狹窄高壓環(huán)境中的電流和電壓測(cè)量

電動(dòng)汽車(chē)中，高壓零部件的性能測(cè)試和驗(yàn)證，必須依靠高頻、高精度的實(shí)時(shí)電流和電壓來(lái)進(jìn)行。然而，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，集成式電驅(qū)、逆變器或高壓電池包中的可用測(cè)量系統(tǒng)安裝空間非常有限，高壓測(cè)量設(shè)備的安裝較為困難。本文展示了CSM的創(chuàng)新測(cè)量方案如何在狹窄環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)高壓母線(xiàn)中的電流電壓測(cè)量。

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背 景

在高壓電池包前期開(kāi)發(fā)中，針對(duì)電池包的整體性能設(shè)計(jì)和電池管理系統(tǒng)（BMS）的開(kāi)發(fā)，需要對(duì)連接各個(gè)電池模組的高壓母線(xiàn)進(jìn)行電流波動(dòng)實(shí)時(shí)仿真分析，而這些仿真結(jié)果需要用真實(shí)電池包內(nèi)電壓電流進(jìn)行驗(yàn)證。同樣的情形，在電驅(qū)系統(tǒng)中，測(cè)量連接逆變器和電機(jī)的高壓母線(xiàn)電流和電壓，對(duì)于電驅(qū)性能分析驗(yàn)證也同樣至關(guān)重要。

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挑 戰(zhàn)

對(duì)于電驅(qū)系統(tǒng)高壓母線(xiàn)中的電流測(cè)量和分析，電流傳感器需要同時(shí)安裝在逆變器直流側(cè)和交流側(cè)，因此該電流傳感器能夠覆蓋較大的測(cè)量范圍，并且能夠抗干擾，體積足夠小，以便能夠在不破壞原有高壓部件的基礎(chǔ)上靈活安裝。一般來(lái)說(shuō)，電流的測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理有不同的傳感器選型，比較常見(jiàn)的有磁通門(mén)電流互感器、霍爾電流互感器、羅氏線(xiàn)圈和測(cè)量分流器。本文考慮到狹窄的安裝空間和較為復(fù)雜的環(huán)境干擾，電流分流器是最為理想的選擇。此外，電流的測(cè)量還應(yīng)在高采樣率（高達(dá)1 MHz）下進(jìn)行，以便能捕捉到快速變化的電流峰值并能夠進(jìn)行精確分析。

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CSM 測(cè)量解決方案

當(dāng)分流器和復(fù)雜的電子設(shè)備結(jié)合時(shí)，形成的電流傳感器不僅精度高而且封裝體積小。這些小巧的電流傳感器不僅能夠測(cè)量恒定的電流，也能夠測(cè)量高頻的峰值電流，因此被廣泛應(yīng)用在逆變器和電機(jī)之間的測(cè)量場(chǎng)景。這種基于分流器測(cè)量原理的電流模塊一直以來(lái)都是集成在CSM的HV BM模塊中。然而對(duì)于測(cè)點(diǎn)布置空間狹小的測(cè)量場(chǎng)景，HV BM高壓模塊則被分解成了HV BM分體式模塊，用于在非常狹窄的安裝空間內(nèi)測(cè)量電流、電壓和功率。

如上圖，母線(xiàn)電流通過(guò)分流器HV SBM_I open（SMB-HV BM分體式測(cè)量模塊）直接測(cè)量。分流電阻、溫度傳感器、傳感器電子元件和傳感器線(xiàn)束封裝在該模塊中，符合EN61010-1安全要求。兩個(gè)帶孔的銅接線(xiàn)片可以很容易地連接到高壓母線(xiàn)上。由于采用分流電阻的測(cè)量原理，同基于磁感應(yīng)或霍爾效應(yīng)的測(cè)量方案相比，外部磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量的影響很小。CSM采用分流技術(shù)對(duì)電流的測(cè)量，幾乎不存在偽信號(hào)、滯后效應(yīng)、系統(tǒng)感應(yīng)噪聲、特性偏移或偏移誤差。

HV SBM_I open可以測(cè)量高達(dá)±2,000 A的電流，因此也適用于采集非常陡峭的峰值電流。

電流測(cè)量值和用于在線(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆至髌鳒囟葴y(cè)量值通過(guò)高壓安全絕緣線(xiàn)束進(jìn)行傳輸。此外，傳感器供電以及端電壓（HV-）的測(cè)量值也都是通過(guò)該條線(xiàn)束進(jìn)行傳輸，并且可以隨時(shí)讀取每個(gè)分流模塊的類(lèi)型和標(biāo)定數(shù)據(jù)。

圖2：CSM高壓電流測(cè)量模塊HV SBM_I open串聯(lián)在兩個(gè)電池模組的母線(xiàn)之間

分流模塊的傳感器線(xiàn)束連接到測(cè)量模塊HV SAM（SAM - HV BM分體式采集模塊）。HV SAM可以安裝在高壓測(cè)量區(qū)域之外的合適位置，那里有更多可用的安裝空間。該采集模塊通過(guò)電流隔離、濾波、AD轉(zhuǎn)換、在線(xiàn)計(jì)算和協(xié)議轉(zhuǎn)換將信號(hào)通過(guò)CAN總線(xiàn)或EtherCAT進(jìn)行傳輸。

端電壓（HV+）的傳感器線(xiàn)束也可以插入HV SAM，這樣同HV SBM_I open側(cè)采集的端電壓（HV-）一起，便可測(cè)量測(cè)試區(qū)域的電壓，如下圖。

HV SAM采集模塊通過(guò)EtherCAT以高達(dá)1MHz的傳輸速率輸出電流和電壓的測(cè)量值，以便使用E-Mobility測(cè)量系統(tǒng)的軟件進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)時(shí)在線(xiàn)處理。同時(shí)，電流和電壓值可以通過(guò)CAN總線(xiàn)非常方便地傳輸。通過(guò)HV SAM計(jì)算得到的電流和電壓有效值以及有功功率、視在功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)也可通過(guò)CAN總線(xiàn)提供給用戶(hù)。

圖3：安裝在母線(xiàn)上的分流模塊和端電壓測(cè)點(diǎn)線(xiàn)束通過(guò)高壓安全傳感器線(xiàn)纜連接到高壓電池外部的HV SAM測(cè)量模塊。

圖3：分流模塊和端電壓測(cè)點(diǎn)線(xiàn)束通過(guò)高壓安全線(xiàn)纜連接到電池包外部的HV SAM 測(cè)量模塊

XCP-Gateway將EtherCAT協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為XCP-on-Ethernet協(xié)議數(shù)據(jù)，并將其實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。XCP-Gateway可用于輕松集成和同步其它測(cè)量模塊，以獲取其它測(cè)量結(jié)果，例如母線(xiàn)中的溫度或電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中冷卻劑的壓力和流量等，如下圖。

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優(yōu) 勢(shì)

HV SBM_I open（HV BM分體式測(cè)量模塊）與HV SAM（HV BM分體式采集模塊）相結(jié)合，可以直接、快速、高精度地測(cè)量高壓電池包和電驅(qū)系統(tǒng)之間的高壓母線(xiàn)電流和電壓。

高精度分流電阻與特殊的電子元件相結(jié)合的電流測(cè)量方案，減少了外部磁場(chǎng)的影響（偽信號(hào)、滯后效應(yīng)、系統(tǒng)相關(guān)噪聲、特性曲線(xiàn)偏移或偏移誤差），為后續(xù)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和故障排查提供非常精確的測(cè)量結(jié)果。

HV BM 分體式模塊是E-Mobility測(cè)量系統(tǒng)的一部分，具有分布式和易擴(kuò)展的屬性，能夠在狹小的車(chē)載安裝空間內(nèi)進(jìn)行高壓電流和電壓測(cè)量，以便使用CANape或vMeasure進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析。

此外，HV BM分體式模塊也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高集成度的高壓用電器進(jìn)行測(cè)量，例如壓縮機(jī)、熱泵、逆變器或電子制動(dòng)器等。根據(jù)測(cè)量場(chǎng)景和可用安裝空間大小，可選擇使用不同類(lèi)型的HV BM分體式模塊。