新型传感技术提高BMS性能

作者：Aaron Reynoso，产品营销总监，Crocus Technology
 
随着汽油价格的上涨和公众环保意识的提高，电动自行车或电动汽车（EV）形式的电动汽车越来越受欢迎。这些电动车辆包括用于存储能量的电池、用于移动的电动机和用于管理系统的控制器；所有这些都需要用于感测和测量电流的方法。由于推进电动汽车所需的电流可能在100安培量级，因此电流测量可能对安全性、准确性和热管理提出挑战。本文讨论了电流测量技术，并介绍了一种新的磁阻传感技术。
 
电动汽车需要精确测量大直流电流（DC），因为它们具有高功率和能量需求。该能量通过构成电池组的锂离子电池的并联/串联互连来实现。单元配置为“XPY”形式，其中“x”为并联单元，“y”为串联单元。例如，特斯拉Model S电池组为74p96s、日产Leaf（2p96s）和奥迪e-tron 55（4p108s）。奥迪e-tron的电池标称电压为396伏（3.66V x 3s x 36个模块），容量为240Ah（4p x 60Ah），总电量为95kWh（图1）。
 

图1：4p108s电池组配置
 
EV电池组通常设计用于300V至450V之间的电压范围，以平衡安全性和部件功率处理能力之间的能量需求。更高的电压导致对爬电和气隙距离、绝缘材料厚度的严格要求，并且需要能够承受高电压的部件。对于相同的功率，较低的电压需要较高的电流，导致需要更高规格的导体，这增加了成本和EV重量。
 
电动汽车的核心是由可充电锂离子电池和电池管理系统（BMS）组成的电池系统，以最大限度地提高电池使用和安全性。BMS可以定义为通过在其安全操作区域（SOA）内保持操作、监控其状态、计算二次数据、报告该数据以及平衡单个电池电压来管理可充电电池组的任何电子系统。
 
BMS的主要功能是通过监测其电压、电流和温度来管理电池状态，以使其在其额定安全操作规范内运行。电池的充电状态（SOC）和健康状态（SOH）计算是基于监测电池随时间的电流消耗曲线（图2）。
 

图2：随时间变化的电池组电流感应
 
因此，准确监控电池电流不仅有助于延长电池的使用寿命和提高行驶距离，还可以通过告知驾驶员剩余电池容量来缓解“里程焦虑”。
 
标准线圈变压器可以精确测量电流，但它仅限于交流电流，不适用于基本上为直流的电动汽车电池系统。BMS只能使用直流电流传感器，如电流分流器、霍尔效应或最新的磁阻电流传感器，图3。
 

图3：电动汽车电流传感器的类型
 
电流分流器只是一个高精度、低值、高功率电阻器。蓄电池电流通过分流器，这导致电压降与电流成比例。分流器两端的电压需要放大、隔离和测量，以得出比例电流。
 
电流分流器的优点是，在没有电流流动的情况下，它不会出现偏移。然而，所需的隔离放大器将引入偏移，分流电阻器将根据等式P = I²R耗散功率。随着电流（I）增加，温度也增加。由于电阻值约为几μΩ，工作温度变化将轻微改变分流电阻，导致测量误差。
 
 
霍尔效应传感器检测并测量载流导体周围产生的磁场，并输出与电流成比例的电压。其优点是磁场感应默认情况下在传感器和电池系统之间提供电流隔离。缺点包括高偏移（随温度变化）、非线性和磁滞（一个方向上的大电流影响零偏移）。随着传感器精度下降，BMS将需要定期执行校准以保持传感器性能。
 
磁阻传感器类似于霍尔传感器，通过测量载流导体产生的磁场提供无接触电流感应，如图4所示。霍尔效应的基本原理是洛伦兹力，霍尔板将在垂直（Z轴）磁场的情况下输出电压。磁阻传感器利用铁磁合金的电阻在磁场存在时会发生变化的事实。当磁场处于90度角（Z轴）时，电阻最小，当磁通线水平（X，Y轴）时电阻最高。一般来说，磁阻传感器具有优异的信噪比（SNR），具有比霍尔传感器更高的灵敏度和精度。
 

图4：非接触式电流传感
 
这些传感器由配置在惠斯通电桥中的电阻铁磁元件构成，以最大化灵敏度、降低功耗、最小化热不稳定性并实现更好的线性。磁场改变电阻值，导致电桥不平衡并产生与磁场强度成比例的输出电压。
 
非接触式电流传感器将检测附近载流导体的磁场，使其易受杂散磁场的影响。这些杂散磁场可能由电流导体或感应电机负载产生，除非采取谨慎的预防措施加以防范，否则将导致严重的测量误差。
 
一种流行的解决方案是用具有高磁导率的昂贵金属合金屏蔽传感器。这些昂贵且笨重的合金屏蔽不会阻挡或消除磁场，而是将磁场重新定向，使其与传感器保持已知距离。如果尺寸或间隔不适当，这种屏蔽会同样影响电流导体产生的磁场，因此有可能使其测量失真。
 
使用对外部场具有内置免疫力的传感器更具成本效益且更可取。理想的传感器由双传感元件构成，为其提供内置共模场抑制（CMFR）。载流导体以产生相等和相反磁通线的方式布线，并且感测元件（H1和H2）定位在IC封装中，使得每个感测元件检测相等和相反的磁场。这样，任何外部单极场将被双传感器抵消（图5）。双感测元件提供对外部磁场的高抗扰度，无需昂贵的屏蔽。
 

图5：共模场抑制（CMFR）
 
磁阻传感器的一个例子是Crocus Technology CT452。该传感器实现了隧道磁阻（TMR），这是一种新型的磁阻技术。TMR传感器具有固定的磁参考层、绝缘体和跟随外部磁场的磁感测层。铁磁层的磁化方向很重要，因此电子可以穿过绝缘体隧穿，导致惠斯通电桥的电阻不平衡。结果是传感器具有固有的良好信噪比（SNR）和跨温度的稳定性。
 
为了优化性能，将TMR传感器放置在母线上，并使用母线的长度、宽度和厚度的横截面尺寸以及传感器和母线之间的气隙距离来调整其电流感应范围。TMR传感器和母线之间的间隔距离定义为“气隙”，最小化气隙将增加传感范围，但也将最小化电压隔离。母线有一个狭缝切口，用于布线电流和实现高CMFR，如图5所示。
 
传感器可以放置在载流母线的上方或下方，并且仍然产生非接触和隔离的电流测量。注：母线相对于IC的顶部或底部位置将决定测量电流的极性（图6）。
 

图6：母线定位
 
与传统的分流和霍尔电流传感器相比，新型TMR传感器具有更高的信噪比、更好的温度稳定性、内置CMFR，并且由于不需要屏蔽，可以封装在更小的面积内。可通过母线尺寸调整感应电流范围，使其非常适合电动车辆中的各种BMS电流要求。
 
电动汽车正在成为电动汽车的标准，其电池功率密度不断增加，以适应更长的行驶里程。随着电动汽车电池的最大电流持续上升，精确测量需要新的传感器技术。传统的电流传感器不能满足精确电流测量、高灵敏度、高CMFR、低功耗和紧凑设计的要求。Crocus TMR传感器为电动汽车应用提供了一种改进的非接触式电流传感选项。
 
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