基于鋰電池檢測(cè)的精密電流檢測(cè)放大器設(shè)計(jì)

在穿越世界各地的城市時(shí)，不可能不注意到混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 的出現(xiàn)。隨著汽車市場(chǎng)中 HEV 和 EV 的快速增長(zhǎng)，電池管理等系統(tǒng)變得重要。

以我們手機(jī)的電池為例。我們會(huì)不斷檢查其狀態(tài)，以確保我們可以全天使用手機(jī)。現(xiàn)在將其轉(zhuǎn)化為汽車，想象一下這些信息變得多么重要。

有多種電流傳感技術(shù)可以監(jiān)控 HEV 或 EV 電池的狀態(tài)。解決方案因電池的電壓和容量而異。如圖 1 所示，我們可以在兩個(gè)主要位置測(cè)量電流：堆棧頂部（高端感應(yīng)）和堆棧底部（低端感應(yīng)）。

圖 1：電池管理系統(tǒng)中的堆棧頂部與堆棧底部

通常，典型的混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)可以有高電壓和低電壓子系統(tǒng)。一般是低壓分系統(tǒng)是指負(fù)責(zé)的12v到48v系統(tǒng)用于管理動(dòng)力系統(tǒng)，照明，空調(diào)和信息娛樂(lè)系統(tǒng)。負(fù)載電流可以變化很大程度上取決于操作條件車輛。為了準(zhǔn)確測(cè)量電流超過(guò)寬動(dòng)態(tài)范圍，精密電流檢測(cè)放大器(CSA)在溫度下是穩(wěn)定的可取的。CSA可以配置為任意高側(cè)或低側(cè)的BMS系統(tǒng)。在目前的電動(dòng)汽車中的電池為 400 V-800 V。在這樣的系統(tǒng)中，在執(zhí)行堆棧頂部電流測(cè)量時(shí)，隔離電流傳感解決方案是首選。

TI 為隔離式電流檢測(cè)提供了多種選擇。DRV425 是一種集成磁通門傳感器集成電路，當(dāng)成對(duì)使用時(shí)，可用于高精度母線測(cè)量。TI 還提供了一系列隔離式電流檢測(cè)放大器 ，可以監(jiān)控高壓電池組頂部的分流器。

EV 系統(tǒng)中的堆棧底部電流感測(cè)以及 48-V/12-V HEV 系統(tǒng)中的高側(cè)和低側(cè)電流感測(cè)通常不需要隔離電流感測(cè)。 

多年來(lái)，電流檢測(cè)放大器已在用于電流和功率測(cè)量的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。這些簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案使設(shè)計(jì)人員能夠以出色的線性度和精度為閉環(huán)電路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)過(guò)流保護(hù)、系統(tǒng)優(yōu)化和電流測(cè)量。 

根據(jù)系統(tǒng)要求和設(shè)計(jì)人員的偏好，所需的電流檢測(cè)放大器類型會(huì)有所不同。TI 提供具有共模范圍、失調(diào)電壓、增益誤差和漂移選項(xiàng)的廣泛電流檢測(cè)放大器產(chǎn)品組合。對(duì)于 HEV/EV 電池管理系統(tǒng)，選擇具有模擬或數(shù)字輸出的電流檢測(cè)放大器可能很重要。

如圖 2 左側(cè)所示，具有模擬輸出的電流檢測(cè)放大器集成了增益設(shè)置電阻器，并根據(jù)在分流器兩端測(cè)得的差分電壓將放大信號(hào)發(fā)送到單端模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)電阻器。對(duì)于模擬輸出電流檢測(cè)放大器，分流電阻的值取決于滿量程輸出、最大輸入電流和增益。最小電流受限于分流器的值和器件的失調(diào)電壓。ADC 參考將是一個(gè)額外的誤差源，需要在信號(hào)路徑中進(jìn)行評(píng)估。雖然具有模擬輸出的電流檢測(cè)放大器仍然高度準(zhǔn)確并廣泛用于電池管理系統(tǒng)，但具有數(shù)字輸出的電流檢測(cè)放大器可能會(huì)提供額外的價(jià)值。

TI 的數(shù)字輸出電流檢測(cè)放大器（如圖 2 右側(cè)所示）集成了一個(gè)專門的 delta-sigma ADC，無(wú)需放大輸入信號(hào)即可最大化 ADC 跨分流電阻器的滿量程輸入范圍。由于采用 delta-sigma 架構(gòu)，數(shù)字輸出設(shè)備具有較低的輸入失調(diào)電壓，從而能夠在低電流下進(jìn)行更高精度的測(cè)量。因此，我們可以使用較小值的分流電阻器來(lái)提高系統(tǒng)效率。

圖 2：模擬與數(shù)字輸出電流檢測(cè)放大器

電池管理系統(tǒng)等電流測(cè)量應(yīng)用需要電流檢測(cè)放大器提供強(qiáng)大的性能。TI 的電流檢測(cè)放大器產(chǎn)品組合涵蓋了從寬共模范圍、低失調(diào)電壓和小增益誤差等多種需求。混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車BMS子系統(tǒng)的電流傳感面對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的挑戰(zhàn)。數(shù)字高精度電流檢測(cè)放大器，具有超低漂移可以大大提高整體性能的同時(shí)減少系統(tǒng)的復(fù)雜性。