Распространение гибридных электромобилей (HEV) и просто электромобилей (EV) создало новую тенденцию в автомобильной электронике. Они больше не работают от традиционной 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи, которая в основном нужна для создания искры, достаточной для запуска двигателя, а вместо этого используют литий-ионную батарею. Подобно батареям, используемым в смартфонах, но в гораздо большем масштабе.

Новые схемы управления батареями (BMS) требуют очень точных измерений тока, чтобы справиться с различными режимами работы. Движение автомобиля и зарядка аккумулятора являются примерами одной крайности диапазона рабочего тока, а связь без транспортного средства является примером режима работы с низким током.

Для решения этой сложной задачи требуется очень точное решение для измерения тока в широком диапазоне. Тут показано как определить значение шунтирующего резистора, чтобы справиться с высоким рабочим током, необходимым в электромобилях или при зарядке аккумулятора. Также рассмотрено, как различные альтернативы влияют на точность измерения минимального тока.

Измерение тока в схеме управления авто АКБ

На схеме ниже показаны возможности размещения элемента измерения тока – вверху или внизу ячейки в BMS в зависимости от того, где расположен шунтирующий резистор по отношению к выходу и массе батареи. Для электромобилей наиболее популярной реализацией является измерение на стороне низкого напряжения, из-за высокого напряжения на стороне напряжения аккумулятора. Для схем на 48 и 12 В, BMS работает в любом месте измерительного резистора. Основное преимущество измерения в верхней части ячейки над нижней стороной заключается в том, что ячейка батареи напрямую подключена к заземлению.

Это упрощенное расположение точек для измерения тока в BMS электроавто. Точки расположены на «верхней» стороне ячеек, в области положительного питания, или на «нижней» стороне, возле отрицательного полюса.

Сильноточные режимы работы, такие как включение тяговых двигателей во время движения транспорта или зарядка аккумулятора, могут превышать 1000 А. Поэтому двунаправленное измерение тока требуется для возможности измерения во время зарядки аккумулятора и движения.

Широкий динамический диапазон создает трудности при определении номинала шунтирующего резистора. Максимальный ток, обычно превышающий 1000 А, в сочетании с полным диапазоном входного сигнала измерительной схемы, определяет максимально возможное значение шунта. На другом конце диапазона тока, ниже 1 А, есть потенциально две проблемы, которые необходимо преодолеть: ошибка, вызванная смещением усилителя (VOFFSET), и ошибка, вызванная током смещения усилителя (IBIAS).

Проще всего считать вторую ошибку отношением IBIAS к измеренному току. IBIAS значительно ниже 100 мкА для большинства встроенных усилителей. Таким образом, пока диапазон тока составляет не менее 100 мА, вклад ошибки тока смещения должен быть незначительным.

Расчет значения шунтирующего резистора

Для BMS потребуется устройство способное измерять двунаправленный ток. Предположим, что симметричный максимальный двунаправленный ток составляет ± 1000 А при определении соответствующих значений шунта. Для измерения двунаправленного тока с помощью аналогового выходного усилителя тока используем опорное напряжение (VREF) для установки выходного уровня, когда дифференциальный вход равен нулю. Для симметричной работы оно обычно устанавливается равным половине напряжения питания. Теперь, когда знаем напряжение питания, можно определить полное входное напряжение для аналогового усилителя измерения тока, используя уравнение:

где VS – напряжение питания, Vswing – падение выходного напряжения.

Использование максимального усиления и учет погрешности усиления и температурного дрейфа для усилителя позволит определить минимальное ожидаемое входное напряжение для полной шкалы тока. Разделив диапазон полной шкалы однонаправленного входа на максимальный однонаправленный ток (1000 А), получим максимальное значение шунтирующего резистора.

В качестве альтернативы аналоговому усилителю можно рассмотреть цифровой интегральный монитор мощности INA229-Q1. Цифровые мониторы мощности представляют собой специализированные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), предназначенные для измерения тока. Для цифровых мониторов мощности полномасштабный входной диапазон АЦП масштабируется по сравнению с типичным АЦП, чтобы приспособиться к небольшому падению напряжения сигнала на шунтирующем резисторе. Монитор мощности INA229-Q1 имеет полный входной диапазон ± 163,84 мВ, что делает расчет максимального значения шунтирующего резистора довольно простым, поскольку нужно лишь разделить вход полной шкалы на однонаправленный максимальный ток.

Чтобы обеспечить полностью линейную работу при максимальном токе, фактическое значение выбранного шунтирующего резистора должно быть ниже расчетного, чтобы учесть отклонения в допуске шунтирующего резистора. То же самое касается колебаний напряжения питания и опорного напряжения для INA190. Поэтому в остальных расчетах для INA190A1 использовался резистор номиналом 90 мкОм, для INA190A5 — 4,5 мкОм, для INA229-Q1 — 100 мкОм и 50 мкОм.

Расчет влияния смещения на погрешность

Используя выбранные значения шунтирующих резисторов можно определить наименьший ток и точно его измерить. Из расчетов следует, что в погрешности преобладает ошибка смещения по мере уменьшения тока нагрузки. Чтобы упростить расчеты будем использовать только ошибку смещения усилителя и ошибку усиления, чтобы найти общую ошибку как корень из квадратов, что показано в уравнении:

Где eoffset = VOFFSET / (I INPUT × R SHUNT)

Суммарная ошибка будет увеличиваться экспоненциально по мере того, как ток приближается к 0 А. Вот таблица расчета погрешностей при выбранных входных токах с выбранными номиналами шунтирующих резисторов для INA190A1, INA190A5 и INA229-Q1.

Низкое значение VOFFSET позволяет проводить измерения в течение пяти декад. Расчеты погрешности в таблице показывают, что вариант 500 В/В обеспечивает узкий динамический диапазон, поскольку значение шунтирующего резистора слишком мало для измерения малых токов даже при очень малом смещении усилителя. Опция усиления 25 В/В может обеспечить четыре декады измерений, если допускается погрешность до 25 %. Смещение INA229-Q1 составляет всего 1 мкВ и протекает с крутизной 10 нВ/°C — это обеспечивает пять декад динамического диапазона измерения при одном из двух выбранных значений шунтирующего резистора.

Здесь необходимо сделать выбор, который представляет собой компромисс между максимальным рассеиванием мощности на резисторе и низкими требованиями к точности тока схемы, чтобы определить, реалистичен ли какой-либо резистор.

Поскольку INA229-Q1 является специализированным АЦП, важно понять, может ли он измерять низкий уровень сигнала. INA229-Q1 представляет собой 20-разрядный дельта-сигма АЦП с одним битом в качестве знакового. Деление напряжения полной шкалы на оставшиеся 19 бит дает напряжение 312,5 нВ на младший значащий бит (LSB), что соответствует току 2,9 мкА на шунтирующем резисторе 100 мкОм или 5,8 мкА на шунтирующем резисторе 50 мкОм. Оба уровня значительно ниже уровня ошибки смещения, что означает, что разрешение АЦП не является ограничением измерения.

Эти расчеты будут работать аналогичным образом, чтобы обеспечить пять декад измерений независимо от того, составляет ли максимальный ток 1000 А для BMS авто или 1 А для промышленных устройств, таких как испытательные и измерительные системы или сетевые модули. Величина шунтирующего резистора уменьшится в те же 1000 раз, что увеличит минимальный ток в тысячу раз для достижения того же уровня ошибки. Когда диапазон тока выходит за пределы диапазона миллиампер, необходимо учитывать потенциальную ошибку из-за тока IBIAS. Сверхмалый ток поляризации INA229-Q1, составляющий 2,5 нА, позволяет проводить точные измерения, в том числе в микроамперном диапазоне.

Комбинация максимального напряжения VOFFSET 1 мкВ, дрейфа смещения 10 нВ/°C, коэффициента ослабления синфазного сигнала 154 дБ и тока смещения 2,5 нА обеспечивает максимальное смещение 2,02 мкВ при 125°C. Эти параметры позволяют измерять ток в масштабе до пяти декад, независимо от того, требуется ли для приложения максимальный измеряемый ток 1 А или 1000 А.