Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak precyzyjnie mierzyć prąd ogniwa w pojazdach elektrycznych

ghost666 07 Dec 2021 10:13 1251 1
Tespol
  • Rozpowszechnienie hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) i pojazdów elektrycznych (EV) stworzyło nową dynamikę w projektach motoryzacyjnych. Pojazdy HEV i EV nie działają już na tradycyjnym 12-woltowym akumulatorze kwasowo-ołowiowym – używanym głównie do generowania iskry wystarczającej do uruchomienia silnika – a zamiast tego wykorzystują litowo-jonowy. Podobny do akumulatorów stosowanych w smartfonach, ale w znacznie większej skali. Nowe systemy zarządzania bateriami (BMS) wymagają bardzo precyzyjnych pomiarów prądu, aby sprostać różnym trybom pracy. Napęd pojazdu i ładowanie akumulatora to przykłady jednego skrajnego krańca zakresu prądu roboczego, podczas gdy komunikacja bez pojazdu jest przykładem trybu pracy z niskim prądem.

    Rozwiązanie tego złożonego wyzwania wymaga bardzo precyzyjnego rozwiązania do pomiaru prądu o szerokim zakresie prądów roboczych. W tym artykule pokazano, jak określić wartość rezystora bocznikowego, aby poradzić sobie z wysokim prądem roboczym wymaganym w pojazdach elektrycznych lub w przypadku ładowania akumulatora. Artykuł pokazuje również, jak różne alternatywy wpływają na dokładność pomiaru prądu minimalnego.

    Pomiar prądu w motoryzacyjnym systemie zarządzania baterią

    Rysunek 1 pokazuje możliwości umieszczenia elementu do pomiaru prądu — na górze lub na dole ogniwa w BMS, w zależności od tego, gdzie znajduje się rezystor bocznikowy w stosunku do wyjścia i masy akumulatora. W przypadku pojazdów elektrycznych najpopularniejszą implementacją jest pomiar po niskiej stronie z uwagi na wysokie napięcie po wysokiej stronie akumulatora. W przypadku systemów 48- i 12-V BMS działa przy dowolnej lokalizacji opornika pomiarowego. Główną korzyścią, jaką oferuje pomiar na górze ogniwa nad dolną stroną, jest bezpośrednie połączenie ogniwa akumulatorów z uziemieniem systemu.

    Jak precyzyjnie mierzyć prąd ogniwa w pojazdach elektrycznych
    Rys.1. Uproszczone lokalizacje punktów — stosowanych w branży motoryzacyjnej — do pomiaru prądu w BMS. Punkty znajdują się na: „górnej” stronie ogniw, w obrębie dodatniego zasilania lub na stronie: „dolnej”, nieopodal bieguna ujemnego.


    Wysokoprądowe tryby pracy — takie jak załączanie silników trakcyjnych, podczas ruchu pojazdu lub ładowania akumulatora — mogą przekraczać 1000 A. Niskoprądowe tryby — takie jak komunikacja bez załączonego pojazdu, czy monitorowanie systemu — mogą wynosić nawet poniżej 1 A. Oprócz szerokiego zakresu dynamiki, BMS wymaga dwukierunkowego pomiaru prądu, aby możliwy był pomiar, podczas ładowania akumulatora i jazdy.

    Szeroki zakres dynamiki stwarza wyzwanie przy ustaleniu wartości rezystora bocznikowego. Maksymalny prąd — zwykle przekraczający 1000 A — w połączeniu z pełnym zakresem wejściowym systemu pomiarowego określi największą możliwą wartość bocznika. Na drugim końcu zakresu prądu, poniżej 1 A, istnieją potencjalnie dwa wyzwania do pokonania: błąd indukowany przez offset wzmacniacza (VOFFSET) oraz błąd indukowany przez prąd polaryzacji wzmacniacza (IBIAS). Ten ostatni prąd pobierają piny wejściowe układu pomiarowego. Najprostszym sposobem rozpatrzenia drugiego błędu jest stosunek IBIAS do mierzonego prądu. W przypadku większości wzmacniaczy pomiarowych IBIAS jest znacznie poniżej 100 µA. Tak, więc, dopóki zakres prądu wynosi, co najmniej 100 mA, udział błędu prądu polaryzacji powinien być pomijalny.

    Obliczanie wartości rezystora bocznikowego

    Jak wspomniano wcześniej, BMS będzie wymagał urządzenia zdolnego do dwukierunkowego pomiaru prądu; przyjmijmy, więc symetryczny dwukierunkowy prąd maksymalny o wartości ±1000 A przy określaniu odpowiednich wartości bocznika. Aby zmierzyć prąd dwukierunkowy za pomocą wzmacniacza z analogowym wyjściem prądowym, należy użyć napięcia odniesienia (VREF) do ustawienia poziomu wyjściowego, gdy wejście różnicowe ma wartość zero. W przypadku pracy symetrycznej jest to zwykle ustawione na połowę napięcia zasilania. Teraz, gdy znane jest już napięcie zasilania, można określić pełne napięcie wejściowe dla analogowego wzmacniacza z czujnikiem prądu, korzystając z równania 1:

    $$V_{FS} = \frac {V_S - V_{swing} - V_{REF}} {G} \qquad (1)$$

    gdzie VS to napięcie zasilania, Vswing to spadek napięcia na wyjściu poniżej

    Użycie maksymalnego wzmocnienia i uwzględnienie błędu wzmocnienia i dryftu temperaturowego dla wzmacniacza pozwoli nam wyznaczyć: „minimalne” oczekiwane napięcie wejściowe dla pełnej skali prądu. Dzielenie jednokierunkowego zakresu wejściowego pełnej skali przez maksymalny prąd jednokierunkowy (1000 A) daje w wyniku maksymalną wartość rezystora bocznikującego.

    Jako alternatywę dla analogowego wzmacniacza rozważyć można cyfrowy, scalony monitor mocy INA229-Q1. Cyfrowe monitory mocy to wyspecjalizowane przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) dedykowane do pomiaru prądu. W przypadku cyfrowych monitorów mocy zakres wejściowy przetwornika ADC w pełnej skali jest skalowany w stosunku do typowego przetwornika ADC, aby dostosować się do niewielkiego spadku napięcia sygnału na rezystorze bocznikowym. Monitor mocy INA229-Q1 ma pełny zakres wejściowy ±163,84 mV, co sprawia, że ​​obliczenie maksymalnej wartości rezystora bocznikowego jest dość proste, ponieważ po prostu wystarczy podzielić wejście na pełną skalę przez jednokierunkowy prąd maksymalny.

    Tabela 1 podsumowuje kluczowe parametry i obliczenia przy określaniu maksymalnej wartości rezystora bocznikowego zdolnego do pomiaru ±1000 A dla trzech różnych przypadków. Do obliczeń wykorzystano dwa warianty wzmocnienia (25 V/V i 500 V/V) układu INA190-Q1 jako opcje analogowe.

    UkładINA190A1INA190A5INA229-Q1
    Napięcie zasilania5 V5 V5 V
    Spadek napięcia względem zasilania40 mV40 mV40 mV
    VREF2.5 V2.5 V
    Maksymalne napięcie wyjściowe2.46 V2.46 V
    Nominalne wzmocnienie25 V/V500 V/V1 V/V
    Błąd wzmocnienia przy 25°C0.2%0.4%0.1%
    Dryft termiczny 7 ppm/°C7 ppm/°C20 ppm/°C
    Błąd wzmocnienia przy 125°C0.27%0.47%0.3%
    Maksymalne wzmocnienie przy 125°C25.07 V/V502.35 V/V
    Maksymalne napięcie wejściowe98.1 mV4.9 mV163.84 mV
    Maksymalny mierzony prąd1,000 A1,000 A1,000 A
    Maksymalna wartość rezystancji bocznika98.1 µΩ4.9 µΩ163.8 µΩ

    Tab.1. Kluczowe specyfikacje i parametry, które pomagają określić maksymalną wartość rezystora bocznikowego zdolnego do pomiaru ±1000 A dla INA190A1, INA190A5 i INA229-Q1.


    Aby zapewnić w pełni liniową pracę przy maksymalnym prądzie, rzeczywista wybrana wartość rezystora bocznikowego powinna być niższa, niż wynika to z obliczeń, aby można było uwzględnić zmiany tolerancji rezystora bocznikowego. To samo tyczy się wahań napięcia zasilania i napięcia odniesienia dla INA190. Dlatego w pozostałych obliczeniach przyjęto opornik 90 µΩ dla INA190A1, 4,5 µΩ dla INA190A5 oraz rezystancje 100 µΩ, jak i 50 µΩ dla INA229-Q1.

    Obliczanie wpływu offsetu na błąd

    Korzystając z wybranych wartości rezystorów bocznikowych można ustalić najniższy prąd i go precyzyjnie zmierzyć. Artykuły TI Precision Labs dokładnie opisują metody określania błędu, którego można się spodziewać w różnych warunkach pracy. Z wyliczeń tam opisanych wynika, że nieścisłość jest zdominowana przez błąd offsetu, gdy prąd obciążenia maleje. Aby uprościć obliczenia, użyjemy tylko błędu offsetu wzmacniacza i błędu wzmocnienia do wyznaczenia całkowitego błędu jako pierwiastka kwadratów, jak pokazano w równaniu 2:

    $$e = \sqrt {e^2_{offset} + e^2_{gain}} \qquad (2)$$

    gdzie eoffset = VOFFSET / (I INPUT × R SHUNT).

    Całkowity błąd będzie rósł wykładniczo, gdy prąd zbliży się do 0 A (patrz tabela 2).

    UkładINA190A1INA190A5INA229-Q1INA229-Q1
    Wybrany bocznik90 µΩ4.5 µΩ100 µΩ50 µΩ
    Napięcie offsetu INA190 przy 25°C15 µV15 µV1 µV1 µV
    Dryft offsetu INA19080 nV/°C80 nV/°C10 nV/°C10 nV/°C
    Napięcie offsetu INA190 przy 125°C23 µV23 µV2 µV2 µV
    Błąd wzmocnienia INA190 przy 125°C0.27%0.47%0.30%0.30%
    Błąd przy 125°C:
    1,000 A0.27%0.69%0.25%0.25%
    100 A0.37%5.1%0.30%0.30%
    10 A2.6%51.1%0.36%0.50%
    1 AA25.6%511.1%2.02%4.01%
    0.1 A255.6%5111.1%20.00%40.00%

    Tab.2. Obliczenia błędów przy wybranych prądach wejściowych z wybranymi wartościami rezystorów bocznikowych dla INA190A1, INA190A5 i INA229-Q1.


    Niski VOFFSET umożliwia pięć dekad pomiarów

    Obliczenia błędów w tabeli 1 pokazują, że opcja 500 V/V zapewnia niewielki zakres dynamiki, ponieważ wartość rezystora bocznikowego jest zbyt niska, aby zmierzyć niewielkie prądy, nawet przy bardzo niskim offsecie wzmacniacza. Opcja ze wzmocnieniem 25 V/V może zapewnić cztery dekady pomiaru, jeśli w aplikacji dopuszczalny jest błąd do 25%. Offset INA229-Q1 wynosi zaledwie 1 µV i płynie z nachyleniem 10 nV/°C — zapewnia to pięć dekad dynamicznego zakresu pomiaru przy jednej z dwóch wybranych wartości rezystora bocznikowego. Tutaj należy dokonać wyboru będącego kompromisem między maksymalnym rozpraszaniem mocy I²R na oporniku a wymaganiami dotyczącymi dokładności niskoprądowej systemu, aby określić, czy któryś opornik można realnie zastosować.

    Ponieważ INA229-Q1 jest wyspecjalizowanym przetwornikiem ADC, ważne jest, aby zrozumieć, czy jest on w stanie zmierzyć niski poziom sygnału. INA229-Q1 to 20-bitowy przetwornik ADC typu delta-sigma z jednym bitem jako bitem znaku. Dzielenie napięcia pełnej skali przez 19 pozostałych bitów daje napięcie 312,5 nV na najmniej znaczący bit (LSB), co odpowiada prądowi 2,9 µA na oporniku bocznikowym 100 µΩ lub 5,8 µA na oporniku bocznikowym 50 µΩ. Oba poziomy są znacznie poniżej poziomu błędu offsetu, co oznacza, że ​​zdolność rozdzielcza przetwornika ADC nie jest ograniczeniem pomiaru.

    Obliczenia te będą działać w podobny sposób, aby zapewnić pięć dekad pomiarów, bez względu na to, czy maksymalny prąd wynosi 1000 A w przypadku samochodowej aplikacji BMS użytej w tym artykule, czy 1 A w zastosowaniach przemysłowych, takich jak systemy testowo-pomiarowe, czy optyczne moduły sieciowe. Wartość rezystora bocznikowego zmniejszy się o ten sam współczynnik 1000, co spowoduje tysiąckrotny wzrost minimalnego prądu, aby osiągnąć ten sam poziom błędu. Jak wspomniano na początku artykułu, gdy obecny zakres wykracza poza zakres miliamperów, będzie trzeba uwzględnić potencjalny błąd wynikający z prądu IBIAS. Ultra-niski prąd polaryzacji układu INA229-Q1 — wynoszący 2,5 nA — umożliwia precyzyjne pomiary, także w zakresie mikroamperów.

    Mierzenie do pięciu dekad prądu — czego wymagają najnowsze samochodowe systemy BMS — jest wyzwaniem, na które do tej pory nie było prostej odpowiedzi. Połączenie maksymalnego napięcia VOFFSET na poziomie 1 µV, dryftu offsetu na poziomie 10 nV/°C, współczynnika tłumienia w trybie wspólnym 154 dB i prądu polaryzacji równego 2,5 nA zapewnia maksymalny offset 2,02 µV przy 125°C. Te parametry umożliwiają inżynierom pomiar prądu w skali, nawet do pięciu dekad, niezależnie od tego, czy aplikacja wymaga maksymalnego mierzonego prądu 1 A czy 1000 A.

    Źródło: https://www.planetanalog.com/how-to-precisely-measure-current-in-ev-hev-battery-management-systems/#

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11024 posts with rating 9362, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Tespol
  • #2
    LEDówki
    Level 35  
    Nie bójmy się mówić, że w samochodach są baterie rozruchowe, a w samochodach elektrycznych są baterie akumulatorów.