2019年12月12日 | 解决混合动力汽车/电动汽车中的高压电流感应设计难题

电气化已为汽车动力系统创造了一个新的范例——无论该设计是混合动力汽车(HEV)还是电动汽车(EV)，总有新的设计难题要解决。在这篇技术文章中，我想要强调高压电流感应的一些主要挑战，并分享其他资源来帮助和简化您的设计过程。 

有关电流感应的介绍，请参阅我们的电子书“http://www.ti.com/lit/ml/slyy154/slyy154.pdf 简化电流感应。” 

高电压、高电流：(>200 A 或更常见的 1,000 A)

高电压(≥400 V)全电动系统旨在降低驱动车辆的牵引系统的电流消耗。这需要隔离解决方案，以便“热”高压侧能够向“冷”侧（连接到低压≤5-V 微控制器或其他电路）提供电流测量。由于 I2R 的功耗，当用分流电阻器测量时，高电流就会出现问题。 

如要在这些情况下使用分流器，意味着你必须选择低于 100-µΩ的分流电阻器，但是这些电阻器往往比更为常见的毫欧级电阻器更大、更昂贵。另一种选择是使用磁性解决方案，但这些磁性解决方案与基于分流器的解决方案相比精度更低，且具有更高的温度偏移。如果克服了这些性能缺陷，则将极大地增加磁性解决方案的成本和复杂性。 

利用这些设计资源了解更多信息： 

“http://www.ti.com/lit/an/sboa185/sboa185.pdf 双 DRV425 母线应用的设计注意事项。”

“http://www.ti.com/lit/an/sloa237/sloa237.pdf 母线运行原理。”

高电压, 低电流(>400 V 和 <500 A)

此外，高电压需要一个隔离解决方案。从电流的角度来看，只要低于 100 A 基本上就是基于分流器的解决方案。在 100 A 和 500 A 之间，选择分流器还是磁性解决方案需要权衡成本、性能和解决方案尺寸。白皮书介绍了： 

“https://www.ti.com/lit/wp/sbaa318a/sbaa318a.pdf 在车载充电器和 DC/DC 转换器中比较基于分流器和基于霍尔的电流感应解决方案。”

48-V 导轨上的精度测量，低电流(<100 A)

48-V 导轨的主要设计挑战是满足您的要求所需的生存性电压，其可能高达 120 V。在一些 48-V 的电机系统中，需要高精度电流测量来使电机效率达到峰值。这些电机系统可能包含牵引逆变器、电动助力转向系统或带启动发电机。在线测量可以显示最精确的实际电机电流，但由于存在高速脉冲宽度调制（PWM）信号，因此也非常具有挑战性，正如以下所述： 

“http://www.ti.com/lit/an/sboa160b/sboa160b.pdf 带增强 PWM 抑制的低漂移、高精度、在线电机电流测量。”

对于非电机 48-V 系统，如 DC/DC 转换器或电池管理系统（BMS），实现双向 DC 电流测量比实现切换性能更为关键，正如以下所述：

“http://www.ti.com/lit/an/sboa299a/sboa299a.pdf 带瞬态保护的高压侧双向电流感应电路。”

消除低侧感应的高压共模电压要求

低压侧电流感应降低了一些放大器的要求：输入端不需要经受高压，因为低压侧感应的共模是接地 -0 V。 

放大器的共模电压范围必须包括 0 V，以便在低侧测量。如果应用是电机低侧相电流测量，则放大器必须具有很高的压摆率，以调整打开和关闭的开关，正如以下所述： 

“http://www.ti.com/lit/an/sboa161b/sboa161b.pdf 三相系统的低漂移、低侧电流测量。” 

对于非电机应用，你的选择取决于实现的精度要求。参阅： 

“http://www.ti.com/lit/an/sboa190/sboa190.pdf 低侧电流检测电路集成。”

“http://www.ti.com/lit/an/sboa192b/sboa192b.pdf 外部电流检测放大器与用于电流感测的集成车载放大器。”

测量 BMS 中的多段电流

高精度、多段电流测量（从毫安到 1kA）是要在单个解决方案中解决的重大挑战。磁性解决方案不能很好地测量低电流，因为它们的偏移等级较高和漂移较明显。由于极低的差动输入电压水平，基于分流器的测量需要非常低的偏移，以便能够测量低于 100-μΩ的子分流电阻器上的低电流。 

例如，BMS 可能想要测量±1,500 A。对于 0-A 输出电压和 20 增益的±2.5-V 输出摆幅的双向测量中，最大输入电压为±125 mV。这导致分流电阻器的值≤ 83 µΩ。这个分流器在 100mA 时的电压降只有 8.3µV，这意味着你需要一个具有极低偏移的放大器系统来测量这个电平。如果系统的偏移为 1 µV，则此电平误差为~16%。 

如要了解更多，请阅读： 

“http://www.ti.com/lit/an/sbaa324a/sbaa324a.pdfHEV 和 EV 中用于 BMS 应用的基于分流器的电流感应解决方案。”

电磁阀中的电流感应可实现更平稳的驱动

许多汽车应用使用比例电磁阀，但在高压电流感应方面，比例电磁阀主要用于自动变速器。比例电磁阀可在换档或运行液压泵时提供平稳的驾驶体验。电磁阀的驱动能力主要取决于两个因素：电磁阀驱动和电磁阀位置感测。 

高精度的电流测量能够实现对电磁柱塞位置的精确闭环控制。 

电磁阀应用中的电流传感器遵循分流原理。脉冲宽度调制信号可用过毫欧分流器在电磁阀上流动。此毫欧分流器集成在电流检测放大器的内部或外部，具体取决于电流范围。 

有关电磁阀电流传感器的更多详细信息，请查看： 

     “https://e2e.ti.com/blogs_/b/behind_the_wheel/archive/2019/11/01/current-sensing-dynamics-in-automotive-solenoids 汽车电磁阀中的电流感应动力学。”

“http://www.ti.com.cn/tool/cn/TIDA-020023 带高精度电流传感器参考设计的汽车比例电磁阀 .”

“http://www.ti.com/lit/ug/tidudf9/tidudf9.pdf 汽车比例电磁阀电流传感器的参考设计。”

电流感应是汽车设计中提高电气化水平的的基础元件，特别是在高压系统中。尽管现代汽车对传感器的要求比以往任何时候都要高，但我在本文中提供的链接资源可以帮助你设计一个性能强大且功率传输安全的动力系统。

感谢我的同事 Sandeep Tallada 为本文的电磁阀部分贡献了他的专业知识。