解决 48V BMS 应用中的数十年电流测量挑战

车辆中 48V 电池系统的激增产生了对高精度、数十年电流测量的需求，以最大限度地提高电池管理系统 (BMS) 的效率。在本文中，我将讨论测量长达五个十年的电流时面临的挑战，并分析解决这一挑战的方法。我还将讨论其他诊断功能如何帮助您进行功能安全计算。

48V BMS 中的电流测量

让我们首先通过查看图 1 来分析 BMS 中电流测量发生的位置。

图 1：简化的汽车 BMS 电流测量位置标识为堆栈顶部或堆栈底部

如图 1 所示，两个最常见的位置是堆栈顶部或堆栈底部。

对于大多数 48-V BMS，实施堆栈顶部位置可检测更多潜在故障条件。

许多 BMS 将实施两项测量来满足其功能安全目标。其中之一必须是高精度的，以便监控电池的充电状态。第二次测量不需要这样的精度——它只是为了比较，以确保主要测量在正确的范围内。二次测量通常在一次测量的相反位置（堆栈底部），因此使用完全不同的分流电阻。或者，使用诸如磁电流传感器之类的不同技术可以提供功能安全冗余路径。

48V BMS 需要数十年的测量范围

接下来，我想讨论为什么汽车 BMS 应用可能需要跨数十年的电流进行测量。两种运行模式决定了该范围的高端：电池充电和牵引电机运行。

这两个用例中的任何一个都可能会看到高达 1,000 A 的电流。48 V 电池的快速充电将需要这种水平的高电流以最大限度地缩短充电时间，而最大扭矩下的牵引电机可能需要支持 1,000-峰值电流能力。这两个用例还强调了双向电流测量的必要性，如图 2 所示。

图 2：汽车 BMS 电流测量同时具有拉电流和灌电流要求

充电时，电池将从车载充电系统吸收电流，并在车辆行驶时向牵引逆变器提供电流。

当前使用范围的另一端是用于车辆关闭操作的 100 mA 范围，例如远程启动监控、无钥匙进入或系统固件更新。

五年的挑战

既然您了解了为什么需要 5 个十年，那么您的第一步是确定测量最大电流电平所需的分流电阻值。除了最大电流电平外，您还需要测量设备的满量程输入来进行此计算。对于双向模拟输出设备，电源电压、电源摆幅和参考电压（输入为零时设置输出电平的电压）将决定最大输出摆幅；将最大输出摆幅除以增益确定满量程输入范围。对于数字设备，数据表通常定义满量程输入。然后，您只需使用等式 1 和 2 将满量程输入值除以最大电流即可确定最大分流电阻值。

模拟输出：   

    (1)

数字输出：                       

 (2)

实际的分流电阻值应小于计算值，以确保您远离由系统容差引起的任何饱和。

一旦您选择了分流电阻值，下一个要考虑的事项是您在实现中可以接受的错误级别。公式 3 是用于计算误差的和方根 (RSS) 公式，因为从统计上讲，所有误差都不可能同时处于最差状态：

   (3)

我之前提到的视频系列也有关于这些计算的详细信息。

在我的计算中，我将 TI INA240-Q1（特别是具有 20 V/V 增益的 INA240A1-Q1 选项），一种超精密高压 (80-V) 模拟电流检测放大器，与 INA229-Q1 进行了比较， 20 位、85V 数字电源监视器。表 1 总结了从器件规格开始的最大分流值和预期误差计算。

表 1：计算需要 ±1,000A 能力的 48V 汽车 BMS 应用的最大分流值和预期误差

解决了五个十年的挑战！

如您所见，解决 48-V BMS 的五个十年挑战需要：

· 足够大的满量程输入范围可在最大电流下启用足够大的分流电阻，从而克服失调误差。

· 低总输入失调电压，包括共模抑制比和电源抑制的影响，可实现由最大电流电平驱动的低欧姆分流器。

INA229-Q1 的 164mV 满量程输入范围和 48V 共模电压下的最大 2µV 总失调电压可在单个分流电阻器上使用单个器件进行 5 个十年的测量。此外，该器件还具有监控 48V 电池电压的能力，并结合灵活的警报选项，例如过压和欠压以及过流和欠流。