1 TI 技术手册

BMS 拓扑和电流测量方法

混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 在整个全球汽车市场中的份额继续扩大。这些汽车的电池管理系统 (BMS) 承担着重要的任务：使电池在安全工作区 (SOA) 内运行，监测配电情况以及跟踪荷电状态 (SoC)。在典型的 HEV 和 EV 中，同时存在高电压子系统和低电压子系统。高电压子系统具有几百伏的工作电压，直接与公用电网或高电压直流电源相连。低电压子系统通常在 48V 和 12V 电压下运行。

高电压电池的电池组顶部测量需要隔离式解决方案。磁性解决方案可实现所需的隔离，但通常无法支持整个电流范围。TI 提供基于分流器的隔离式电流检测解决方案，例如 AMC3301-Q1。HEV/EV 中基于分流器和基于霍尔传感器的隔离式电流检测解决方案比较 应用简报中汇总了其他隔离式电流检测技术的示例。48V 或 12V 电池系统电池组顶部或电池组底部的实现通常不需要隔离。

本文档重点介绍了非隔离式、基于分流器的电流检测放大器 (CSA)（也称为电流分流监测器 (CSM)），以及适用于 12V 至 48V BMS 子系统电池组底部或电池组顶部的数字功率监测器 (DPM)。基于分流器的非隔离式电流检测具有简单、低成本、出色线性度和精度的优点。基于分流器的电流检测的一个缺点是，对分流电阻器在最大电流电平下的功率损耗有要求。

HEV 或 EV 充电器中的电流检测放大器

电池阵是任何 HEV 或 EV 的重要组件。可充电电池主要有两种类型：已有 100 多年历史的铅酸电池和自 20 世纪 80 年代才投入实际使用的锂离子电池。铅酸电池和锂离子电池都遵循特定的恒压恒流充电曲线。CSA 在确保电池保持在 SOA 内方面起着重要的作用。

在许多系统中，牵引逆变器的工作电流和充电电流可能大于 1000A。但是，当车辆熄火时，这些 BMS 系统还必须能够测量等于或小于 1A 的电流，因为许多系统仍在继续运行，例如免钥匙进入或车辆与外界的通信。BMS 系统必须在运行和车辆熄火期间尽可能精确地监测配电情况，以提供系统的总体运行状况和安全信息。荷电状态 (SoC) 与 HEV 或 EV 中电池包的电量监测计等效，与行驶里程相关。电流检测是确定 SoC 的重要方法之一。除了对电池进行精密监测外，大多数汽车 BMS 系统还需要具有宽松精度要求的冗余测量，以实现系统级功能安全目标。

牵引电机电流 (>1000A) 和车外通信电流 (<1A) 之间的极端差带来了数十倍频程的高精度双向（充电与车辆运行）电流测量挑战。

确定分流电阻器的阻值

过去，使用基于分流器的拓扑来测量高电流一直富有挑战性。不过，由于有了超低电阻分流器，该方法现已可行。典型的模拟电流检测放大器具有介于 20V/V 和 200V/V 的固定增益，并由 5V 电源供电。此 5V 电源决定了最大输出电压（忽略相对于电源的摆幅限制），当我们除以两个增益极值时，可得到 250mV 至 25mV 的满量程输入电压范围。假设双向最大电流测量为 ±1000A，可以计算出最大分流电阻值为 125µΩ 至 12.5µΩ。正如 TI 精密实验室 - 电流检测放大器视频中所述，放大器失调电压将主导低电流范围内的偏移量误差。如果我们使用失调电压为 25µV 的超精密 INA240-Q1，则两个分流电阻器的误差分别为 20% 和 200%。表 1-1 总结了这些计算以及这些分流器在 1000A 时的功率损耗。

解决数十倍频程难题

在这种情况下，需要超精密、低失调电压解决方案。TI 的 DPM 是专用于测量电流的模数转换器 (ADC)。大多数器件也可以监测总线电压，还可以计算功率。满量程输入范围根据典型 ADC 按比例缩小，以适应分流电阻器上典型的小信号压降。INA229-Q1（SPI 接口）和 INA228-Q1（I²C 接口）是 20 位 DPM，V_OFFSET = 1µV，具有 ±163.84mV 满量程输入范围。定义满量程输入范围后，最大分流电阻值的计算就非常简单，只需将满量程输入除以最大电流即可：163.84mV ÷ 1000A = 163.84µΩ。使用更常见的 100µΩ 分流电阻器来计算 1A 时的 1% 误差。

最后的误差校验是为了验证集成式 ADC 能够测出小于偏移量误差级别的信号电平。INA228-Q1 和 INA229-Q1 具有一个 20 位 Δ-Σ 转换器，其中一位是符号位。将 163.84mV 的满量程输入除以 19 位分辨率，可得到 312.5nV/最低有效位 (LSB)。这对应于 100µΩ 分流电阻器上的 3.1mA 电流，远低于 1A 的目标最小电流电平。

如果需要精确测量更低的电流电平，则可能需要进行系统校准。零漂移 器件可实现单点校准，并通过在整个温度范围内提供稳定的性能，使这种具有挑战性的设计成为可能。

对于 HEV 和 EV BMS 子系统中的电流检测，INA229-Q1 或 INA228-Q1 是具有 85V 共模规格和 ±1µV 超低失调电压的 48V 或 12V 系统中任何电池组底部实现或电池组顶部实现的理想选择。业界通用数字接口可以利用现有的通信总线进一步简化设计。具有 80V 共模电压范围的 INA240-Q1 可用于 48V 系统电池组顶部测量，适用于冗余实现或需要更小总动态范围的应用。所有这三种器件均采用 TI 专有的零漂移 技术制造，可在需要时启用单点温度校准，从而解决电流精度较低的问题。

汽车器件建议

除 INA229-Q1 和 INA228-Q1 之外，TI 还提供其他数字输出电流、电压和功率监测器。表 1-2 和表 1-3 汇总了一些示例产品和相关技术文档。