HEVEV 应用中的电压和电流检测

1.前言

汽车行业百年发展形成了 以燃油动力和机械硬件为中心的产业链格局，目前正在经历电动化和智能化变 革。电动化与智能化推动汽车产业链重构，成为未来汽车行业发展变革的两条 主线。电动化路径推动燃油动力向电力动力转变，车内系统的能源供应全面转 换为电力能源。智能化路径对机械硬件进行颠覆性革命，转变为以集中式电子 电气架构、智能网联和软件 OTA（Over the Air，空中下载技术）的核心架 构，形成了以自动驾驶和智能驾驶舱为核心的服务生态网络。电动化带来汽车动力系统 颠覆性变革，传统燃油车发动机所需的电子元器件需求下降，围绕车载动力电 池的控制管理，汽车电子成为电池动力系统成功的关键，在电动动力总成和电 池管理系统控制方面发挥核心作用。

汽车系统中半导体含量的快速增加促使需要管理每个子系统中的关键电压和电流。监控电源电压、负载电流或其他重要系统功能有助于指示故障情况、防止灾难性故障并保护最终用户免受潜在伤害。

2.电压和电流的监控系统

与传统的燃烧动力汽车相比，混合动力电动汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 面临着一些不同的挑战。HEV 和 EV 车辆具有许多需要监控电压和电流的系统，包括车载充电器 (OBC)、电池管理系统 (BMS)、DC/DC 转换器和逆变器。在这篇文章中，我们将讨论用于监控 HEV/EV 系统中电流和电压的三个基本电路：使用差分放大器 (DA) 的低侧电流检测、在线隔离电流检测和使用衰减的高电压检测达。

图 1 是一个简化的 HEV/EV 框图，显示了需要电压和电流监控的常见系统。

图 1：典型的 HEV/EV 系统

虽然我们不会在这篇文章中介绍子系统的操作，但设计人员有时会使用分立 DA 进行低侧电流检测（如图 2 所示），尤其是当负载电流是双向的或者他们需要一个小的参考电压来支撑时输出到大于放大器的最小输出摆幅的已知值。对于印刷电路板 (PCB) 布局，您应该开尔文连接分流电阻器。使用具有包括接地在内的共模电压范围的器件非常重要.

图 2：用于低侧电流检测的差动放大器

公式 1 给出了该电路的传递函数，假设 R 4 = R 2且 R 3 = R 1。此应用的放大器通常具有包括接地在内的共模范围。然而，根据具体情况，共模电压可能不会接近地，因为它实际上取决于分流电阻两端的电压 (I Load *R sh )、V ref和 R 3与 R之比所产生的分压器4 . 确保增益 (R2/R1) 使输出电压摆幅不会饱和。

图 3 描绘了一种高边、直插式隔离电流检测解决方案。该AMC1200是差分式，差动输出隔离放大器。隔离放大器有助于保护低压电路免受高共模电压的影响。DA 将差分信号转换为单端信号，然后模数转换器 (ADC) 可以将其数字化。

图 3：用于差分到单端转换、隔离式在线检测的差分放大器

公式 2 给出了图 3 所示电路的传递函数，假设 R 4 = R 2且 R 3 = R 1。AMC1200 的增益为 8V/V。V ref通常连接到 V 2 /2 以将输出偏置到中间电源以支持双向电流。轨到轨输入/输出 (RRIO) 放大器（例如TVL313-Q1 ）非常适合此应用。

图 4 和图 5 描绘了衰减 DA 和相应的 TINA-TI™ 仿真。在该电路中，DA 电阻器将输入电压 (±100V) 分压。由于输入电压是双极性的，设置为中间电源的参考电压会偏置输出。选择放大器时，请务必遵守器件的输入共模和输出电压摆幅规范。此示例使用OPA314-Q1 ,因为它具有较宽的共模范围。

图 4：衰减差分放大器

图 5：衰减差分放大器的 TINA-TI 软件仿真

公式 3 给出了图 4 所示电路的传递函数，假设 R 4 = R 2且 R 3 = R 1。请注意，增益小于 1。

在这篇文章中，我介绍了出现在 OBC、BMS、DC/DC 转换器和逆变器等汽车子系统中的三种常见电路。此外，我强调 HEV/EV 应用使用电压和电流感应来监控关键系统功能，有助于最大限度地延长车辆使用寿命。