莱姆电子陈迪：先进车用电流检测方案

一些欧洲客户已经提出了更高的直流快充需求，功率达到350kW甚至更高，这个应用趋势转化到电流传感器的应用，有哪些影响呢？第一个，就是持续的充电电流的值会越来越高，对于电池包以及BDU发热、热管理有新的挑战；其次，对于传感器的测量精度也会提出了一个更高的要求。

本文为励展博览集团及NE时代于8月28-29日联合主办的 "第二届AWC2019新能源汽车关键元器件技术大会" 演讲嘉宾的现场实录。

演讲嘉宾：陈迪 莱姆电子中国汽车产品经理

演讲主题：先进车用电流检测方案

陈迪：感谢大家今天给我这么一个机会分享莱姆电子在汽车电流测量应用的技术方案探讨。今天讲的内容主要分为四个部分，首先给大家介绍一下莱姆电子公司本身，其次针对BMS高精度满足功能安全传感器全新产品的方案。除了BMS产品之外，我们其实在很多汽车应用，比如说电控、OBC都有相关产品，所以都会做一个简单的介绍和分享。

莱姆电子已有四十七年的历史。莱姆进入汽车行业比较早，2000年就已开始和主机厂合作，最早是12V铅酸电池电流检测。我们进入新能源汽车算是第一批比较早的，大概在2005年左右开始开发针对新能源电控和BMS的传感器。我们在瑞士日内瓦、法国、日本都有研究中心，国内的总部是在北京，全球汽车传感器产品接近99%都会在北京工厂生产，。

莱姆电子非常注重产品的研发，我们每年超过10%都会投入在新产品研发，不管工业还是汽车领域我们跟全球客户紧密地进行合作开发各种新技术方案，同时莱姆拥有自己的IC设计能力。做汽车级传感器，产品质量和可靠性固然是最重要的指标之一。可以很自豪的讲，过去五年，莱姆产品的0km失效率是一致保持在小于2ppm，产品的质量已得到了很多国内外主机厂的认可。全球国内外知名的汽车厂商都是我们的客户，这也是莱姆的一个优势，我们会跟很多国际上的企业去合作，学习和跟踪传统车和新能源车最新的架构和技术发展趋势，一同开发新一代符合客户技术发展和应用需求的产品。

我们在国内拥有70%以上市场份额，和很多国内外重要的主机厂和Tier-1都有着很紧密的合作。同时我们也不断地去自我创新、与时俱进。之前老的logo也用了很多年，今年5月份我们提出了莱姆电子新logo的概念，从logo本身也能看出我们未来的市场和关注点：绿色(Life)、节能(Energy)，以及代表我们新能源汽车的Motion，从中可以看出莱姆电子在未来发展的一个重点就是新能源汽车和新能源领域。

下面我想说的是关于BMS下一代产品的电流测量的方案。首先大家可以看到莱姆电子在汽车领域应用和产品线还是比较广的，我们不光有基于BMS的低压和高压电池的应用，对于电控， OBC和DC/DC我们也有对应的产品。今天我先给大家重点介绍一下关于BMS这块的产品。新能源车BMS应用的一个场景是电池包充放电电流监测，传感器一般会位于BDU或者SBOX主正或主副回路测量整个电池包的电流，电流信号会送到BMS，给BMS做充放电控制，电池SOC估算，以及过流和过充的保护。这个需求分解到电流测量功能，对于电流传感器提出的要求一个是对于全局精度，第二个就是对于小电流下零点误差的要求。

现在一些欧洲客户已经提出了更高的直流快充需求，功率达到350kW甚至更高，这个应用趋势转化到电流传感器的应用，有哪些影响呢？第一个，就是持续的充电电流的值会越来越高，对于电池包以及BDU发热、热管理有新的挑战；其次，对于传感器的测量精度也会提出了一个更高的要求。因为电流越来越大，不管是快充，包括现在放电电流，在这么大量程的情况下，同时能在小电流下保持较高精度，这是对于未来BMS应用电流测量是一个挑战。

我们总结认为未来BMS对于电流测量的应用有以下几个趋势：1）电流量程，对于现在四驱双电机应用的高性能电动车，电池包峰值电流已可达到1200-1500A； 2）为了提高SOC估算精度，提高电池包的利用率，对传感器精度要求已经到<1%,很多客户提出0.5%；3）我们也看到了国外的客户对于BDU主动冷却和热控制也提出了一些要求。 4）电控电压从400V提高到800V，以提高电机的工作效率，降低铜损和成本。除了提高电池包电压，也看到部分客户采用加入一个大功率升压DC/DC的方案，这里面也有电流测量的需求。有关功能安全，对于电流测量的功能，现在客户一般是ASIL C的等级；最后，我们也看到很多客户采取双通道冗余设计的方案，满足功能安全和精度需求。

接下来我们介绍一下目前BMS电流测量主要的几种技术方案路线对比。首先，开环霍尔传感器仍然是主流的性价比很高的测量技术方案之一，通过双通道双量程设计可以达到不错的精度，或者可以作为冗余通道电流测量。分流器有很多自身的优势，成本包括精度都可以做的不错。但是我们认为分流器有一些其他的问题限制未来发展，第一是发热，随着快充需求和未来BMS电流峰值的增大，需要考虑快充下持续大电流和瞬间过流对电阻片的发热和过温保护，而霍尔和磁通门技术则没有这个顾虑。第二是如何保证在大量程如何保证小电流下精度和噪声误差的优化，这个对信号处理电路，补偿算法和标定都有很高要求和挑战。 右边的是叫做Fluxgate， 即磁通门测量技术。莱姆认为磁通门是最适合未来高性能BMS电流测量的技术路线，因为它可以提供极低的零点误差和高精度，接近于无损的测量和极低的功耗。

这一页展示了对于这三种技术莱姆今天能够达到的技术指标，可以很明显地看出，不管是零点误差还是全局精度，磁通门和另外两个技术相比都有很显著的优势。那为什么磁通门技术是最适合BMS应用的呢？首先对于BMS电池SOC估算来说，和增益误差相比，零点误差是一个更重要的参数，因为在SOC估算时会产生比较明显的累计误差，严重影响SOC的精度。举个例子，我们看左图，这是电池包充放电的示意图，放电过程就是一个车加速的过程，当你油门松了以后就是回馈充电的过程。整个周期电流有正有负，因此SOC计算时对于增益或者线性度误差其实是可以得到一定补偿抵消。但如右下图所示，如果电流传感器或者电流测量存在一个固定的偏置误差，或者是零点误差不能够被消除，比如说充电的末期，此时电流可能很小在几安以内，如果零点误差过大，会一直在Ah积分中累计产生显著的累计误差。所以我们认为在BMS电流测量中零点误差是非常重要的参数。

由此我们可以看出，莱姆最新的磁通门技术，在1500A大量程电流测量同时，可以把全温度范围的零点误差控制在20-30mA以内，这是目前市面上在该参数上性能最好的产品。我们达到这么好的零点误差的同时，可以做到全量程全温度0.5% 全局精度，能够保证不管是你在大电流放电还是在小电流充电的过程中，都保持极其高的SOC精度。

磁通门技术的另一显著优势是它不需要考虑发热的问题，同时也没有过流过载的限制，理论上是无限的，也避免了分流器电阻片发热带来的老化问题。同时更简单应用，我们的磁通门产品CAB是直接CAN信号输出，不需要客户系统层面做额外的标定和校准，帮客户节省很多开发成本和时间，也避免了用分流器做需要额外的温度补偿和标定。同时它跟高压总线是自然绝缘的，保证系统安全。

这一页是莱姆电子高压BMS产品路线图。左边是我们传统的开环霍尔产品，右边是磁通门系列产品。传统霍尔产品我们后面会做持续的改进，比如最新的产品HSTBV结构上的优化，可以把体积做的更小，同时将现有霍尔产品精度提高一倍，以满足未来主流BMS应用。后边磁通门系列产品CAB主要是针对精度要求更高的高性能BMS系统应用的市场。目前我们已有CAB 300和CAB 500系列量产并在国内市场得到广泛认可。下一步我们会推出全新带功能安全ASIL-C的CAB 1500系列。

这一页是CAB最新的产品CAB-SF 1500-C的技术参数，这是目前我们了解到业界第一个满足功能安全要求的，达到1500A的针对BMS应用开发的电流传感器。可以做到小于30毫安的误差，全局千分之五的精度。同时我们支持CAN信号数字输出带故障诊断。在安装方式上面也做了创新，引入了直接锁铜牌的安装方式，与之前支架安装相比更简便，节省BDU空间和成本。此外该产品软硬件开发遵照ISO26262标准，可以达到ASIL-C。预计2020年SOP，现在有样品可以提供。

为了满足不同国内外客户的要求，我们的产品有很多种不同的选项。 CAB 1500会提供带功能安全和标准版本，新的锁铜牌安装或和之前CAB 500兼容的支架安装选项。另外我们也响应一些客户的需求，希望在传感器内部做温度的测量用来监控BDU内临近铜牌的环境温度，所以在输出电流信号的同时，新产品也可以配置带有内部电流温度的测量。

最后给关于CAB产品简单介绍一下如何实现功能安全ASIL-C？我们采用了莱姆专利技术的磁通门设计，使用同一个测量的磁芯但在内部实现了两种独立的测量方式。主测量回路是具有高精度的模拟信号链，可以做到千分之五的精度，同时加入另一路冗余的数字测量通道，完全独立于主测量回路，通过检测磁通门工作的振荡特性反推原边电流,这一路精度在5-6%，目的是实现冗余检验。当两路的信号出现超出设计的偏差之后就会报警且通知BMS电流测量回路可能出现故障，BMS可以随之进入安全状态。通过这样独特的设计，我们CAB磁通门产品可以实现单个传感器测量做到满足功能安全ASIL-C。

莱姆产品在高压BMS应用的同时仍然会有传统低压12V和24V的电池测量，在传统燃油车和新能源车上都有应用。在现有成熟的HABT系列基础上，我们下一代12V电池最新的HBCT产品。除此之外有智能分流器SSVT产品，量程可以到1500安，可以在输出电流温度、电压的同时，输出电池SOX的状态。未来我们会有全新基于低成本霍尔的智能分流器产品SHVT，该产品通过全新的芯片，可以把霍尔精度做到分流器的水平，量程1500A，精度达到1%。

接下来我想讲一下我们在电控应用上的新产品或者应用的趋势。首先我们发现越来越多的电控客户希望有板载的SMD传感器，在生产的过程中可以实现全自动化回流焊，可以节省生产制造成本。第二个就是功率密度越来越高，对传感器的需求是体积越来越小，可以看到我们未来新产品体积可以做到原来现有产品的20%。最后就是集成化，我们有三合一，会搭配不同的模块，或者根据客户的机构设计需求，做出定制化的产品， 将传感器和系统高度集成，节省空间和安装成本。

这一页是2020年量产的全新板载产品HC16。该产品是现有HC5FW的升级，针对大电流的电驱的应用，量程900-1600A，第一个特点可以兼容SMD，做到全自动的安装。同时国内外客户提出了对振动特殊的要求，对于高性能电动跑车，一些客户提出了超过10个G的需求，振动方面我们可以做到15到20个G。

另外一个趋势是新一代的产品会更多采用集成铜牌的结构，实现小型化。新一代产品HST系列把铜牌集成在产品内部，这样的话可以把磁性和产品体积做的非常小。电流可以做到1300A，针对电控开发有单项，也有三合一搭配不同的模块的产品。另外关于系统集成，我们也提供针对市面上主流的IGBT模块开发的三合一产品，例如HAH3DR S07系列产品匹配英飞凌HP Drive IGBT模块，我们开发了和长端子和短端子版本搭配的全套产品。

最后我给大家介绍一下未来的充电应用新产品：有贴片式的电流传感器GO系列，8和16脚封装，电流量程75A，应用场景主要是用在6.6kW双向OBC AC侧电流测量。GO系列工业级版本现已量产并已在国内也有很多工业客户项目上使用，现在有样品和demo板可以提供。下一步我们会在2019年底完成GO系列的ACEQ认证。为了满足一些客户耐压要求，我们也会后续推出HMSR系列产品，作为GO系列的产品升级，耐压可以做到5kV，具有更好的共模噪声抗干扰能力，可以用在跨OBC LLC隔离电池侧的输出电流测量。 HMSR下一步会有新的芯片，芯片贷款会从300kHz提高到1MHz。

最后给大家讲一下OBC 漏电流保护的全新应用和产品规划。RCD简单来讲就是Class B漏电流检测，我们看到国外的一些主机厂现在在尝试非隔离的OBC方案，国外客户希望在OBC上把LLC DC/DC那一级去掉,这样可以极大地简化OBC的设计成本和难度，特别是实现双向OBC， 提高OBC的充电效率和功率密度，并且充电功率可以进一步提高到22kW以上。但是非隔离的设计为了满足安规要求，需要在OBC AC侧实时监测漏电流检测，防止漏电引发的人身安全事故。我们目前在和一个欧洲主机厂针对这个应用开发新的RCD系列传感器。该产品要求功能安全ASIL B，同时对灵敏度要求非常高。我们会有两款单向和三向RCD的漏电流检测，检测精度是在在0-5mA范围精度0.5mA。这是非常高精度的、高灵敏度的漏电流测量的方案,采用的也是磁通门技术。同时为了能够满足功能安全要求，我们有SPI的数字输出，同时会有模拟输出、安全方面的测试。虽然在国内目前还没有OBC客户或主机厂提出这个需求，但是我相信这也是未来的趋势。未来OBC和整车架构可能有更多种非隔离的方案出来，会在OBC上面用到上述RCD传感器。如大家对该产品感兴趣，我们也可以后续探讨沟通。

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