如何测量 EV／HEV 电池管理系统中的电流

混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 的普及为汽车设计带来了新的活力。HEV 和 EV 不再使用传统的 12V 铅酸电池（主要用于产生足够的火花来启动发动机），而是采用固态电池，类似于智能手机电池，但规模要大得多。这些新的电池管理系统 (BMS) 需要高精度电流测量以满足各种操作模式。车辆推进和电池充电是工作电流范围高端的示例，而车辆关闭通信是低电流操作模式的示例。

解决这一双向挑战需要非常且工作范围宽的电流测量解决方案。本文介绍了如何确定分流电阻值以处理车辆运动或电池充电所需的高工作电流。本文还研究了各种替代方案将如何影响电流的测量。

汽车 BMS 中的电流感应

图 1说明了电流测量解决方案在 BMS 中的放置位置，无论是位于电池堆顶部还是电池堆底部，具体取决于分流电阻相对于电池输出和电池接地的位置。对于电动汽车，由于电池堆顶部的电压较高，因此电池堆底部是的实现方式。对于 48 伏和 12 伏 BMS 实现，任一位置均可。与电池堆底部相比，电池堆顶部的主要优势在于电池堆与系统接地直接连接。

简化的汽车 BMS 电路图图 1简化的汽车 BMS 电流测量位置，标识为堆栈顶部或堆栈底部。来源：德州仪器

高电流工作模式（例如车辆行驶或电池充电期间牵引电机的接合）可能超过 1,000 A。低电流工作模式（例如车辆关闭通信和系统监控）可以低至 1 A 以下。除了宽动态范围之外，BMS 还需要双向电流测量，在电池充电期间吸收电流，而在车辆运行时提供电流。

宽动态范围给确定分流电阻的值带来了挑战。电流（通常超过 1,000 A）加上测量系统的满量程输入范围将决定可能的分流值。在电流范围的另一端，即低于 1 A 时，可能有两个挑战需要克服：由放大器失调 (V OFFSET ) 引起的误差和由放大器偏置电流 (I BIAS )引起的误差，后者是输入引脚拉出信号的电流。考虑第二个误差的简单方法是 I BIAS与测得电流的比率。对于大多数电流检测放大器，I BIAS远低于 100 ?A。因此，只要电流范围至少为 100 mA，偏置电流误差贡献就应该可以忽略不计。

计算分流电阻值

如前所述，BMS 需要能够进行双向电流测量的设备；因此，在确定相应的分流值时，我们假设对称双向电流为 ±1,000 A。要使用模拟输出电流检测放大器测量双向电流，请使用参考电压 (V REF ) 在差分输入为零时设置输出电平。对于对称操作，这通常设置为电源电压的 50%。现在您知道了电源电压，您可以使用公式 1 确定模拟输出电流检测放大器的满量程输入电压：

V满量程输入= （V电源-V摆幅至电源-V REF）/增益 (1)

使用增益（包括放大器的增益误差和温度漂移）将得到“”预期单向满量程输入电压。将单向满量程输入范围除以单向电流 (1,000 A) 可得到分流电阻值。

作为模拟电流检测放大器的替代方案，让我们考虑一下 TI 的数字电源监视器INA229-Q1。数字电源监视器是专用于测量电流的专用模数转换器 (ADC)。使用数字电源监视器，ADC 的满量程输入范围与典型 ADC 的满量程输入范围不同，以适应分流电阻器上的小信号电压降。INA229-Q1 电源监视器的满量程输入范围为 ±163.84 mV，这使得计算分流电阻值变得相当简单，因为您只需将满量程输入除以单向电流即可。

表 1总结了确定三种不同器件选项能够测量 ±1,000 A 的分流电阻值的关键规格和计算方法。我们将使用INA190-Q1芯片的两个增益选项（25 V/V 和 500 V/V）作为进行计算的模拟选项。

　表 1有助于确定 INA190A1、INA190A5 和 INA229-Q1 的分流电阻值（可测量 ±1,000 A）的关键规格和计算方法。资料来源：德州仪器

为了确保在电流下完全线性运行，所选的实际分流电阻值需要比计算值低，以便将分流电阻的公差变化以及 INA190-Q1 模拟输出选项的电源电压和参考电压考虑在内。因此，在其余计算中，我们将对 INA190A1 使用 90 ?Ω，对 INA190A5 使用 4.5 ?Ω，对 INA229-Q1 使用 100 ?Ω 和 50 ?Ω。

计算 V OFFSET对误差的影响

使用选定的分流电阻值，现在是时候确定可以准确测量的电流了。TI精密实验室关于电流检测放大器的培训系列提供了一种方法来确定在各种工作条件下可以预期的误差。由此，您知道随着负载电流的减小，误差主要由失调误差决定。为了简化计算，我们将仅使用放大器失调误差和增益误差以及由公式 2 表示的方和根方法：

　表 2 INA190A1、INA190A5 和 INA229-Q1 在选定输入电流和选定分流电阻值时的误差计算。来源：德州仪器

低 V OFFSET解决方案可实现五十年的测量

表 1 中的误差计算表明，500 V/V 选项将提供很小的动态范围，因为分流电阻的值太低，无法测量低电流，即使使用非常低的偏移放大器也是如此。如果应用中可以接受 25% 的误差，则增益为 25 的选项可以实现四十年的能力。INA229-Q1 的 1 ?V 偏移和 10 nV/°C 漂移可在选择两个分流电阻值中的任何一个的情况下实现五十年的测量动态范围。工程师需要在峰值 I 2 R 功耗与系统的低电流精度要求之间进行权衡，以确定他们是否可以实施实际的分流电阻。

由于 INA229-Q1 是一款专用 ADC，因此了解它是否也能解析这种低电平信号非常重要。INA229-Q1 是一款 20 位 delta-sigma ADC，其中一位为符号位。将满量程输入除以 19 位可得出每个有效位 312.5 nV，这相当于 100 ?Ω 分流电阻上的 2.9 ?A 或 50 ?Ω 分流电阻上的 5.8 ?A。这两个电平都远低于偏移误差电平，这意味着 ADC 能力不是测量的限制因素。

这些计算结果类似，可以实现 50 年的测量，无论本文中汽车 BMS 应用的电流是 1,000 A，还是工业应用（如测试和测量或光网络模块）的电流是 1 A。分流电阻值将按相同的 1,000 倍缩小，这会导致电流增加一千倍，以达到相同的误差水平。正如本文开头所述，当电流范围扩展到毫安范围以下时，您需要考虑潜在的 I BIAS误差。INA229-Q1 的超低 I BIAS为 2.5 nA，可实现微安范围内的测量。

测量多达五个十进制的电流（这是的汽车 BMS 所需的）是一项挑战，到目前为止还没有简单的答案。1 V V OFFSET、10 nV/°C 失调漂移、154 dB 共模抑制比和 2.5 nA I BIAS的组合在 125°C 时提供 2.02 V 的失调。无论应用需要的电流是 1 A 还是 1,000 A，这种性能使工程师能够测量多达五个十进制。