【導(dǎo)讀】使用傳感器測(cè)量電路中不同的功率相關(guān)參數(shù)時(shí)，會(huì)遇到不同的挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)是保持傳感器和電源電路之間的電氣隔離，以防止電源電路波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。高效隔離還有助于保持高頻開(kāi)關(guān)電路中的測(cè)量精度，該電路極易受到這些高頻開(kāi)關(guān)通過(guò)接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲的影響。
由于世界各國(guó)對(duì)可持續(xù)發(fā)展未來(lái)的關(guān)注，混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)近出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)。許多電子元件和功率元件同步協(xié)同工作以成功運(yùn)行電動(dòng)汽車(chē)。電源模塊位于車(chē)輛周?chē)牟煌恢茫枰獙?shí)時(shí)測(cè)量這些模塊的隔離電壓和電流以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。EV 中的一些主要模塊包括車(chē)載充電器、電池管理系統(tǒng) (BMS)、HVAC 系統(tǒng)、牽引逆變器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。必須準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電流和電壓值以確保正常運(yùn)行。
本文是 Skyworks 產(chǎn)品線經(jīng)理 John Wilson 的演講摘要。Wilson 解釋了有效測(cè)量和監(jiān)控 EV 中的電壓和電流以確保運(yùn)行的重要性。他首先為如何在高壓電路中進(jìn)行測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。
測(cè)量及其目的
為了監(jiān)測(cè)模塊兩端的電壓和流過(guò)它的電流，電流和電壓傳感器被放置在電路中的適當(dāng)位置。例如，為測(cè)量流過(guò)電池組的電流，電流傳感器測(cè)量串聯(lián)分流電阻器兩端的電壓并生成輸出信號(hào)，該信號(hào)與電路中流動(dòng)的電流大小成正比。同樣，為了測(cè)量電池組兩端的電壓，電壓傳感器會(huì)檢測(cè)該點(diǎn)的電壓并生成與電壓成比例的輸出。然后將這些傳感器讀數(shù)發(fā)送到 BMS，然后由 BMS 做出有效操作的決策。車(chē)輛中的不同模塊需要來(lái)自車(chē)輛周?chē)煌?jié)點(diǎn)的測(cè)量，以進(jìn)行反饋、控制、安全和充電水平評(píng)估。
使用傳感器測(cè)量電路中不同的功率相關(guān)參數(shù)時(shí)，會(huì)遇到不同的挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)是保持傳感器和電源電路之間的電氣隔離，以防止電源電路波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。高效隔離還有助于保持高頻開(kāi)關(guān)電路中的測(cè)量精度，該電路極易受到這些高頻開(kāi)關(guān)通過(guò)接地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲的影響。低響應(yīng)時(shí)間和波動(dòng)的溫度也會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。隔離還有助于電平轉(zhuǎn)換，即在同一塊電路板上獨(dú)立運(yùn)行兩個(gè)邏輯電平。大多數(shù)模塊都使用基于 CMOS 的電容耦合來(lái)跨隔離邊界進(jìn)行信號(hào)耦合。
為了更好地理解測(cè)量過(guò)程，Wilson 展示了一個(gè) BMS 監(jiān)控鋰離子電池組，其中兩個(gè)電池管理 IC 監(jiān)控兩個(gè)電池的電壓和電流水平。一個(gè)額外的電壓和電流監(jiān)控系統(tǒng)允許整個(gè)系統(tǒng)保持安全和冗余。主 BMS 通過(guò)分壓器電路和電壓傳感器測(cè)量系統(tǒng)電壓，如圖 1 所示。單個(gè)電池測(cè)量值也被發(fā)送到 BMS 以進(jìn)行進(jìn)一步監(jiān)控。所有傳感器和各個(gè) BMS 都是隔離的。
圖 1：BMS 中的電壓和電流測(cè)量
測(cè)量錯(cuò)誤的后果
確定各種系統(tǒng)參數(shù)時(shí)的準(zhǔn)確性對(duì)于 EV 的功能很重要。不準(zhǔn)確的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致不便，甚至導(dǎo)致危險(xiǎn)和事故。由于電壓和電流測(cè)量不準(zhǔn)確而導(dǎo)致的一些常見(jiàn)問(wèn)題包括行駛里程和電池充電水平的錯(cuò)誤估計(jì)、完全充電剩余時(shí)間的錯(cuò)誤估計(jì)、實(shí)際車(chē)廂溫度與所需車(chē)廂溫度之間的不匹配，以及對(duì)電池的過(guò)壓或欠壓DC/DC轉(zhuǎn)換后的模塊。雖然保留電荷水平和保護(hù)帶等一些功能可以幫助解決這些問(wèn)題，但它們不是性的解決方案，有必要解決問(wèn)題的根本原因。
可能會(huì)發(fā)生兩種基本類型的錯(cuò)誤：靜態(tài)錯(cuò)誤和動(dòng)態(tài)錯(cuò)誤。當(dāng)實(shí)際值與測(cè)量靜態(tài)或緩慢變化參數(shù)的傳感器的測(cè)量值之間存在差異時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)靜態(tài)誤差。當(dāng)傳感器測(cè)量失真或易受噪聲影響的參數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包括增益誤差、失調(diào)誤差和非線性。為了有效地測(cè)量靜態(tài)誤差的不同組成部分，需要將它們轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單位，在 EV 的 BMS 中，標(biāo)準(zhǔn)單位是電池電量的滿刻度百分比。對(duì)這些誤差求平方根和，以統(tǒng)計(jì)上準(zhǔn)確的方式表示數(shù)據(jù)。
其他需要測(cè)量的主要系統(tǒng)是車(chē)載充電系統(tǒng)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和 HVAC 系統(tǒng)。對(duì)于這些系統(tǒng)中的每一個(gè)，功率參數(shù)都是在功率轉(zhuǎn)換的不同階段測(cè)量的，以保持冗余和準(zhǔn)確性。
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