電動汽車中的電流測量 － 用于高電流和高電壓的傳感器
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隨著電動汽車逐漸成為人們日常生活的一部分，對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。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202304/445272.htm隨著電動汽車逐漸成為人們日常生活的一部分，對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。
越來越多的車輛應用從電池供電，特別是在具有電動驅動的車輛上。同時，車輛電池和消費電子裝置的功能也變得越來越強大，這導致了車輛電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)更高的電壓和電流。為了應對更高的電壓，業(yè)界提出了其他標準和安全規(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接觸。大電流導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，它們相對較大，這意味著較多的材料、重量和成本。
為了保護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，因為如果線束著火，可能很快就讓車輛變成廢品。這種保護功能過去是由保險絲來完成的。未來，在發(fā)生過流或短路的情況下，關閉電源將是半導體開關的工作，前提是準確的電流測量；此外，若要通過牽引變頻器來控制驅動運作，精準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，對于這些電壓等級之間電隔離需求越來越多。特別是在大電流情況下，傳感器測量電流產生的磁場，并將其作為模擬信號傳輸，這樣具有很大的優(yōu)勢：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，還能顯著降低功率損耗。這些特性對于高壓和大電流應用尤為重要，因為電隔離確保了對接觸的保護，而低功耗則保證了低自熱。
為了應對這些難題，英飛凌針對TLI4971電流傳感器進行了專門用于汽車應用的進一步開發(fā)。在新型TLE4972中，測量電流并不像TLI4971那樣流經具有內部電流路徑的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電流傳感器的目標應用
TLE4972是無芯的...
功能更強大的電池系統(tǒng)允許在正常運行和發(fā)生短路時出現(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，即使在短路導致過流的情況下，也不會發(fā)生磁芯飽和以及隨后的剩磁效應。這支持實現(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...
需要進行快速的過流和短路檢測，特別是主電池開關。由于TLE4972有兩個獨立的開漏輸出，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動器等發(fā)出過流信號，過電流檢測（OCD）開漏輸出引腳的典型響應時間小于1μs。TLE4972具有從0Hz到至少120kHz的較寬頻率范圍，有助于實現(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，因此可用于電動汽車中驅動電機的扭矩控制。
...精準...
由于采用差分測量方法，因此，由于相鄰導體的電流流動等引起的多余的雜散場，不會對測量信號造成任何影響。芯片上的附加傳感器還可以補償溫度和機械應力的影響。因此，在組件的整個使用壽命期間，準確性和穩(wěn)定性得到了提高。產品數據表顯示，在使用壽命內的溫度測量誤差小于2%。
用戶可通過軟件配置和整個系統(tǒng)的機械設計來擴展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體，可以在組裝后進行校準，從而補償生產公差。通過Aout引腳在電源開啟的情況下進行通信。
...安全...
英飛凌根據ISO 26262汽車工業(yè)功能安全國際標準開發(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標準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用。開發(fā)人員可以向英飛凌索取相關文檔資料。這些數據可用于輕松計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。對于單端輸出模式，傳感器從外部來源導入參考電壓，例如連接的模擬/數字轉換器（ADC）。在半差分模式下，它將內部Vref輸出到一個引腳，與連接的ADC共享。這樣可以抵消共模噪聲，只要它在整個ADC轉換時間內是恒定的。
在全差分模式下，TLE4972提供兩個相位相反的輸出信號。這種工作模式與具有差分輸入的ADC結合在一起，可確保最好地抑制模擬傳輸路徑上的共模噪聲信號。在這方面，TLE4972是英飛凌可編程系統(tǒng)級芯片（PSoC）系列4、5和6的理想選擇，因為它們具有帶差分輸入的12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軌道的高達約400 A電流。對于最高大約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：TLE4972兩個封裝型款提供多種安裝選項，適用于測量200 A至800 A電流。
對于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)項目，這款工具可通過英飛凌合作平臺（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）。
結論
TLE4972是用于高雙向電流應用的無電位測量組件，它還能自主地發(fā)出過流信號，并符合ASIL B標準SEooC要求。這款傳感器特別適用于電機控制。此外，它可以結合PSoC的模擬和數字功能，精妙地實現(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)團隊設想這款組件在眾多目標應用中得到應用，包括測量牽引BLDC驅動、輔助驅動、電子渦輪(e-turbo)、集成啟動器/發(fā)生器、皮帶啟動器/發(fā)生器，以及高壓路徑中的電子保險絲、電池管理系統(tǒng)（BMS）和電池或負載斷路開關的電機相位電流。
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