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解決混合動力汽車/電動汽車中的高壓電流感應設(shè)計難題

本文作者：德州儀器點擊： 2019-12-11 11:48

前言：

電氣化已為汽車動力系統(tǒng)創(chuàng)造了一個新的范例——無論該設(shè)計是混合動力汽車(HEV)還是電動汽車(EV)，總有新的設(shè)計難題要解決。在這篇技術(shù)文章中，我想要強調(diào)高壓電流感應的一些主要挑戰(zhàn)，并分享其他資源來幫助和簡化您的設(shè)計過程。

有關(guān)電流感應的介紹，請參閱我們的電子書“簡化電流感應。”

高電壓、高電流：(>200 A或更常見的1,000 A)
高電壓(≥400 V)全電動系統(tǒng)旨在降低驅(qū)動車輛的牽引系統(tǒng)的電流消耗。這需要隔離解決方案，以便“熱”高壓側(cè)能夠向“冷”側(cè)（連接到低壓≤5-V微控制器或其他電路）提供電流測量。由于I2R的功耗，當用分流電阻器測量時，高電流就會出現(xiàn)問題。

如要在這些情況下使用分流器，意味著你必須選擇低于100-µΩ的分流電阻器，但是這些電阻器往往比更為常見的毫歐級電阻器更大、更昂貴。另一種選擇是使用磁性解決方案，但這些磁性解決方案與基于分流器的解決方案相比精度更低，且具有更高的溫度偏移。如果克服了這些性能缺陷，則將極大地增加磁性解決方案的成本和復雜性。

利用這些設(shè)計資源了解更多信息：
• “雙DRV425母線應用的設(shè)計注意事項。”
• “母線運行原理。”

高電壓, 低電流(>400 V 和 <500 A)
此外，高電壓需要一個隔離解決方案。從電流的角度來看，只要低于100 A基本上就是基于分流器的解決方案。在100 A和500 A之間，選擇分流器還是磁性解決方案需要權(quán)衡成本、性能和解決方案尺寸。白皮書介紹了：

• “在車載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器中比較基于分流器和基于霍爾的電流感應解決方案。”

48-V導軌上的精度測量，低電流(<100 A)
48-V導軌的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是滿足您的要求所需的生存性電壓，其可能高達120 V。在一些48-V的電機系統(tǒng)中，需要高精度電流測量來使電機效率達到峰值。這些電機系統(tǒng)可能包含牽引逆變器、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或帶啟動發(fā)電機。在線測量可以顯示最精確的實際電機電流，但由于存在高速脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，因此也非常具有挑戰(zhàn)性，正如以下所述：
• “帶增強PWM抑制的低漂移、高精度、在線電機電流測量。”

對于非電機48-V系統(tǒng)，如DC/DC轉(zhuǎn)換器或電池管理系統(tǒng)（BMS），實現(xiàn)雙向DC電流測量比實現(xiàn)切換性能更為關(guān)鍵，正如以下所述：
• “帶瞬態(tài)保護的高壓側(cè)雙向電流感應電路。”

消除低側(cè)感應的高壓共模電壓要求
低壓側(cè)電流感應降低了一些放大器的要求：輸入端不需要經(jīng)受高壓，因為低壓側(cè)感應的共模是接地-0 V。

放大器的共模電壓范圍必須包括0 V，以便在低側(cè)測量。如果應用是電機低側(cè)相電流測量，則放大器必須具有很高的壓擺率，以調(diào)整打開和關(guān)閉的開關(guān)，正如以下所述：
• “三相系統(tǒng)的低漂移、低側(cè)電流測量。”
對于非電機應用，你的選擇取決于實現(xiàn)的精度要求。參閱：
• “低側(cè)電流檢測電路集成。”
• “外部電流檢測放大器與用于電流感測的集成車載放大器。”

測量BMS中的多段電流
高精度、多段電流測量（從毫安到1kA）是要在單個解決方案中解決的重大挑戰(zhàn)。磁性解決方案不能很好地測量低電流，因為它們的偏移等級較高和漂移較明顯。由于極低的差動輸入電壓水平，基于分流器的測量需要非常低的偏移，以便能夠測量低于100-μΩ的子分流電阻器上的低電流。

例如，BMS可能想要測量±1,500 A。對于0-A輸出電壓和20增益的±2.5-V輸出擺幅的雙向測量中，最大輸入電壓為±125 mV。這導致分流電阻器的值≤ 83 µΩ。這個分流器在100mA時的電壓降只有8.3µV，這意味著你需要一個具有極低偏移的放大器系統(tǒng)來測量這個電平。如果系統(tǒng)的偏移為1 µV，則此電平誤差為~16%。

如要了解更多，請閱讀：
• “HEV和EV中用于BMS應用的基于分流器的電流感應解決方案。”

電磁閥中的電流感應可實現(xiàn)更平穩(wěn)的驅(qū)動
許多汽車應用使用比例電磁閥，但在高壓電流感應方面，比例電磁閥主要用于自動變速器。比例電磁閥可在換檔或運行液壓泵時提供平穩(wěn)的駕駛體驗。電磁閥的驅(qū)動能力主要取決于兩個因素：電磁閥驅(qū)動和電磁閥位置感測。

高精度的電流測量能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁柱塞位置的精確閉環(huán)控制。

電磁閥應用中的電流傳感器遵循分流原理。脈沖寬度調(diào)制信號可用過毫歐分流器在電磁閥上流動。此毫歐分流器集成在電流檢測放大器的內(nèi)部或外部，具體取決于電流范圍。

有關(guān)電磁閥電流傳感器的更多詳細信息，請查看：
• “汽車電磁閥中的電流感應動力學。”
• “帶高精度電流傳感器參考設(shè)計的汽車比例電磁閥.”
• “汽車比例電磁閥電流傳感器的參考設(shè)計。”

電流感應是汽車設(shè)計中提高電氣化水平的的基礎(chǔ)元件，特別是在高壓系統(tǒng)中。盡管現(xiàn)代汽車對傳感器的要求比以往任何時候都要高，但我在本文中提供的鏈接資源可以幫助你設(shè)計一個性能強大且功率傳輸安全的動力系統(tǒng)。

感謝我的同事Sandeep Tallada為本文的電磁閥部分貢獻了他的專業(yè)知識。

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