BMS（Battery Management System）是連接新能源車(chē)核心部件電池與整車(chē)的橋梁。受益于新能源車(chē)的發(fā)展，作為核心部件的 BMS 也得到了飛速的發(fā)展。BMS 根據(jù)控制的結(jié)構(gòu)不同分為主從式 BMS 和一體機(jī) BMS。無(wú)論哪種控制結(jié)構(gòu)，總電流檢測(cè)是必不可少的。BMS 的電流檢測(cè)分為傳統(tǒng)霍爾傳感器檢測(cè)方式和分流器的檢測(cè)方式。經(jīng)過(guò)分析，基于分流器的直接式電流采樣技術(shù)的電流傳感器方案成本更低、精度更高，是汽車(chē)和能源存儲(chǔ)系統(tǒng) BMS 應(yīng)用的首選。
分流器檢測(cè)方式之所以成為首選，一方面是由于其較高的測(cè)量精度和相對(duì)較低的成本，另一方面是因?yàn)樗鼫y(cè)量方法簡(jiǎn)單，使用設(shè)備少、方便快捷。其測(cè)量原理是直接測(cè)量分流器兩端的電壓，再根據(jù)歐姆定律，用測(cè)得的電壓除以分流器的電阻值，從而得到電路中的電流值。而霍爾傳感器檢測(cè)方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其測(cè)量值隨溫度的變化較大。為此，本文將介紹一款基于 Microchip MCU、CAN 接口和信號(hào)調(diào)理平臺(tái)的低成本高精度的分流器檢測(cè)方案，供大家參考與使用。
該方案采用了 Bourns 的大電流分流器 CSM2F-8518-L100J32、Microchip 的 MCU ATSAMC21E18A、ADC MCP3421、儀表放大器 MCP6N16、電壓基準(zhǔn) MCP1501 以及 Microchip 的 CAN 接口 ATA6560。儀表放大器 MCP6N16 與電壓基準(zhǔn) MCP1501 將分流器的采集信號(hào)放大和抬升，再由 18-bit 內(nèi)置 PGA ΔΣADC MCP3421 將放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，通過(guò) I2C 接口傳給 Microchip MCU ATSAMC21E18A，然后 MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、處理和標(biāo)定，Microchip 的 CAN 接口 ATA6560 用于數(shù)據(jù)通訊。該方案除了用于 BMS 系統(tǒng)，還可用于電動(dòng)和混動(dòng)汽車(chē)、母線電流檢測(cè)和焊接設(shè)備。
該分流器方案的特點(diǎn)：最大的工作隔離電壓可以達(dá)到 560V。室溫下，精度可達(dá) 2‰，全范圍精度為 5‰，電源寬范圍電壓輸入，12V 時(shí)消耗的電流小于 3mA，工作溫度范圍 -40~125 ℃，持續(xù)檢測(cè)電流 500A，最大沖擊電流 1000A（30mins on/off）。
為了方便用戶(hù)的測(cè)試、標(biāo)定和應(yīng)用，方案同時(shí)也提供了上位機(jī)軟件。通過(guò)橋接工具，用戶(hù)可以直觀地對(duì)分流器方案進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試應(yīng)用。MCU 內(nèi)置 Flash 支持讀寫(xiě)功能，用來(lái)模擬 EEPROM 的功能存儲(chǔ)標(biāo)定的數(shù)據(jù)。板上和分流器上貼有 NTC 溫度傳感器，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)的讀取板上和分流器上的溫度。
了解了此電流檢測(cè)方案的整體特點(diǎn)后，我們?cè)賮?lái)逐個(gè)介紹組成此方案的核心器件各自特點(diǎn)。
先從此方案的 MCU 入手，Microchip MCU ATSAMC21E18A 的特色是 32 bit Cortex M0+ MCU，可以 5V 供電，靈活的串口外設(shè) Sercom 可以任意靈活的配制成 UART、SPI 和 I2C；內(nèi)置 CAN 控制器支持 CAN-FD，同時(shí)兼容 CAN2.0 A/B。
其放大器 MCP6N16 具備自校正架構(gòu)，可以通過(guò)超低失調(diào)、低失調(diào)漂移，以及優(yōu)異的共模和電源抑制功能來(lái)最大限度地提高 DC 性能，同時(shí)消除 1/f 噪聲的不良影響，從而在全溫度范圍實(shí)現(xiàn)超高的精度。MCP6N16 的低功耗 CMOS 工藝技術(shù)在實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)，還可提供 500 kHz 的帶寬。此外，它配有一個(gè)硬件使能引腳可進(jìn)一步降低功耗。對(duì)于既定速度和性能而言，這種低功耗運(yùn)行和停機(jī)功能需要的電流更少，因而可延長(zhǎng)電池壽命和減少本身發(fā)熱。該放大器的運(yùn)行電壓低至 1.8V，使得兩節(jié) 1.5V 干電池的電量消耗遠(yuǎn)比典型情況下的少，而其軌對(duì)軌輸入和輸出操作即使是在低供電的條件下也可確保全范圍使用。這使得整個(gè)運(yùn)行電壓范圍內(nèi)的性能都得到大幅提升。MCP6N16 儀表放大器非常適用于需要高性能、高精度與低功耗、低電壓運(yùn)行兼?zhèn)涞膽?yīng)用，涵蓋醫(yī)療、消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)上的傳感器接口、信號(hào)調(diào)理以及固定式和便攜式儀器等等。
與其他 A/D 轉(zhuǎn)換器相比，MCP3421 特別適合需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、低功耗和節(jié)省空間的各種高精度模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：全差分輸入，18 位分辨率，精密的連續(xù)自校準(zhǔn)功能；可選擇 3.75、15、60 或 240SPS 采樣速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換；可工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式，在單次轉(zhuǎn)換后的空閑期內(nèi)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，極大的減少了電流消耗；內(nèi)部集成 2.048V 0.05%精度，且溫度漂移僅為 5ppm/℃的基準(zhǔn)電壓源，可編程增益放大器（PGA）提供 1/2/4/8 倍增益，允許測(cè)量極小的信號(hào)并且具有很高的分辨率，內(nèi)部集成振蕩器電路并提供 I2C 串行接口等。
Microchip 混合及線性信號(hào)產(chǎn)品部副總裁 Bryan J. Liddiard 表示：“ADC 市場(chǎng)和應(yīng)用的發(fā)展需要更高分辨率、更高速度和更高精度。此外，更低的功耗和更小的封裝也非常重要，我們新推出的這些產(chǎn)品可滿(mǎn)足以上全部需求。”
高電壓輸入集成開(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器 MCP16331 可工作在最高 50V 的輸入電壓源下。集成的特性包括上橋臂開(kāi)關(guān)、固定頻率峰值電流模式控制、內(nèi)部補(bǔ)償、峰值電流限制和過(guò)溫保護(hù)。只需最少量的外部元件，即可開(kāi)發(fā)完整的降壓直流 / 直流轉(zhuǎn)換器電源。通過(guò)集成限流元件、低電阻、高速 N 溝道 MOSFET 和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換器效率。高開(kāi)關(guān)頻率最大程度地減小了外部濾波元件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)小尺寸的解決方案。MCP16331 可以在將輸出電壓穩(wěn)壓至 2.0V-24V 的同時(shí)，提供 500 mA 的連續(xù)電流。器件集成了高性能峰值電流?模式架構(gòu)，即使在電源系統(tǒng)中常見(jiàn)的輸入電壓階躍和輸出電流瞬變條件期間，也可以穩(wěn)定地對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。EN 輸入用于開(kāi)啟和關(guān)閉器件。對(duì)于限電和負(fù)載分配應(yīng)用，器件關(guān)閉時(shí)，輸入端僅消耗幾μA 的電流。此引腳在內(nèi)部上拉，因此即使 EN 引腳懸空，器件也仍會(huì)啟動(dòng)。輸出電壓可通過(guò)外部電阻分壓器進(jìn)行設(shè)置。
汽車(chē)和工業(yè) CAN 市場(chǎng)一直要求以具有成本效益的解決方案提供更高性能、更低功耗和更大靈活性。Microchip 全新系列高速 CAN 收發(fā)器符合高性能要求，提供了行業(yè)的低待機(jī)電流，并有多種外形尺寸小巧的器件可供選擇。Microchip 公司 ATA6560/1 收發(fā)器支持 CAN FD 標(biāo)準(zhǔn)和高達(dá) 5Mbits/s 的數(shù)據(jù)速率，為 CAN 協(xié)議控制器和 CAN 雙線式物理總線提供對(duì)接接口。符合 ISO11898-2、ISO11898-5 和 SAEJ2284 標(biāo)準(zhǔn)，具備較高的電磁兼容性（EMC）和靜電釋放 （ESD）性能。當(dāng)供電電壓關(guān)閉時(shí)， ATA6560/1 收發(fā)器可為 CAN 總線提供理想的無(wú)源性能，配有一個(gè)供電電壓為 3V 至 5V 的 MCU 直連接口。對(duì)于各類(lèi)高速 CAN 網(wǎng)絡(luò)、尤其是要求低功耗并需通過(guò) CAN 總線喚醒的 CAN 節(jié)點(diǎn)而言，具備多種運(yùn)行模式和專(zhuān)用故障安全功能的 ATA6560/1 無(wú)疑是絕佳選擇。低功耗 CAN 收發(fā)器基于先進(jìn)工藝開(kāi)發(fā)，能夠進(jìn)一步集成模擬功能和復(fù)雜的數(shù)字功能。
Microchip 代理商世健公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用總監(jiān)仇嘉洋表示：世健公司作為技術(shù)分銷(xiāo)商與解決方案商，時(shí)刻關(guān)注著市場(chǎng)技術(shù)需求動(dòng)態(tài)，通過(guò)采用 Microchip 公司高性能的 Cortex-M0+ MCU，豐富的模擬信號(hào)鏈、電源和接口產(chǎn)品，與分流器傳感器相結(jié)合，世健公司為客戶(hù)提供了完整的分流器電流檢測(cè)解決方案，可廣泛應(yīng)用于汽車(chē)和儲(chǔ)能 BMS、電動(dòng)和混動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)母線電流檢測(cè)和焊接設(shè)備等大電流檢測(cè)的應(yīng)用。