狭窄高压环境中的电流和电压测量

 

电动汽车中，高压零部件的性能测试和验证，必须依靠高频、高精度的实时电流和电压来进行。然而，在实际测量过程中，集成式电驱、逆变器或高压电池包中的可用测量系统安装空间非常有限，高压测量设备的安装较为困难。本文展示了CSM的创新测量方案如何在狭窄环境下，实现高压母线中的电流电压测量。

 

1

 

背 景  

在高压电池包前期开发中，针对电池包的整体性能设计和电池管理系统（BMS）的开发，需要对连接各个电池模组的高压母线进行电流波动实时仿真分析，而这些仿真结果需要用真实电池包内电压电流进行验证。同样的情形，在电驱系统中，测量连接逆变器和电机的高压母线电流和电压，对于电驱性能分析验证也同样至关重要。

 

 

2

 

挑 战  

对于电驱系统高压母线中的电流测量和分析，电流传感器需要同时安装在逆变器直流侧和交流侧，因此该电流传感器能够覆盖较大的测量范围，并且能够抗干扰，体积足够小，以便能够在不破坏原有高压部件的基础上灵活安装。一般来说，电流的测量根据测量原理有不同的传感器选型，比较常见的有磁通门电流互感器、霍尔电流互感器、罗氏线圈和测量分流器。本文考虑到狭窄的安装空间和较为复杂的环境干扰，电流分流器是最为理想的选择。此外，电流的测量还应在高采样率（高达1 MHz）下进行，以便能捕捉到快速变化的电流峰值并能够进行精确分析。

 

 

 

3

 

CSM 测量解决方案
 

当分流器和复杂的电子设备结合时，形成的电流传感器不仅精度高而且封装体积小。这些小巧的电流传感器不仅能够测量恒定的电流，也能够测量高频的峰值电流，因此被广泛应用在逆变器和电机之间的测量场景。这种基于分流器测量原理的电流模块一直以来都是集成在CSM的HV BM模块中。然而对于测点布置空间狭小的测量场景，HV BM高压模块则被分解成了HV BM分体式模块，用于在非常狭窄的安装空间内测量电流、电压和功率。

如上图，母线电流通过分流器HV SBM_I open（SMB-HV BM分体式测量模块）直接测量。分流电阻、温度传感器、传感器电子元件和传感器线束封装在该模块中，符合EN61010-1安全要求。两个带孔的铜接线片可以很容易地连接到高压母线上。由于采用分流电阻的测量原理，同基于磁感应或霍尔效应的测量方案相比，外部磁场对测量的影响很小。CSM采用分流技术对电流的测量，几乎不存在伪信号、滞后效应、系统感应噪声、特性偏移或偏移误差。

HV SBM_I open可以测量高达±2,000 A的电流，因此也适用于采集非常陡峭的峰值电流。

电流测量值和用于在线温度补偿的分流器温度测量值通过高压安全绝缘线束进行传输。此外，传感器供电以及端电压（HV-）的测量值也都是通过该条线束进行传输，并且可以随时读取每个分流模块的类型和标定数据。

图2：CSM高压电流测量模块HV SBM_I open串联在两个电池模组的母线之间

分流模块的传感器线束连接到测量模块HV SAM（SAM - HV BM分体式采集模块）。HV SAM可以安装在高压测量区域之外的合适位置，那里有更多可用的安装空间。该采集模块通过电流隔离、滤波、AD转换、在线计算和协议转换将信号通过CAN总线或EtherCAT进行传输。

端电压（HV+）的传感器线束也可以插入HV SAM，这样同HV SBM_I open侧采集的端电压（HV-）一起，便可测量测试区域的电压，如下图。

HV SAM采集模块通过EtherCAT以高达1MHz的传输速率输出电流和电压的测量值，以便使用E-Mobility测量系统的软件进行进一步实时在线处理。同时，电流和电压值可以通过CAN总线非常方便地传输。通过HV SAM计算得到的电流和电压有效值以及有功功率、视在功率、无功功率和功率因数也可通过CAN总线提供给用户。

图3：安装在母线上的分流模块和端电压测点线束通过高压安全传感器线缆连接到高压电池外部的HV SAM测量模块。

图3：分流模块和端电压测点线束通过高压安全线缆连接到电池包外部的HV SAM 测量模块

XCP-Gateway将EtherCAT协议数据转换为XCP-on-Ethernet协议数据，并将其实时传输到计算机。XCP-Gateway可用于轻松集成和同步其它测量模块，以获取其它测量结果，例如母线中的温度或电池热管理系统中冷却剂的压力和流量等，如下图。

 

4

 

优 势
 

HV SBM_I open（HV BM分体式测量模块）与HV SAM（HV BM分体式采集模块）相结合，可以直接、快速、高精度地测量高压电池包和电驱系统之间的高压母线电流和电压。

高精度分流电阻与特殊的电子元件相结合的电流测量方案，减少了外部磁场的影响（伪信号、滞后效应、系统相关噪声、特性曲线偏移或偏移误差），为后续进一步的数据分析和故障排查提供非常精确的测量结果。

HV BM 分体式模块是E-Mobility测量系统的一部分，具有分布式和易扩展的属性，能够在狭小的车载安装空间内进行高压电流和电压测量，以便使用CANape或vMeasure进行实时在线分析。

此外，HV BM分体式模块也可以实现对高集成度的高压用电器进行测量，例如压缩机、热泵、逆变器或电子制动器等。根据测量场景和可用安装空间大小，可选择使用不同类型的HV BM分体式模块。