混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車（EV）之所以備受歡迎，是因為它們具有低（零）排放和低維護要求，同時提供了更高的效率和驅動性能。新的HEV/EV公司方興未艾
，而且現有的汽車製造商正大舉投資HEV/EV市場，以爭奪市場份額。

 

HEV/EV動力總成的核心在於係統。該係統從電網獲取電力
，將其存儲在電池中（靜止時），並從電池獲取能量以轉動電機並移動車輛。該係統主要包括四個子係統：車載充電器（OBC）、電池管理係統（BMS）、DC-DC轉換器（DC/DC）以及逆變器和電機控製（IMC）
，如圖1所示。在HEV/EV的BMS中經常忽略放大器的靈活性和成本效益。因此，本文將重點介紹BMS以及設計人員如何在係統中使用放大器。

 

圖1：典型的帶有OBC
、BMS、DC/DC、逆變器和電機控製的HEV/EV係統圖

 

BMS的作用是什麼？

 

BMS維護和監控電池，包括有效和安全地充電和放電。BMS相對地平衡每個單體電池的電壓和電荷，監控電池的健康狀況，使電池保持安全的工作溫度，並確保更長的電池壽命。BMS應該防止諸如電池反複過度放電，因為這將縮短電池壽命，或應防止過度充電，因為這可能會損壞電池並引起火災或爆炸。HEV/EV中的電池是許多串聯和並聯的鋰離子電池組合，可以滿足所需的電壓和能量。待完全充電後，單個鋰離子電池的電壓為4.2V

，放電時接近2.8V。HEV/EV中充滿電的電池電壓範圍為200V至800V。圖2是典型的BMS框圖。

 

圖2：BMS係統框圖

 

讓我們回顧一下BMS的主要功能。

 

電池電流感應

 

監控輸入電池組的電流和輸出電池組的電流至關重要。在主鋰離子電池中，該電流的大小往往高達數百安培。霍爾傳感器
、感應傳感器或分流電阻器上的隔離放大器通常用於電池冷側（低電壓）到熱側（高電壓）電dian流liu感gan測ce。這zhe些xie隔ge離li電dian流liu感gan測ce解jie決jue方fang案an可ke以yi具ju有you模mo擬ni差cha分fen輸shu出chu信xin號hao。隔ge離li電dian流liu感gan測ce旨zhi在zai保bao持chi熱re側ce和he冷leng側ce分fen離li，並bing將jiang關guan於yu感gan測ce到dao的de電dian流liu的de模mo擬ni信xin息xi提ti供gong給gei主zhu微wei控kong製zhi器qi中zhong的de由you低di壓ya電dian源yuan供gong電dian的de模mo數shu轉zhuan換huan器qi（ADC）。這種電流感測通常不需要非常準確。運算放大器將差分信號轉換為單端信號（以接地為參考），增加動態範圍


，並驅動ADC。在BMS中，通常使用電流分流監控器進行精確的熱側電流感測。

 

圖3所示為不同電壓域的帶隔離放大器和運算放大器電路（用於帶直流傳遞功能的電流感測）。分流電阻上產生的電壓VSHUNT由一個隔離放大器放大，作為其隔離輸出的差分輸出信號VDIFF。運算放大器將差分信號VDIFF轉換為單端信號OUT，並通過向信號施加2 V/V的增益來提高動態範圍。隔離放大器偏移決定了初始電流感測精度。差分放大器的共模抑製比主要由電阻容差決定。

 

圖3：用於隔離電流感測的帶運算放大器的隔離放大器

 

DC-DC轉換器從HEV/EV中的主高壓電池生成單獨的48V電池子係統。這款48V電池子係統為空調、加熱、製動係統和動力轉向提供動力，並提供比使用鉛酸電池的傳統12 V電源軌更高的效率。48V子係統不含主電池那麼高的電流負載
，但仍然需要電流感測，這就是為何它有自己的本地BMS。在48V BMS中
，非隔離精密電流分流監控器用於主電流感測，雙向運算放大器電流感測電路用作冗餘過流保護。

圖4所示為進行雙向電流感測的運算放大器電路。

 

圖4：低側雙向電流感應運算放大器電路

 

電池電壓感測

 

需xu要yao像xiang電dian流liu一yi樣yang監jian控kong電dian池chi的de電dian壓ya。在zai隔ge離li電dian壓ya檢jian測ce中zhong，電dian阻zu分fen壓ya器qi將jiang高gao電dian壓ya從cong電dian池chi分fen壓ya到dao放fang大da器qi的de共gong模mo輸shu入ru範fan圍wei。隔ge離li放fang大da器qi感gan測ce到dao分fen壓ya電dian壓ya，差cha分fen放fang大da器qi配pei置zhi中zhong使shi用yong的de運yun算suan放fang大da器qi將jiang隔ge離li放fang大da器qi中zhong的de差cha分fen輸shu出chu信xin號hao轉zhuan換huan為wei單dan端duan輸shu出chu。若ruo不bu需xu要yao隔ge離li，則ze差cha分fen放fang大da器qi配pei置zhi中zhong的de運yun算suan放fang大da器qi可ke以yi執zhi行xing直zhi接jie電dian壓ya感gan測ce。

 

圖5所示為采用隔離放大器和運算放大器的隔離電壓感測。隔離放大器隔離熱側和冷側，並輸出增益為1的差分信號。運算放大器將差分信號轉換為單端輸出，並使ADC增益滿足全動態範圍。該電壓被饋送到冷側MCU中的ADC。

 

專為BMS設(she)計(ji)的(de)集(ji)成(cheng)功(gong)率(lv)芯(xin)片(pian)可(ke)跟(gen)蹤(zong)每(mei)個(ge)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)並(bing)平(ping)衡(heng)電(dian)荷(he)。以(yi)菊(ju)花(hua)鏈(lian)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)這(zhe)些(xie)功(gong)率(lv)芯(xin)片(pian)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)測(ce)量(liang)所(suo)有(you)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)
，平(ping)衡(heng)這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)，並(bing)將(jiang)此(ci)信(xin)息(xi)傳(chuan)遞(di)給(gei)MCU。

 

圖5：通過隔離放大器和運算放大器感測隔離電壓

 

隔離漏流電流測量

 

正如我之前提到的那樣，高壓200至800V側與車輛底盤接地和其他低壓域（12 V和48 V）保bao持chi隔ge離li。通tong過guo測ce試shi隔ge離li中zhong斷duan測ce量liang電dian池chi電dian壓ya和he漏lou泄xie電dian流liu還hai將jiang導dao致zhi測ce量liang高gao壓ya軌gui與yu底di盤pan接jie地di的de低di壓ya之zhi間jian的de電dian阻zu或huo泄xie漏lou。汽qi車che高gao壓ya和he隔ge離li泄xie漏lou測ce量liang參can考kao設she計ji解jie釋shi了le測ce試shi隔ge離li中zhong斷duan。它ta需xu要yao使shi用yong已yi知zhi的de電dian阻zu路lu徑jing暫zan時shi短duan接jie隔ge離li柵zha，如ru圖tu6所示。

 

圖6：帶運算放大器的隔離漏流電流測量電路

 

有必要從高壓電池的正極或負極側了解故障漏電流的路徑。每當發生隔離中斷時，繼電器S1位於正極側或繼電器S2位於負極側。將該已知的隔離電阻與測量的電阻進行比較可以確定通過隔離屏障的泄漏。

 

例如，當S1關閉時，如果在負極側無泄漏，則ISO_POS電壓將等於Vref。若在負極側存在漏電流（隔離破壞），則ISO_POS電壓將不等於Vref。由於漏電流流過Rps1
、Rps2和Rs1
、dianchidezhengjicehefujicedaodiyacejiedi，bihuanzengyibutong。juyoudishurupianzhidianliudeyunsuanfangdaqishiyongyuciyingyong，yinweilianjiedaofanxiangshurudezukangkenengfeichanggao（在兆歐範圍內）。

 

溫度監測

 

HEV/EVxuyaogaodianyahegaodianliu，zhekenengdaozhigaogonghaohekuaisuwensheng。jiancedianchijiqizhouweixitongdewendufeichangyoubiyao，yifangzhigonghaoguoda。ruoguzhangdaozhigaogonghao，dianchikongzhidanyuanjiangduankaidianchi
，yifangzhifashenghuozaihebaozhadengzainanxingshijian。

 

一種經濟有效的溫度感測解決方案是使用運算放大器緩衝來自與電阻串聯的負溫度係數（NTC）熱敏電阻的信號。由於BMS和電池占位空間較大，因此整個係統的溫度可能不均勻。這種不均勻的溫度需要在整個BMS中放置多個溫度感測單元。將來自這些單元的信號複用到單個ADC或MCU引腳需要信號調節。還需要緩衝和放大信號，以滿足ADC的全動態範圍。

 

圖7說明了用於緩衝放大器或同相放大器配置的運算放大器。具有合理偏移和失調漂移的低成本高壓運算放大器適用於此應用。

 

圖7：使用NTC熱敏電阻和運算放大器進行溫度感測

 

聯鎖監測

 

聯鎖是一個電壓和電流回路係統，流經HEV/EV係統中的一係列子係統
，如圖8所示。聯鎖從BMS啟動並經過逆變器、DC/DC轉換器
、OBC再返回BMS，以監測任何篡改
、打開高壓係統或打開維護艙口的事件。汽車高壓聯鎖參考設計解釋了聯鎖係統如何斷開高壓線路以防止受傷。

 

聯(lian)鎖(suo)回(hui)路(lu)主(zhu)要(yao)涉(she)及(ji)感(gan)測(ce)不(bu)需(xu)要(yao)高(gao)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)的(de)以(yi)脈(mai)衝(chong)傳(chuan)輸(shu)的(de)電(dian)流(liu)。緊(jin)湊(cou)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)需(xu)求(qiu)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)基(ji)於(yu)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。最(zui)經(jing)濟(ji)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)在(zai)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)配(pei)置(zhi)中(zhong)使(shi)用(yong)帶(dai)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)和(he)分(fen)立(li)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)流(liu)感(gan)測(ce)電(dian)路(lu)。聯(lian)鎖(suo)回(hui)路(lu)不(bu)是(shi)高(gao)電(dian)流(liu)回(hui)路(lu)；因yin此ci
，您nin可ke以yi使shi用yong高gao值zhi分fen流liu電dian阻zu，且qie不bu會hui有you高gao功gong耗hao風feng險xian。安an全quan和he診zhen斷duan功gong能neng需xu要yao冗rong餘yu
，以yi覆fu蓋gai主zhu係xi統tong發fa生sheng故gu障zhang時shi的de情qing況kuang。為wei檢jian測ce所suo有you可ke能neng的de故gu障zhang，可ke能neng存cun在zai更geng多duo需xu要yao二er次ci電dian壓ya和he電dian流liu感gan測ce的de情qing況kuang，以yi及ji低di成cheng本ben解jie決jue方fang案an變bian得de更geng加jia可ke行xing的de情qing況kuang。

 

圖8：BMS中的聯鎖係統

 

結論

 

這些都是使用放大器的BMS中zhong的de標biao準zhun功gong能neng，但dan根gen據ju係xi統tong設she計ji
，您nin使shi用yong運yun算suan放fang大da器qi時shi可ke能neng會hui有you更geng多duo功gong能neng。當dang出chu現xian新xin問wen題ti或huo異yi常chang問wen題ti且qie不bu存cun在zai集ji成cheng解jie決jue方fang案an時shi，基ji於yu運yun算suan放fang大da器qi的de解jie決jue方fang案an變bian得de更geng加jia實shi用yong。EV/HEV中的係統正在發展，且運算放大器提供快速、精確和靈活的解決方案的情況正變得越來越普遍。

 

參考文獻

 

1. 德州儀器BMS應用頁麵。

2. 模擬工程師的電路說明書。

 

 

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