狹窄高壓環境中的電流和電壓測量

電動汽車中，高壓零部件的性能測試和驗證，必須依靠高頻、高精度的實時電流和電壓來進行。然而，在實際測量過程中，集成式電驅、逆變器或高壓電池包中的可用測量系統安裝空間非常有限，高壓測量設備的安裝較為困難。本文展示了CSM的創新測量方案如何在狹窄環境下，實現高壓母線中的電流電壓測量。

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背 景

在高壓電池包前期開發中，針對電池包的整體性能設計和電池管理系統（BMS）的開發，需要對連接各個電池模組的高壓母線進行電流波動實時仿真分析，而這些仿真結果需要用真實電池包內電壓電流進行驗證。同樣的情形，在電驅系統中，測量連接逆變器和電機的高壓母線電流和電壓，對于電驅性能分析驗證也同樣至關重要。

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挑 戰

對于電驅系統高壓母線中的電流測量和分析，電流傳感器需要同時安裝在逆變器直流側和交流側，因此該電流傳感器能夠覆蓋較大的測量范圍，并且能夠抗干擾，體積足夠小，以便能夠在不破壞原有高壓部件的基礎上靈活安裝。一般來說，電流的測量根據測量原理有不同的傳感器選型，比較常見的有磁通門電流互感器、霍爾電流互感器、羅氏線圈和測量分流器。本文考慮到狹窄的安裝空間和較為復雜的環境干擾，電流分流器是最為理想的選擇。此外，電流的測量還應在高采樣率（高達1 MHz）下進行，以便能捕捉到快速變化的電流峰值并能夠進行精確分析。

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CSM 測量解決方案

當分流器和復雜的電子設備結合時，形成的電流傳感器不僅精度高而且封裝體積小。這些小巧的電流傳感器不僅能夠測量恒定的電流，也能夠測量高頻的峰值電流，因此被廣泛應用在逆變器和電機之間的測量場景。這種基于分流器測量原理的電流模塊一直以來都是集成在CSM的HV BM模塊中。然而對于測點布置空間狹小的測量場景，HV BM高壓模塊則被分解成了HV BM分體式模塊，用于在非常狹窄的安裝空間內測量電流、電壓和功率。

如上圖，母線電流通過分流器HV SBM_I open（SMB-HV BM分體式測量模塊）直接測量。分流電阻、溫度傳感器、傳感器電子元件和傳感器線束封裝在該模塊中，符合EN61010-1安全要求。兩個帶孔的銅接線片可以很容易地連接到高壓母線上。由于采用分流電阻的測量原理，同基于磁感應或霍爾效應的測量方案相比，外部磁場對測量的影響很小。CSM采用分流技術對電流的測量，幾乎不存在偽信號、滯后效應、系統感應噪聲、特性偏移或偏移誤差。

HV SBM_I open可以測量高達±2,000 A的電流，因此也適用于采集非常陡峭的峰值電流。

電流測量值和用于在線溫度補償的分流器溫度測量值通過高壓安全絕緣線束進行傳輸。此外，傳感器供電以及端電壓（HV-）的測量值也都是通過該條線束進行傳輸，并且可以隨時讀取每個分流模塊的類型和標定數據。

圖2：CSM高壓電流測量模塊HV SBM_I open串聯在兩個電池模組的母線之間

分流模塊的傳感器線束連接到測量模塊HV SAM（SAM - HV BM分體式采集模塊）。HV SAM可以安裝在高壓測量區域之外的合適位置，那里有更多可用的安裝空間。該采集模塊通過電流隔離、濾波、AD轉換、在線計算和協議轉換將信號通過CAN總線或EtherCAT進行傳輸。

端電壓（HV+）的傳感器線束也可以插入HV SAM，這樣同HV SBM_I open側采集的端電壓（HV-）一起，便可測量測試區域的電壓，如下圖。

HV SAM采集模塊通過EtherCAT以高達1MHz的傳輸速率輸出電流和電壓的測量值，以便使用E-Mobility測量系統的軟件進行進一步實時在線處理。同時，電流和電壓值可以通過CAN總線非常方便地傳輸。通過HV SAM計算得到的電流和電壓有效值以及有功功率、視在功率、無功功率和功率因數也可通過CAN總線提供給用戶。

圖3：安裝在母線上的分流模塊和端電壓測點線束通過高壓安全傳感器線纜連接到高壓電池外部的HV SAM測量模塊。

圖3：分流模塊和端電壓測點線束通過高壓安全線纜連接到電池包外部的HV SAM 測量模塊

XCP-Gateway將EtherCAT協議數據轉換為XCP-on-Ethernet協議數據，并將其實時傳輸到計算機。XCP-Gateway可用于輕松集成和同步其它測量模塊，以獲取其它測量結果，例如母線中的溫度或電池熱管理系統中冷卻劑的壓力和流量等，如下圖。

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優 勢

HV SBM_I open（HV BM分體式測量模塊）與HV SAM（HV BM分體式采集模塊）相結合，可以直接、快速、高精度地測量高壓電池包和電驅系統之間的高壓母線電流和電壓。

高精度分流電阻與特殊的電子元件相結合的電流測量方案，減少了外部磁場的影響（偽信號、滯后效應、系統相關噪聲、特性曲線偏移或偏移誤差），為后續進一步的數據分析和故障排查提供非常精確的測量結果。

HV BM 分體式模塊是E-Mobility測量系統的一部分，具有分布式和易擴展的屬性，能夠在狹小的車載安裝空間內進行高壓電流和電壓測量，以便使用CANape或vMeasure進行實時在線分析。

此外，HV BM分體式模塊也可以實現對高集成度的高壓用電器進行測量，例如壓縮機、熱泵、逆變器或電子制動器等。根據測量場景和可用安裝空間大小，可選擇使用不同類型的HV BM分體式模塊。