混合動力電動轎車（HEV）和電動轎車（EV）之所以備受歡迎，是因為它們具有低（零）排放和低保護要求，一起供給了更高的功率和驅動性能。新的HEV/EV公司方興未已，而且現有的轎車制造商正大舉投資HEV/EV商場，以爭奪商場份額。
HEV/EV動力總成的中心在于體系。該體系從電網獲取電力，將其存儲在電池中（靜止時），并從電池獲取能量以轉動電機并移動車輛。該體系主要包括四個子體系：車載充電器（OBC）、電池管理體系（BMS）、DC-DC轉換器（DC/DC）以及逆變器和電機操控（IMC），如圖1所示。在HEV/EV的BMS中常常疏忽擴大器的靈敏性和本錢效益。因而，本文將重點介紹BMS以及規劃人員如何在體系中運用擴大器。
圖1：典型的帶有OBC、BMS、DC/DC、逆變器和電機操控的HEV/EV體系圖
BMS的作用是什么？
BMS保護和監控電池，包括有用和安全地充電和放電。BMS相對地平衡每個單體電池的電壓和電荷，監控電池的健康狀況，使電池堅持安全的工作溫度，并保證更長的電池壽數。BMS應該避免比如電池反復過度放電，因為這將縮短電池壽數，或應避免過度充電，因為這或許會損壞電池并引起火災或爆破。HEV/EV中的電池是許多串聯和并聯的鋰離子電池組合，能夠滿意所需的電壓和能量。待徹底充電后，單個鋰離子電池的電壓為4.2V，放電時挨近2.8V。HEV/EV中充滿電的電池電壓規模為200V至800V。圖2是典型的BMS框圖。
圖2：BMS系統框圖
讓我們回憶一下BMS的主要功能。
電池電流感應
監控輸入電池組的電流和輸出電池組的電流至關重要。在主鋰離子電池中，該電流的大小往往高達數百安培。霍爾傳感器、感應傳感器或分流電阻器上的阻隔擴大器一般用于電池冷側（低電壓）到熱側（高電壓）電流感測。這些阻隔電流感測解決方案能夠具有模仿差分輸出信號。阻隔電流感測旨在堅持熱側和冷側別離，并將關于感測到的電流的模仿信息供給給主微操控器中的由低壓電源供電的模數轉換器（ADC）。這種電流感測一般不需求十分準確。運算擴大器將差分信號轉換為單端信號（以接地為參閱），添加動態規模，并驅動ADC。在BMS中，一般運用電流分流監控器進行準確的熱側電流感測。
圖3所示為不同電壓域的帶阻隔擴大器和運算擴大器電路（用于帶直流傳遞功能的電流感測）。分流電阻上產生的電壓VSHUNT由一個阻隔擴大器擴大，作為其阻隔輸出的差分輸出信號VDIFF。運算擴大器將差分信號VDIFF轉換為單端信號OUT，并通過向信號施加2 V/V的增益來進步動態規模。阻隔擴大器偏移決定了初始電流感測精度。差分擴大器的共模抑制比主要由電阻容差決定。
圖3：用于阻隔電流感測的帶運算擴大器的阻隔擴大器
DC-DC轉換器從HEV/EV中的主高壓電池生成獨自的48V電池子體系。這款48V電池子體系為空調、加熱、制動體系和動力轉向供給動力，并供給比運用鉛酸電池的傳統12 V電源軌更高的功率。48V子體系不含主電池那么高的電流負載，但仍然需求電流感測，這便是為何它有自己的本地BMS。在48V BMS中，非阻隔精密電流分流監控器用于主電流感測，雙向運算擴大器電流感測電路用作冗余過流保護。圖4所示為進行雙向電流感測的運算擴大器電路。
圖4：低側雙向電流感應運算擴大器電路
電池電壓感測
需求像電流一樣監控電池的電壓。在阻隔電壓檢測中，電阻分壓器將高電壓從電池分壓到擴大器的共模輸入規模。阻隔擴大器感測到分壓電壓，差分擴大器裝備中運用的運算擴大器將阻隔擴大器中的差分輸出信號轉換為單端輸出。若不需求阻隔，則差分擴大器裝備中的運算擴大器能夠執行直接電壓感測。
圖5所示為采用阻隔擴大器和運算擴大器的阻隔電壓感測。阻隔擴大器阻隔熱側和冷側，并輸出增益為1的差分信號。運算擴大器將差分信號轉換為單端輸出，并使ADC增益滿意全動態規模。該電壓被饋送到冷側MCU中的ADC。
專為BMS規劃的集成功率芯片可盯梢每個鋰離子電池的電壓并平衡電荷。以菊花鏈方式連接這些功率芯片能夠一起丈量一切鋰離子電池的電壓，平衡這些電池上的電壓，并將此信息傳遞給MCU。
圖5：通過阻隔擴大器和運算擴大器感測阻隔電壓
阻隔漏流電流測量
正如我之前提到的那樣，高壓200至800V側與車輛底盤接地和其他低壓域（12 V和48 V）堅持阻隔。通過測驗阻隔中止測量電池電壓和漏泄電流還將導致測量高壓軌與底盤接地的低壓之間的電阻或泄漏。轎車高壓和阻隔泄漏丈量參閱規劃解說了測驗阻隔中止。它需求運用已知的電阻途徑暫時短接阻隔柵，如圖6所示。
圖6：帶運算擴大器的阻隔漏流電流丈量電路
有必要從高壓電池的正極或負極側了解毛病漏電流的途徑。每逢產生阻隔中止時，繼電器S1坐落正極側或繼電器S2坐落負極側。將該已知的阻隔電阻與丈量的電阻進行比較能夠確認通過阻隔屏障的泄漏。
例如，當S1關閉時，如果在負極側無泄漏，則ISO_POS電壓將等于Vref。若在負極側存在漏電流（阻隔損壞），則ISO_POS電壓將不等于Vref。因為漏電流流過Rps1、Rps2和Rs1、電池的正極側和負極側到低壓側接地，閉環增益不同。具有低輸入偏置電流的運算擴大器適用于此應用，因為連接到反相輸入的阻抗或許十分高（在兆歐規模內）。
溫度監測
HEV/EV需求高電壓和高電流，這或許導致高功耗和快速溫升。監測電池及其周圍體系的溫度十分有必要，以避免功耗過大。若毛病導致高功耗，電池操控單元將斷開電池，以避免產生火災和爆破等災難性事情。
一種經濟有用的溫度感測解決方案是運用運算擴大器緩沖來自與電阻串聯的負溫度系數（NTC）熱敏電阻的信號。因為BMS和電池占位空間較大，因而整個體系的溫度或許不均勻。這種不均勻的溫度需求在整個BMS中放置多個溫度感測單元。將來自這些單元的信號復用到單個ADC或MCU引腳需求信號調理。還需求緩沖和擴大信號，以滿意ADC的全動態規模。
圖7說明晰用于緩沖擴大器或同相擴大器裝備的運算擴大器。具有合理偏移和失調漂移的低本錢高壓運算擴大器適用于此應用。
圖7：運用NTC熱敏電阻和運算擴大器進行溫度感測
聯鎖監測
聯鎖回路主要觸及感測不需求高精度丈量的以脈沖傳輸的電流。緊湊的解決方案需求或許會導致基于儀表擴大器的解決方案。最經濟的解決方案是在差分擴大器裝備中運用帶運算擴大器和分立電阻的電流感測電路。聯鎖回路不是高電流回路；因而，您能夠運用高值分流電阻，且不會有高功耗危險。安全和診斷功能需求冗余，以覆蓋主體系產生毛病時的狀況。為檢測一切或許的毛病，或許存在更多需求二次電壓和電流感測的狀況，以及低本錢解決方案變得更加可行的狀況。
聯鎖是一個電壓和電流回路體系，流經HEV/EV體系中的一系列子體系，如圖8所示。聯鎖從BMS發動并經過逆變器、DC/DC轉換器、OBC再回來BMS，以監測任何篡改、翻開高壓體系或翻開保護艙口的事情。轎車高壓聯鎖參閱規劃解說了聯鎖體系如何斷開高壓線路以避免受傷。
圖8：BMS中的聯鎖系統
定論
這些都是運用擴大器的BMS中的標準功能，但根據體系規劃，您運用運算擴大器時或許會有更多功能。當出現新問題或異常問題且不存在集成解決方案時，基于運算擴大器的解決方案變得更加有用。EV/HEV中的體系正在發展，且運算擴大器供給快速、準確和靈敏的解決方案的狀況正變得越來越遍及。
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