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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計難題

本文作者:德州儀器       點擊: 2019-12-11 14:22
前言:
 

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

有關電流感應的介紹,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)全電動系統旨在降低驅動車輛的牽引系統的電流消耗。這需要隔離解決方案,以便“熱”高壓側能夠向“冷”側(連接到低壓≤5-V微控制器或其他電路)提供電流測量。由於I2R的功耗,當用分流電阻器測量時,高電流就會出現問題。

如要在這些情況下使用分流器,意味著你必須選擇低於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於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複雜性。

利用這些設計資源瞭解更多資訊:
• “雙DRV425母線應用的設計注意事項。”
•  “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,只要低於100 A基本上就是基於分流器的解決方案。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轉換器中比較基於分流器和基於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導軌的主要設計挑戰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。這些電機系統可能包含牽引逆變器、電動助力轉向系統或帶啟動發電機。線上測量可以顯示最精確的實際電機電流,但由於存在高速脈衝寬度調製(PWM)信號,因此也非常具有挑戰性,正如以下所述:
• “帶增強PWM抑制的低漂移、高精度、線上電機電流測量。”
 
對於非電機48-V系統,如DC/DC轉換器或電池管理系統(BMS),實現雙向DC電流測量比實現切換性能更為關鍵,正如以下所述:
• “帶瞬態保護的高壓側雙向電流感應電路。”
 
消除低側感應的高壓共模電壓要求
低壓側電流感應降低了一些放大器的要求:輸入端不需要經受高壓,因為低壓側感應的共模是接地-0 V。

放大器的共模電壓範圍必須包括0 V,以便在低側測量。如果應用是電機低側相電流測量,則放大器必須具有很高的壓擺率,以調整打開和關閉的開關,正如以下所述:
• “三相系統的低漂移、低側電流測量。”

對於非電機應用,你的選擇取決於實現的精度要求。參閱:
• “低側電流檢測電路集成。”
• “外部電流檢測放大器與用於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(從毫安培到1kA)是要在單個解決方案中解決的重大挑戰。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。由於極低的差動輸入電壓水準,基於分流器的測量需要非常低的偏移,以便能夠測量低於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。對於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來測量這個電平。如果系統的偏移為1 µV,則此電平誤差為~16%。

如要瞭解更多,請閱讀:
•  “HEV和EV中用於BMS應用的基於分流器的電流感應解決方案。”
 
電磁閥中的電流感應可實現更平穩的驅動
許多汽車應用使用比例電磁閥,但在高壓電流感應方面,比例電磁閥主要用於自動變速器。比例電磁閥可在換檔或運行液壓泵時提供平穩的駕駛體驗。電磁閥的驅動能力主要取決於兩個因素:電磁閥驅動和電磁閥位置感測。

高精度的電流測量能夠實現對電磁柱塞位置的精確閉環控制。

電磁閥應用中的電流感測器遵循分流原理。脈衝寬度調製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部或外部,具體取決於電流範圍。

有關電磁閥電流感測器的更多詳細資訊,請查看:
•  “汽車電磁閥中的電流感應動力學。”
•  “帶高精度電流感測器參考設計的汽車比例電磁閥.”
•  “汽車比例電磁閥電流感測器的參考設計。”
 
電流感應是汽車設計中提高電氣化水準的的基礎元件,特別是在高壓系統中。儘管現代汽車對感測器的要求比以往任何時候都要高,但我在本文中提供的連結資源可以説明你設計一個性能強大且功率傳輸安全的動力系統。

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

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