久以來，電流檢測是電池管理系統(Battery Management Systems, BMS)中所使用的重要功能，這是用來監測及保護高容量電池的模組。無論是在鋰離子或密封鉛酸蓄電池型式中，電流量測都被用來保護電池被錯用，並藉由在過電流(Over-current)情況中提供緊急停機功能來確保電池的安全使用。
若僅是針對保護和安全功能，可以允許很低的電流量測精確度，因為系統設計工程師會保守地指定過電流條件，所以即使電流感測器嚴重低估電流，也不會超出安全停機門檻。
然而，現階段在特定應用中，對於電流檢測的要求已變得嚴苛許多。特別是汽車製造商正在竭力提高電動汽車(EV)的性能及對消費者的吸引力。對於行車里程的擔憂，是讓消費者接納電動汽車的最大阻力之一，所以電動汽車的「油表」，也就是顯示還有多少能源可用的充電電池容量(State of Charge, SOC)讀數，對於駕駛者而言極為重要。精確的SOC量測也能讓電池管理系統有最佳化的運作，藉由將SOC保持在0%及80%之間，能為電動汽車和工業設備提供更長的周期壽命。
鋰離子BMS管理 電流檢測相形重要
現今最常被用於高週期壽命應用(電池被多次充電及放電的應用)的兩種鋰離子電池，分別是磷酸鐵鋰(LFP)型和鋰鈦酸(LTO)型。在這些電池及其他高能源密度鋰離子電池中，隨著時間變化的精確電荷累積(Charge Integration)被視為用來量測SOC的最重要方法。
這是因為在LFP和LTO電池型式中，輸出電壓在大部分放電週期都明顯保持不變。這意謂著，當電池為休息(At Rest)狀態時，開放電路電壓(Open Circuit Voltage, OCV)是很糟的SOC指標。再者，在某些LFP及LTO電池的應用中，當SOC是中間值時(介於完全充電與完全放電)，無論是在充電或放電，電池都會維持在使用狀態。例如，對於可再生能源的設備，如風力渦輪機和太陽能電池板陣列等，這就是很典型的使用情境，在此類設備中，開放電路電壓幾乎不存在。
電荷累積就是計算庫倫(Coulomb)放出(當電池放電時)，以及計算庫侖輸入的過程(當電池充電時)。始自已知的電荷容量及完全充電狀態，這樣的庫倫計算能提供理論上無限量充/放電週期的SOC量測。然而非常明顯地，它的精確度完全仰賴於電流量測電路在整個正和負訊號擺盪期間的精確度，以及對於零電流點的精密偵測。
維持中量及低量電流的精確特別重要，以滿足電動汽車的一般操作條件，或是發電設備的能源緩衝。對於之前那些適用於早期電池管理系統的電流檢測電路而言，要求它們得在所有條件下維持超高精確度，這樣的要求已超出其能力。
在今日的汽車應用中，一般多會採用以下兩種電流檢測技術中的一種。先說明分流介面解決方案，這項技術是量測流過精密分流電阻(Shunt Resistor)的壓降(Voltage Drop)。然而，一般而言，這些介面無法提供完美的零偏移(Zero Offset)，會導致低和中電流水準時的不準，而且有礙正確檢測到零電流點。
而磁電流感測器也有麻煩的偏移問題，也會因為外部磁場對於溫度、磁滯性及靈敏度的干擾而出現零點飄移(Offset Drift)。這些缺點加在一起，使得磁電流感測器並不適用於電動汽車充電電池容量(EV BMS)，以及其他需要高精確度的應用，這類應用的要求極為嚴苛。因此，必須使用極為縝密、複雜及應用專用的軟體補償，才能修正傳統分流介面解決方案的偏移。
為了讓事情更容易，可以採用在-40℃至+125℃的汽車溫度範圍內完全不會偏移的分流介面。也就是說，針對+/-15位元解析度的感測器介面，最低LSB明顯小於1，提供基本的零LSB偏移，這就是奧地利微電子(ams)開發AS8510分流電流感測介面IC的初衷。搭配無偏移分流電阻時，這個感測介面能在整個操作溫度範圍，以及地上及地下(Above and Below Ground)整個訊號範圍內，都能提供幾近完美的線性輸出，它支援高達8kHz的快速取樣速率。
使用這樣一個裝置，LFP或LTO電池管理系統設計師能更容易地實現高精確度，因為需要補償的只有分流、增益級和類比數位轉換器(ADC)參考隨著溫度和壽命改變的飄移。一般來說，這些因素組合起來的誤差小於0.5%，所以這在許多應用中是不需要補償的。對於任何帶有數位輸出的電子電路而言，僅有在零電流點附近的極少誤差，是被歸咎於ADC解析度的限制和雜訊。
符合ISO26262標準勢在必行
就如同精確的電流量測，汽車應用的電流檢測也應支援符合ISO26262功能性安全標準的要求。
AS8510是一個兩通道數據擷取裝置。這兩個相同的通道各自具有一個斷路器(Chopper)、可程式放大器、整合型16位元ADC、除斷路器(De-chopper)，以及每一通道可獨自設定的濾波器選項。此裝置的電流量測數位表示值是透過一個序列周邊介面傳送至外部微控制器。藉由增加一個外部斷路器及電平轉換器元件，AS8510也能被用來以相同的零偏移測量正電源軌(電池的高側)上的電流。
雙訊號調整(Signal-conditioning)通道中固有的冗餘度(Redundancy)可支援汽車功能性安全要求。其他的特性也能協助電池管理系統製造商符合ISO26262法規的規定，例如可自由連接至輸入接腳的可程式電流源(有助故障測試)、ADC的參考電壓的外部接取，以及每一通道的獨立設定等。
戮力最佳化 達到最高精確度
如上所述，在採用AS8510的電流量測系統中，發生誤差的主要因素是溫度和分流電阻、增益級及參考電壓的生命週期飄移(Lifetime Drift)等。
事實上，分流和ADC參考電壓對於溫度的依賴性，只會在溫度低於-20℃及高於65℃時，才會出現偏離正常數值的情況。在這些溫度之間，參考電壓及增益級的溫度飄移都是由設計開發廠商所指定，且一般在採用AS8510的情況下，在進行單點線末(Single-point End-of-line)校準時，系統精確度可達到整個溫度範圍的0.8%。然而，必要時，設計工程師如何能達到更厲害的精確度？
幸運的是，AS8510包含一個內部溫度感測器，且它以極低功率運作，所以內部自產生熱是可以被忽略的。這就意謂這個整合型溫度感測器可用於線末(End-of-line)補償來提供讀數，包括內部訊號路徑以及外部裝置，例如分流器等，它們被熱耦合(Thermally Coupled)至AS8510。
檢測介面的最大誤差來源是增益級的溫度飄移，以及ADC參考的溫度飄移。所以如果這些溫度飄移特性是已知的，則這些誤差就能被消除。這些特性可透過校準來測定。在不同溫度下使用同一參考電流，使用者可以在軟體中消除漂移的影響，並採用內部溫度感測器的讀數。也就是說，將漂移特性的曲率補償做為溫度的函數。
另一種方法是，ADC參考具有通用曲率以及已知的多項式函數，如AS8510的規格資料中所說明。這個誤差來源也能藉由內部溫度感測器的讀數，利用軟體來消除。
透過多點校準，分流感測器系統可以達到極高的精確度，亦即除去溫度飄移，大部分因為分流的生命週期飄移所造成的誤差也能被測定，一般約是0.2%。
有趣的是，內部溫度感測器的使用，還能讓印刷電路板可採用金屬線軌來取代分流，這是因為金屬的大部分溫度係數(銅和鋁約為4,000ppm/K)可由溫度感測器讀數協助補償。硬體評估已顯示金屬線軌至IC的熱傳導是足夠支援校準達到約2%的系統精確度，即使是龐大及脈衝電流亦可，精確度甚至勝過小電流。
總歸來說，分流電阻本質上為線性且無偏移。藉由結合一個介於50∼100微歐姆(μΩ)的分流電阻，以及無偏移及高解析度的訊號調整裝置，電流檢測系統的設計可達到極高的精確度，可以測量從毫安培(mA)到千安培(kA)的訊號，且幾乎沒有能量損失。最讓人注意的是，因為這個系統具有真正的零偏移和高線性，所以在整體訊號範圍低至零電流時仍能提高精確度。
(本文作者為奧地利微電子汽車事業部產品經理)