BMS系列(2)——SHUNT、HALL、磁通门

动力电池的充电与放电功率都非常的夸张，而作为电池重要信息之一的总电流，则是BMS在工作中需要重点关注的一个信息。

电流的检测相比于电压和温度的检测不同，因为整个动力电池系统中只有一个总电流的信息需要关注。电流非常重要的一个作用是用于SOC的评估，因此电流采样的频率会比较高。同时电流也是作为电池状态评估的一个重要参数，当发生短路，过流故障的时候，电流检测就是保护电池的第一道屏障。

目前主流的电流采集方案有两种：一种是基于串联电阻的电流监测，采用最基本的电压电流关系来进行测量；另一种是基于电流传感器的电流监测，而传感器还分为普通的开环式霍尔传感器和磁通门电流传感器。

一

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基于SHUNT的电流测量

电压量是最直接能够被测量到的，因此将电流信号转换成电压信号进行测量，目前使用的一种方式就是在电池的工作回路中串联一个分流电阻（shunt电阻）。如下图所示就是基本的实现方式。

图1 基于分流电阻的电流监测方案 分流电阻实际上就是一个电阻非常小的电阻，精度高、温漂小，当电流流过分流器的时候，可以通过测量两端的压降计算出电流的大小。以前电动汽车的工作电流范围一般为-300A~+300A（通常定义放电为正电流，充电为负电流）。现在随着续航、电池容量、电机功率的提高，工作电流的范围基本上都在-500A~+500A之间，目前市面上比较主流的分流器阻值为0.1mΩ，0.15mΩ、0.25mΩ这些规格，根据不同的系统电流进行不同的选型和使用，最大工作电流时在分流器上产生最大值为50mV的压降。但是50mV的压降相对来说非常小，在用AD进行采集时一般要加上适当的放大电路。最常用的放大加采集解决方案就是AS8510这个芯片，内部集成放大器的ADC芯片，放大系数可以通过软件配置。 采用分流电阻采集电流的方式的好处就是全量程的精度都可以保障，并且相比于其他方案，总的精度也是非常高的。目前在市面上的应用也是非常广泛。但是使用分流电阻采样也具有不足之处：一个是热损耗非常高，以500A为例，发热功率高达25W。对于一般的电路板而言，25W集中一小块电路板上对散热的设计非常严苛，因此设计的时候对散热问题不可忽视。其次是隔离问题，由于放大、采集、信号处理的电路直接跟高压总线连接，因此低压供电和CAN信号的传输都需要通过隔离器件进行隔离。 目前国内外的很多电动汽车和混合动力汽车的电池都采用这种方式来进行。虽然实现隔离成本相对较高，但在目前看来是一种比较合适的解决方案。从目前媒体上的一些信息了解到，特斯拉的Model3目前也是采用的这种方式，并且也是用的AS8510。

二

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基于霍尔传感器的电流监测

霍尔传感器一般有3个引脚，分别连接电源的正极和负极以及一个电压输出管脚。以下是霍尔传感器的基本原理及采集电路设计简图。

图2霍尔传感器基本原理

图3霍尔传感器采集电路示意图 霍尔传感器的输出往往跟输入呈线性关系，所以只要电压能够采集准确，电流也能够计算出来。但是在实际应用中，输入输出并不是严格的线性比例关系，并且在电流0点可能也会存在有电压的情况。因此实际工程应用中，都需要对传感器进行标定。

图4霍尔传感器输入输出关系 霍尔传感器从实现电路上来看比采用分流电阻测量的电路简单很多，但是霍尔传感器本身价格也并不便宜，所以就全套实现方案的成本来对比，霍尔传感器也更贵一点。从目前的主流霍尔传感器精度上面来进行对比，其电流采样精度目前远低于采用分流电阻的方案要低。尤其是在低电流的情况下，霍尔传感器的误差凸显非常明显。因此这种电流传感器通常是作为电流采样的一个备份，在大电流的时候或者在另外一路传感器失效的时候作为一个参考。

三

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磁通门电流传感器

现在我们常用的电流传感器原理为磁通门原理，包括LEM的CAB系列，以及博世的电流传感器都是基于磁通门原理的传感器。磁通门传感器相较于前两种方式，其电流上限可以做到很大，且受温度影响小，发热小，精度高。根据目前市面上的产品，可能会是未来的主流方向。磁通门的硬件结构简单，在大量搭载后，磁通门电流传感器的价格应该是具有很大的优势的。磁通门传感器的原理框图如下所示：

图5磁通门传感器电气框图 通过外部激励源输出周期性的PWM电压，该电压直接作用在磁环的副边，通过一个磁环的原边。而产生周期PWM电压的电路就是下图这个H桥电流，其电压波形也是下图所示的方波。

图6磁通门激励源示意图 磁通门传感器的简化模型，我们把P当做原边，把S当做副边，则可以将磁通门理解为一个原边匝数为1，副边匝数为N的一个变压器。

图7 磁通门的磁场强度与磁感应强度

磁通门中的磁环是一个高磁导率的器件，大致的工作原理如下：（先温习一下基本概念，B是磁感应强度，单位是特斯拉T；H是磁场强度，单位A/M；μ是磁导率，μ=B/H；H=（N*I）/L（其中N是线圈的匝数；I为励磁电流；Le为测试样品的有效磁路长度））

1、在电压为正的区间，电流刚开始增加，由于电感线圈以及磁环的作用，在电路中会产生阻碍电流增加的力，极限的理解就是直至线圈中的磁感应强度饱和之前，电流一直为0。2、当线圈中的磁感应强度饱和之后，线圈等效为一个电阻，电流会迅速的增加，因此，如下图所示，检测口的电流会是一个脉冲状。3、当原边没有电流的时候，检测口理想的电流波形会像下图右上角的坐标系那样来体现。4、当原边有电流的时候，电流会在线圈包裹的磁环中产生磁场，而副边的激励源依然按照先前的频率工作，在磁环中磁感应强度饱和之前，为了抵消掉原边已经在磁环中产生的磁场强度，使得磁感应强度增加，副边的电流会产生一个偏置。 在磁感应强度变化但还没有饱和的过程中，磁场强度H=0，而这个H=Hp+Hn。根据上述的公式就可以得到Ip=-N*Is。而Is是副边电流可以通过电路测量出来，这样我们就能得到原边的电流。

图8 磁感应强度对应的感生电流

磁通门电流传感器之前我也一直不太懂，后来也是根据一些资料大概理解了他的工作原理，可能通过文字描写是比较晦涩难理解，我自己在写的过程中也屡屡卡壳。

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总结

以上就是目前应用比较多的三种电流测量方案用到的器件，就目前来看，磁通门和SHUNT电阻的方案依然在蓬勃的发展，但是依然不甚完美，磁通门的算法复杂，并且内部电路相对来说也更容易受到外部磁场的干扰，而SHUNT的发热和成本也是让硬件工程师比较头痛的一个问题，不过BMS一直是处于循环上升的一个阶段，后续更优化的方案可能也会陆陆续续出来。

审核编辑 ：李倩