(shù)據(jù)、報告該數(shù)據(jù)以及平衡單個電池電壓來管理可充電電池組的任何電子系統(tǒng)。
BMS的主要功能是通過監(jiān)測其電壓、電流和溫度來管理電池狀態(tài)，以使其在其額定安全操作規(guī)范內(nèi)運行。電池的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）計算是基于監(jiān)測電池隨時間的電流消耗曲線（圖2）。
圖2：隨時間變化的電池組電流感應(yīng)
因此，準確監(jiān)控電池電流不僅有助于延長電池的使用壽命和提高行駛距離，還可以通過告知駕駛員剩余電池容量來緩解里程焦慮。
▋精確測量電流的方法
標準線圈變壓器可以精確測量電流，但它僅限于交流電流，不適用于基本上為直流的電動汽車電池系統(tǒng)。BMS只能使用直流電流傳感器，如電流分流器、霍爾效應(yīng)或最新的磁阻電流傳感器，圖3。
圖3：電動汽車電流傳感器的類型
電流分流器只是一個高精度、低值、高功率電阻器。蓄電池電流通過分流器，這導致電壓降與電流成比例。分流器兩端的電壓需要放大、隔離和測量，以得出比例電流。
電流分流器的優(yōu)點是，在沒有電流流動的情況下，它不會出現(xiàn)偏移。然而，所需的隔離放大器將引入偏移，分流電阻器將根據(jù)等式P = I2R耗散功率。隨著電流（I）增加，溫度也增加。由于電阻值約為幾μΩ，工作溫度變化將輕微改變分流電阻，導致測量誤差。
霍爾效應(yīng)傳感器檢測并測量載流導體周圍產(chǎn)生的磁場，并輸出與電流成比例的電壓。其優(yōu)點是磁場感應(yīng)默認情況下在傳感器和電池系統(tǒng)之間提供電流隔離。缺點包括高偏移（隨溫度變化）、非線性和磁滯（一個方向上的大電流影響零偏移）。隨著傳感器精度下降，BMS將需要定期執(zhí)行校準以保持傳感器性能。
磁阻傳感器類似于霍爾傳感器，通過測量載流導體產(chǎn)生的磁場提供無接觸電流感應(yīng)，如圖4所示?；魻栃?yīng)的基本原理是洛倫茲力，霍爾板將在垂直（Z軸）磁場的情況下輸出電壓。磁阻傳感器利用鐵磁合金的電阻在磁場存在時會發(fā)生變化的事實。當磁場處于90度角（Z軸）時，電阻最小，當磁通線水平（X，Y軸）時電阻最高。一般來說，磁阻傳感器具有優(yōu)異的信噪比（SNR），具有比霍爾傳感器更高的靈敏度和精度。
圖4：非接觸式電流傳感
這些傳感器由配置在惠斯通電橋中的電阻鐵磁元件構(gòu)成，以最大化靈敏度、降低功耗、最小化熱不穩(wěn)定性并實現(xiàn)更好的線性。磁場改變電阻值，導致電橋不平衡并產(chǎn)生與磁場強度成比例的輸出電壓。
非接觸式電流傳感器將檢測附近載流導體的磁場，使其易受雜散磁場的影響。這些雜散磁場可能由電流導體或感應(yīng)電機負載產(chǎn)生，除非采取謹慎的預防措施加以防范，否則將導致嚴重的測量誤差。
一種流行的解決方案是用具有高磁導率的昂貴金屬合金屏蔽傳感器。這些昂貴且笨重的合金屏蔽不會阻擋或消除磁場，而是將磁場重新定向，使其與傳感器保持已知距離。如果尺寸或間隔不適當，這種屏蔽會同樣影響電流導體產(chǎn)生的磁場，因此有可能使其測量失真。
使用對外部場具有內(nèi)置免疫力的傳感器更具成本效益且更可取。理想的傳感器由雙傳感元件構(gòu)成，為其提供內(nèi)置共模場抑制（CMFR）。載流導體以產(chǎn)生相等和相反磁通線的方式布線，并且感測元件（H1和H2）定位在IC封裝中，使得每個感測元件檢測相等和相反的磁場。這樣，任何外部單極場將被雙傳感器抵消（圖5）。雙感測元件提供對外部磁場的高抗擾度，無需昂貴的屏蔽。
圖5：共模場抑制（CMFR）
磁阻傳感器的一個例子是Crocus Technology CT452。該傳感器實現(xiàn)了隧道磁阻（TMR），這是一種新型的磁阻技術(shù)。TMR傳感器具有固定的磁參考層、絕緣體和跟隨外部磁場的磁感測層。鐵磁層的磁化方向很重要，因此電子可以穿過絕緣體隧穿，導致惠斯通電橋的電阻不平衡。結(jié)果是傳感器具有固有的良好信噪比（SNR）和跨溫度的穩(wěn)定性。
為了優(yōu)化性能，將TMR傳感器放置在母線上，并使用母線的長度、寬度和厚度的橫截面尺寸以及傳感器和母線之間的氣隙距離來調(diào)整其電流感應(yīng)范圍。TMR傳感器和母線之間的間隔距離定義為氣隙，最小化氣隙將增加傳感范圍，但也將最小化電壓隔離。母線有一個狹縫切口，用于布線電流和實現(xiàn)高CMFR，如圖5所示。
傳感器可以放置在載流母線的上方或下方，并且仍然產(chǎn)生非接觸和隔離的電流測量。注：母線相對于IC的頂部或底部位置將決定測量電流的極性（圖6）。
圖6：母線定位
與傳統(tǒng)的分流和霍爾電流傳感器相比，新型TMR傳感器具有更高的信噪比、更好的溫度穩(wěn)定性、內(nèi)置CMFR，并且由于不需要屏蔽，可以封裝在更小的面積內(nèi)?？赏ㄟ^母線尺寸調(diào)整感應(yīng)電流范圍，使其非常適合電動車輛中的各種BMS電流要求。
電動汽車正在成為電動汽車的標準，其電池功率密度不斷增加，以適應(yīng)更長的行駛里程。隨著電動汽車電池的最大電流持續(xù)上升，精確測量需要新的傳感器技術(shù)。傳統(tǒng)的電流傳感器不能滿足精確電流測量、高靈敏度、高CMFR、低功耗和緊湊設(shè)計的要求。Crocus TMR傳感器為電動汽車應(yīng)用提供了一種改進的非接觸式電流傳感選項。
