電動(dòng)汽車中的電流測量 - 用于高電流和高電壓的傳感器

本文作者：儒卓力公司汽車事業(yè)部產(chǎn)品銷售經(jīng)理Ralf Hickl

隨著電動(dòng)汽車逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，?duì)能夠雙向測量交流電和直流電的傳感器的需求也在增長。它們要高效、準(zhǔn)確、緊湊，并且使用靈活。一款全新電流傳感器可以滿足所有這些要求。

越來越多的車輛應(yīng)用從電池供電，特別是在具有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的車輛上。同時(shí)，車輛電池和消費(fèi)電子裝置的功能也變得越來越強(qiáng)大，這導(dǎo)致了車輛電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)更高的電壓和電流。為了應(yīng)對(duì)更高的電壓，業(yè)界提出了其他標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)定，例如與電氣系統(tǒng)的其他電壓層電隔離，以及更高成本的保護(hù)接觸。大電流導(dǎo)致電纜和任何存在歐姆電阻之組件的功率損耗更大。因此，電流測量需要使用能夠耗散高功率損耗的超低歐姆分流電阻。然而，它們相對(duì)較大，這意味著較多的材料、重量和成本。

為了保護(hù)電池和車輛電氣系統(tǒng)的電氣線路不受過載影響，必須測量電流，因?yàn)槿绻€束著火，可能很快就讓車輛變成廢品。這種保護(hù)功能過去是由保險(xiǎn)絲來完成的。未來，在發(fā)生過流或短路的情況下，關(guān)閉電源將是半導(dǎo)體開關(guān)的工作，前提是準(zhǔn)確的電流測量；此外，若要通過牽引變頻器來控制驅(qū)動(dòng)運(yùn)作，精準(zhǔn)電流測量也是必需的。

用于電隔離的磁場傳感器

由于車輛中存在12V、48V和高壓等不同的電壓等級(jí)，對(duì)于這些電壓等級(jí)之間電隔離需求越來越多。特別是在大電流情況下，傳感器測量電流產(chǎn)生的磁場，并將其作為模擬信號(hào)傳輸，這樣具有很大的優(yōu)勢(shì)：與使用分流器的基于電阻的電流測量方法相比，磁場傳感器在提供電隔離的同時(shí)，還能顯著降低功率損耗。這些特性對(duì)于高壓和大電流應(yīng)用尤為重要，因?yàn)殡姼綦x確保了對(duì)接觸的保護(hù)，而低功耗則保證了低自熱。

為了應(yīng)對(duì)這些難題，英飛凌針對(duì)TLI4971電流傳感器進(jìn)行了專門用于汽車應(yīng)用的進(jìn)一步開發(fā)。在新型TLE4972中，測量電流并不像TLI4971那樣流經(jīng)具有內(nèi)部電流路徑的IC封裝；相反，傳感器放置在PCB上或靠近帶電線路的電源軌上，而且沒有接觸。

圖1：TLE4972電流傳感器的目標(biāo)應(yīng)用

TLE4972是無芯的...

功能更強(qiáng)大的電池系統(tǒng)允許在正常運(yùn)行和發(fā)生短路時(shí)出現(xiàn)更高的峰值電流。如果電流傳感器具有帶有磁芯材料的磁通量集中器，則必須有相應(yīng)的較大尺寸，否則，短路電流可能使其永久磁化，從而扭曲了系統(tǒng)的傳輸特性（圖2）。由于TLE4972是無芯的，即使在短路導(dǎo)致過流的情況下，也不會(huì)發(fā)生磁芯飽和以及隨后的剩磁效應(yīng)。這支持實(shí)現(xiàn)高線性度，并避免了傳輸特性中的滯后現(xiàn)象。

圖2：帶有磁通量集中器的磁場傳感器必須具有較大的尺寸，以避免因短路而導(dǎo)致的永久磁化和系統(tǒng)傳輸特性的失真。(圖片來源：英飛凌)

...快速...

需要進(jìn)行快速的過流和短路檢測，特別是主電池開關(guān)。由于TLE4972有兩個(gè)獨(dú)立的開漏輸出，具有可配置的觸發(fā)閾值和可編程的噪聲脈沖濾波器，因此可以滿足要求。它們向微控制器或柵極驅(qū)動(dòng)器等發(fā)出過流信號(hào)，過電流檢測（OCD）開漏輸出引腳的典型響應(yīng)時(shí)間小于1μs。TLE4972具有從0Hz到至少120kHz的較寬頻率范圍，有助于實(shí)現(xiàn)快速過流檢測，而沒有軟件引起的延遲。

差分模擬輸出也提供了高帶寬，因此可用于電動(dòng)汽車中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩控制。

...精準(zhǔn)...

由于采用差分測量方法，因此，由于相鄰導(dǎo)體的電流流動(dòng)等引起的多余的雜散場，不會(huì)對(duì)測量信號(hào)造成任何影響。芯片上的附加傳感器還可以補(bǔ)償溫度和機(jī)械應(yīng)力的影響。因此，在組件的整個(gè)使用壽命期間，準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性得到了提高。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表顯示，在使用壽命內(nèi)的溫度測量誤差小于2%。

用戶可通過軟件配置和整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)來擴(kuò)展TLE4972的測量范圍。

整體系統(tǒng)，即傳感器加上PCB或電源軌上的電流導(dǎo)體，可以在組裝后進(jìn)行校準(zhǔn)，從而補(bǔ)償生產(chǎn)公差。通過Aout引腳在電源開啟的情況下進(jìn)行通信。

...安全...

英飛凌根據(jù)ISO 26262汽車工業(yè)功能安全國際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)TLE4972傳感器。由于具有高度的自我診斷能力，該傳感器符合ASIL B標(biāo)準(zhǔn)安全組件功能安全要求（SEooC）。

因此，特別推薦TLE4972用于需要滿足高度功能安全的應(yīng)用。開發(fā)人員可以向英飛凌索取相關(guān)文檔資料。這些數(shù)據(jù)可用于輕松計(jì)算并快速證明整體系統(tǒng)的可靠性。

...以及靈活性

TLE4972以模擬形式輸出測量值。輸出可以配置為全差分、半差分或單端。對(duì)于單端輸出模式，傳感器從外部來源導(dǎo)入?yún)⒖茧妷海邕B接的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）。在半差分模式下，它將內(nèi)部Vref輸出到一個(gè)引腳，與連接的ADC共享。這樣可以抵消共模噪聲，只要它在整個(gè)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)是恒定的。

在全差分模式下，TLE4972提供兩個(gè)相位相反的輸出信號(hào)。這種工作模式與具有差分輸入的ADC結(jié)合在一起，可確保最好地抑制模擬傳輸路徑上的共模噪聲信號(hào)。在這方面，TLE4972是英飛凌可編程系統(tǒng)級(jí)芯片（PSoC）系列4、5和6的理想選擇，因?yàn)樗鼈兙哂袔Р罘州斎氲?2位ADC，并與傳感器共享3.3V左右電源電壓范圍。

兩種封裝形式

TLE4972有兩種封裝形式：在TDSO-16封裝中，適用于測量在普通多層板上流經(jīng)軌道的高達(dá)約400 A電流。對(duì)于最高大約800 A的更高電流，英飛凌建議將之安裝在特殊形狀的銅軌上（圖3和4）。

圖3：安裝在銅軌上方或下方，TLE4972適用于測量最高大約800A電流。(圖片來源：英飛凌)

圖4：TLE4972兩個(gè)封裝型款提供多種安裝選項(xiàng)，適用于測量200 A至800 A電流。

對(duì)于400 A和2 kA之間電流測量，TSON-6封裝TLE4972是理想的選擇，它的尺寸為4.5 mm × 3.5 mm，可以垂直安裝在電源導(dǎo)軌切口處。

原廠提供支持

英飛凌通過全新仿真工具支持使用TLE4972的開發(fā)項(xiàng)目，這款工具可通過英飛凌合作平臺(tái)（Infineon’s Collaboration Platform）在線使用（需要激活）。此外，英飛凌還為各種測量范圍提供了四塊評(píng)測板。TLE4972 EVAL STD PCB（最高約200 A電流）、TLE4972 EVAL INLAY（最高約400 A電流）、TLE4972 EVAL LAT BAR（最高約580 A電流）和TLE4972 EVAL VER（最高約830 A電流）。

結(jié)論

TLE4972是用于高雙向電流應(yīng)用的無電位測量組件，它還能自主地發(fā)出過流信號(hào)，并符合ASIL B標(biāo)準(zhǔn)SEooC要求。這款傳感器特別適用于電機(jī)控制。此外，它可以結(jié)合PSoC的模擬和數(shù)字功能，精妙地實(shí)現(xiàn)高壓熔斷器電子部件。

儒卓力汽車事業(yè)部（Automotive Business Unit）專業(yè)團(tuán)隊(duì)設(shè)想這款組件在眾多目標(biāo)應(yīng)用中得到應(yīng)用，包括測量牽引BLDC驅(qū)動(dòng)、輔助驅(qū)動(dòng)、電子渦輪(e-turbo)、集成啟動(dòng)器/發(fā)生器、皮帶啟動(dòng)器/發(fā)生器，以及高壓路徑中的電子保險(xiǎn)絲、電池管理系統(tǒng)（BMS）和電池或負(fù)載斷路開關(guān)的電機(jī)相位電流。

審核編輯 黃宇