电动汽车中的电流测量 － 用于高电流和高电压的传感器

本文作者：儒卓力公司汽车事业部产品销售经理Ralf Hickl

随着电动汽车逐渐成为人们日常生活的一部分，对能够双向测量交流电和直流电的传感器的需求也在增长。它们要高效、准确、紧凑，并且使用灵活。一款全新电流传感器可以满足所有这些要求。

越来越多的车辆应用从电池供电，特别是在具有电动驱动的车辆上。同时，车辆电池和消费电子装置的功能也变得越来越强大，这导致了车辆电气系统中出现更高的电压和电流。为了应对更高的电压，业界提出了其他标准和安全规定，例如与电气系统的其他电压层电隔离，以及更高成本的保护接触。大电流导致电缆和任何存在欧姆电阻之组件的功率损耗更大。因此，电流测量需要使用能够耗散高功率损耗的超低欧姆分流电阻。然而，它们相对较大，这意味着较多的材料、重量和成本。

为了保护电池和车辆电气系统的电气线路不受过载影响，必须测量电流，因为如果线束着火，可能很快就让车辆变成废品。这种保护功能过去是由保险丝来完成的。未来，在发生过流或短路的情况下，关闭电源将是半导体开关的工作，前提是准确的电流测量；此外，若要通过牵引变频器来控制驱动运作，精准电流测量也是必需的。

用于电隔离的磁场传感器

由于车辆中存在12V、48V和高压等不同的电压等级，对于这些电压等级之间电隔离需求越来越多。特别是在大电流情况下，传感器测量电流产生的磁场，并将其作为模拟信号传输，这样具有很大的优势：与使用分流器的基于电阻的电流测量方法相比，磁场传感器在提供电隔离的同时，还能显着降低功率损耗。这些特性对于高压和大电流应用尤为重要，因为电隔离确保了对接触的保护，而低功耗则保证了低自热。

为了应对这些难题，英飞凌针对TLI4971电流传感器进行了专门用于汽车应用的进一步开发。在新型TLE4972中，测量电流并不像TLI4971那样流经具有内部电流路径的IC封装；相反，传感器放置在PCB上或靠近带电线路的电源轨上，而且没有接触。

图1：TLE4972电流传感器的目标应用

TLE4972是无芯的...

功能更强大的电池系统允许在正常运行和发生短路时出现更高的峰值电流。如果电流传感器具有带有磁芯材料的磁通量集中器，则必须有相应的较大尺寸，否则，短路电流可能使其永久磁化，从而扭曲了系统的传输特性（图2）。由于TLE4972是无芯的，即使在短路导致过流的情况下，也不会发生磁芯饱和以及随后的剩磁效应。这支持实现高线性度，并避免了传输特性中的滞后现象。

图2：带有磁通量集中器的磁场传感器必须具有较大的尺寸，以避免因短路而导致的永久磁化和系统传输特性的失真。(图片来源：英飞凌)

...快速...

需要进行快速的过流和短路检测，特别是主电池开关。由于TLE4972有两个独立的开漏输出，具有可配置的触发阈值和可编程的噪声脉冲滤波器，因此可以满足要求。它们向微控制器或栅极驱动器等发出过流信号，过电流检测（OCD）开漏输出引脚的典型响应时间小于1μs。TLE4972具有从0Hz到至少120kHz的较宽频率范围，有助于实现快速过流检测，而没有软件引起的延迟。

差分模拟输出也提供了高带宽，因此可用于电动汽车中驱动电机的扭矩控制。

...精准...

由于采用差分测量方法，因此，由于相邻导体的电流流动等引起的多余的杂散场，不会对测量信号造成任何影响。芯片上的附加传感器还可以补偿温度和机械应力的影响。因此，在组件的整个使用寿命期间，准确性和稳定性得到了提高。产品数据表显示，在使用寿命内的温度测量误差小于2%。

用户可通过软件配置和整个系统的机械设计来扩展TLE4972的测量范围。

整体系统，即传感器加上PCB或电源轨上的电流导体，可以在组装后进行校准，从而补偿生产公差。通过Aout引脚在电源开启的情况下进行通信。

...安全...

英飞凌根据ISO 26262汽车工业功能安全国际标准开发TLE4972传感器。由于具有高度的自我诊断能力，该传感器符合ASIL B标准安全组件功能安全要求（SEooC）。

因此，特别推荐TLE4972用于需要满足高度功能安全的应用。开发人员可以向英飞凌索取相关文档资料。这些数据可用于轻松计算并快速证明整体系统的可靠性。

...以及灵活性

TLE4972以模拟形式输出测量值。输出可以配置为全差分、半差分或单端。对于单端输出模式，传感器从外部来源导入参考电压，例如连接的模拟/数字转换器（ADC）。在半差分模式下，它将内部Vref输出到一个引脚，与连接的ADC共享。这样可以抵消共模噪声，只要它在整个ADC转换时间内是恒定的。

在全差分模式下，TLE4972提供两个相位相反的输出信号。这种工作模式与具有差分输入的ADC结合在一起，可确保最好地抑制模拟传输路径上的共模噪声信号。在这方面，TLE4972是英飞凌可编程系统级芯片（PSoC）系列4、5和6的理想选择，因为它们具有带差分输入的12位ADC，并与传感器共享3.3V左右电源电压范围。

两种封装形式

TLE4972有两种封装形式：在TDSO-16封装中，适用于测量在普通多层板上流经轨道的高达约400 A电流。对于最高大约800 A的更高电流，英飞凌建议将之安装在特殊形状的铜轨上（图3和4）。

图3：安装在铜轨上方或下方，TLE4972适用于测量最高大约800A电流。(图片来源：英飞凌)


图4：TLE4972两个封装型款提供多种安装选项，适用于测量200 A至800 A电流。

对于400 A和2 kA之间电流测量，TSON-6封装TLE4972是理想的选择，它的尺寸为4.5 mm × 3.5 mm，可以垂直安装在电源导轨切口处。

原厂提供支持

英飞凌通过全新仿真工具支持使用TLE4972的开发项目，这款工具可通过英飞凌合作平台（Infineon’s Collaboration Platform）在线使用（需要激活）。此外，英飞凌还为各种测量范围提供了四块评测板。TLE4972 EVAL STD PCB（最高约200 A电流）、TLE4972 EVAL INLAY（最高约400 A电流）、TLE4972 EVAL LAT BAR（最高约580 A电流）和TLE4972 EVAL VER（最高约830 A电流）。

结论

TLE4972是用于高双向电流应用的无电位测量组件，它还能自主地发出过流信号，并符合ASIL B标准SEooC要求。这款传感器特别适用于电机控制。此外，它可以结合PSoC的模拟和数字功能，精妙地实现高压熔断器电子部件。

儒卓力汽车事业部（Automotive Business Unit）专业团队设想这款组件在众多目标应用中得到应用，包括测量牵引BLDC驱动、辅助驱动、电子涡轮(e-turbo)、集成启动器/发生器、皮带启动器/发生器，以及高压路径中的电子保险丝、电池管理系统（BMS）和电池或负载断路开关的电机相位电流。