動(dòng)力電池的充電與放電功率都非常的夸張，而作為電池重要信息之一的總電流，則是BMS在工作中需要重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)信息。

電流的檢測(cè)相比于電壓和溫度的檢測(cè)不同，因?yàn)檎麄€(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)中只有一個(gè)總電流的信息需要關(guān)注。電流非常重要的一個(gè)作用是用于SOC的評(píng)估，因此電流采樣的頻率會(huì)比較高。同時(shí)電流也是作為電池狀態(tài)評(píng)估的一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)發(fā)生短路，過(guò)流故障的時(shí)候，電流檢測(cè)就是保護(hù)電池的第一道屏障。

目前主流的電流采集方案有兩種：一種是基于串聯(lián)電阻的電流監(jiān)測(cè)，采用最基本的電壓電流關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量；另一種是基于電流傳感器的電流監(jiān)測(cè)，而傳感器還分為普通的開(kāi)環(huán)式霍爾傳感器和磁通門電流傳感器。

一

●

基于SHUNT的電流測(cè)量

電壓量是最直接能夠被測(cè)量到的，因此將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，目前使用的一種方式就是在電池的工作回路中串聯(lián)一個(gè)分流電阻（shunt電阻）。如下圖所示就是基本的實(shí)現(xiàn)方式。

圖1 基于分流電阻的電流監(jiān)測(cè)方案 分流電阻實(shí)際上就是一個(gè)電阻非常小的電阻，精度高、溫漂小，當(dāng)電流流過(guò)分流器的時(shí)候，可以通過(guò)測(cè)量?jī)啥说膲航涤?jì)算出電流的大小。以前電動(dòng)汽車的工作電流范圍一般為-300A~+300A（通常定義放電為正電流，充電為負(fù)電流）?，F(xiàn)在隨著續(xù)航、電池容量、電機(jī)功率的提高，工作電流的范圍基本上都在-500A~+500A之間，目前市面上比較主流的分流器阻值為0.1mΩ，0.15mΩ、0.25mΩ這些規(guī)格，根據(jù)不同的系統(tǒng)電流進(jìn)行不同的選型和使用，最大工作電流時(shí)在分流器上產(chǎn)生最大值為50mV的壓降。但是50mV的壓降相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小，在用AD進(jìn)行采集時(shí)一般要加上適當(dāng)?shù)姆糯箅娐?。最常用的放大加采集解決方案就是AS8510這個(gè)芯片，內(nèi)部集成放大器的ADC芯片，放大系數(shù)可以通過(guò)軟件配置。 采用分流電阻采集電流的方式的好處就是全量程的精度都可以保障，并且相比于其他方案，總的精度也是非常高的。目前在市面上的應(yīng)用也是非常廣泛。但是使用分流電阻采樣也具有不足之處：一個(gè)是熱損耗非常高，以500A為例，發(fā)熱功率高達(dá)25W。對(duì)于一般的電路板而言，25W集中一小塊電路板上對(duì)散熱的設(shè)計(jì)非常嚴(yán)苛，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)ι釂?wèn)題不可忽視。其次是隔離問(wèn)題，由于放大、采集、信號(hào)處理的電路直接跟高壓總線連接，因此低壓供電和CAN信號(hào)的傳輸都需要通過(guò)隔離器件進(jìn)行隔離。 目前國(guó)內(nèi)外的很多電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電池都采用這種方式來(lái)進(jìn)行。雖然實(shí)現(xiàn)隔離成本相對(duì)較高，但在目前看來(lái)是一種比較合適的解決方案。從目前媒體上的一些信息了解到，特斯拉的Model3目前也是采用的這種方式，并且也是用的AS8510。

二

●

基于霍爾傳感器的電流監(jiān)測(cè)

霍爾傳感器一般有3個(gè)引腳，分別連接電源的正極和負(fù)極以及一個(gè)電壓輸出管腳。以下是霍爾傳感器的基本原理及采集電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。

圖2霍爾傳感器基本原理

圖3霍爾傳感器采集電路示意圖 霍爾傳感器的輸出往往跟輸入呈線性關(guān)系，所以只要電壓能夠采集準(zhǔn)確，電流也能夠計(jì)算出來(lái)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，輸入輸出并不是嚴(yán)格的線性比例關(guān)系，并且在電流0點(diǎn)可能也會(huì)存在有電壓的情況。因此實(shí)際工程應(yīng)用中，都需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

圖4霍爾傳感器輸入輸出關(guān)系 霍爾傳感器從實(shí)現(xiàn)電路上來(lái)看比采用分流電阻測(cè)量的電路簡(jiǎn)單很多，但是霍爾傳感器本身價(jià)格也并不便宜，所以就全套實(shí)現(xiàn)方案的成本來(lái)對(duì)比，霍爾傳感器也更貴一點(diǎn)。從目前的主流霍爾傳感器精度上面來(lái)進(jìn)行對(duì)比，其電流采樣精度目前遠(yuǎn)低于采用分流電阻的方案要低。尤其是在低電流的情況下，霍爾傳感器的誤差凸顯非常明顯。因此這種電流傳感器通常是作為電流采樣的一個(gè)備份，在大電流的時(shí)候或者在另外一路傳感器失效的時(shí)候作為一個(gè)參考。

三

●

磁通門電流傳感器

現(xiàn)在我們常用的電流傳感器原理為磁通門原理，包括LEM的CAB系列，以及博世的電流傳感器都是基于磁通門原理的傳感器。磁通門傳感器相較于前兩種方式，其電流上限可以做到很大，且受溫度影響小，發(fā)熱小，精度高。根據(jù)目前市面上的產(chǎn)品，可能會(huì)是未來(lái)的主流方向。磁通門的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在大量搭載后，磁通門電流傳感器的價(jià)格應(yīng)該是具有很大的優(yōu)勢(shì)的。磁通門傳感器的原理框圖如下所示：

圖5磁通門傳感器電氣框圖 通過(guò)外部激勵(lì)源輸出周期性的PWM電壓，該電壓直接作用在磁環(huán)的副邊，通過(guò)一個(gè)磁環(huán)的原邊。而產(chǎn)生周期PWM電壓的電路就是下圖這個(gè)H橋電流，其電壓波形也是下圖所示的方波。

圖6磁通門激勵(lì)源示意圖 磁通門傳感器的簡(jiǎn)化模型，我們把P當(dāng)做原邊，把S當(dāng)做副邊，則可以將磁通門理解為一個(gè)原邊匝數(shù)為1，副邊匝數(shù)為N的一個(gè)變壓器。

圖7 磁通門的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁通門中的磁環(huán)是一個(gè)高磁導(dǎo)率的器件，大致的工作原理如下：（先溫習(xí)一下基本概念，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位是特斯拉T；H是磁場(chǎng)強(qiáng)度，單位A/M；μ是磁導(dǎo)率，μ=B/H；H=（N*I）/L（其中N是線圈的匝數(shù)；I為勵(lì)磁電流；Le為測(cè)試樣品的有效磁路長(zhǎng)度））

1、在電壓為正的區(qū)間，電流剛開(kāi)始增加，由于電感線圈以及磁環(huán)的作用，在電路中會(huì)產(chǎn)生阻礙電流增加的力，極限的理解就是直至線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和之前，電流一直為0。2、當(dāng)線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和之后，線圈等效為一個(gè)電阻，電流會(huì)迅速的增加，因此，如下圖所示，檢測(cè)口的電流會(huì)是一個(gè)脈沖狀。3、當(dāng)原邊沒(méi)有電流的時(shí)候，檢測(cè)口理想的電流波形會(huì)像下圖右上角的坐標(biāo)系那樣來(lái)體現(xiàn)。4、當(dāng)原邊有電流的時(shí)候，電流會(huì)在線圈包裹的磁環(huán)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，而副邊的激勵(lì)源依然按照先前的頻率工作，在磁環(huán)中磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和之前，為了抵消掉原邊已經(jīng)在磁環(huán)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，使得磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，副邊的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏置。 在磁感應(yīng)強(qiáng)度變化但還沒(méi)有飽和的過(guò)程中，磁場(chǎng)強(qiáng)度H=0，而這個(gè)H=Hp+Hn。根據(jù)上述的公式就可以得到Ip=-N*Is。而Is是副邊電流可以通過(guò)電路測(cè)量出來(lái)，這樣我們就能得到原邊的電流。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的感生電流

磁通門電流傳感器之前我也一直不太懂，后來(lái)也是根據(jù)一些資料大概理解了他的工作原理，可能通過(guò)文字描寫(xiě)是比較晦澀難理解，我自己在寫(xiě)的過(guò)程中也屢屢卡殼。

●

總結(jié)

以上就是目前應(yīng)用比較多的三種電流測(cè)量方案用到的器件，就目前來(lái)看，磁通門和SHUNT電阻的方案依然在蓬勃的發(fā)展，但是依然不甚完美，磁通門的算法復(fù)雜，并且內(nèi)部電路相對(duì)來(lái)說(shuō)也更容易受到外部磁場(chǎng)的干擾，而SHUNT的發(fā)熱和成本也是讓硬件工程師比較頭痛的一個(gè)問(wèn)題，不過(guò)BMS一直是處于循環(huán)上升的一個(gè)階段，后續(xù)更優(yōu)化的方案可能也會(huì)陸陸續(xù)續(xù)出來(lái)。

審核編輯 ：李倩