實(shí)現(xiàn)大直流電流的精確測量

　　雖然有許多儀器可以精確地測量小的直流電流(最大3A)，但很少有儀器可以精確地(好于1%)測量50A以上的直流電流。這么大的電流范圍是電動汽車(EV)、電網(wǎng)能量存儲和光伏(光電)可再生能源裝置等的負(fù)載典型值。另外，這些系統(tǒng)需要精確地預(yù)測相關(guān)能量存儲電池的電荷狀態(tài)(SOC)。對電荷狀態(tài)的估計(jì)可以根據(jù)電流和電荷(庫倫計(jì)數(shù))測量實(shí)現(xiàn)，而精確的測量數(shù)據(jù)對于精確的電荷狀態(tài)估計(jì)來說是必要條件。

　　一般來說，用于電流或電荷測量的任何系統(tǒng)都設(shè)計(jì)包含有內(nèi)置數(shù)據(jù)采集部件，如合適的放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等。電流傳感器用于檢測電流。電流傳感器的輸出需要通過一個電路轉(zhuǎn)換成可用的形式(即電壓)。接著對信號進(jìn)行濾波，以減少電磁和射頻干擾。然后進(jìn)行放大和數(shù)字化。再將每個電流數(shù)據(jù)樣本乘以合適的時間間隔，(通過數(shù)字化計(jì)算)累加算出電荷值。

　　另一方面，如果以恒定不變的頻率進(jìn)行數(shù)字化，那么首先累積的電流樣本，然后當(dāng)累積電荷值被讀出或以某種方式利用時才乘以合適的時間間隔。同時需要考慮選擇合適的最小奈奎斯特采樣率，并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前使用足夠窄的抗混疊濾波器。

　　圖1:典型的現(xiàn)代電流測量系統(tǒng)中的信號鏈。

　　用于大電流測量的實(shí)用性傳感器技術(shù)

　　在用于測量大電流的技術(shù)中，有兩種傳感器技術(shù)最常見。第一種技術(shù)是檢測承載電流的導(dǎo)體周圍的磁場。第二種技術(shù)是測量承載待測電流(和電荷)的電阻(經(jīng)常稱之為分流器)上的壓降。這個壓降遵循歐姆定律(V = I × R)。

　　用于大電流測量的器件通常稱為霍爾效應(yīng)電流傳感器。這種傳感器內(nèi)置有一個載流元件。當(dāng)電流和外部磁場施加于該元件上時，元件兩側(cè)會呈現(xiàn)一個垂直于電流方向并垂直于外部磁場方向的壓差。普通金屬中的霍爾效應(yīng)壓差值很小。值得注意的是，并不是所有測量載流導(dǎo)體周圍磁場的直流電流傳感器都是基于霍爾效應(yīng)。下面會簡要介紹它們之間的區(qū)別。

　　大電流霍爾效應(yīng)傳感器

　　為了做成一個帶霍爾效應(yīng)器件的電流傳感器，需要用一個磁芯將導(dǎo)體電流周圍的磁場集中起來，同時這個磁芯中要開一個槽，用于容納實(shí)際的霍爾元件。尺寸相對較小的槽(相對于整個磁路長度而言)會形成一個接近均勻且垂直于霍爾元件平面的磁場。當(dāng)霍爾元件獲得電流能量時，將產(chǎn)生一個正比于勵磁電流和磁芯磁場的電壓。這個霍爾電壓經(jīng)放大后從電流傳感器的輸出端輸出。

　　圖2:導(dǎo)體周圍磁場、線性開環(huán)霍爾效應(yīng)傳感器和閉環(huán)傳感器示意圖。

　　由于載流導(dǎo)體和磁芯之間沒有電氣上的連接(耦合的只是磁場)，傳感器實(shí)際上是與待測電路隔離的。載流導(dǎo)體可能有很高的電壓，而霍爾效應(yīng)電流傳感器的輸出可以安全地連接到接地電路，或連接到相對載流導(dǎo)體任意電位的電路，因此提供滿足最嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的間隙與爬電值也相對比較容易。

　　然而，這種線性傳感器也存在一些缺點(diǎn)。其中最不重要的缺點(diǎn)也許是霍爾效應(yīng)傳感器要求恒定勵磁電流這個事實(shí)。另外，處理來自霍爾效應(yīng)傳感器的信號的放大和調(diào)節(jié)電路通常要消耗顯著的能量。當(dāng)然，這個能耗也許不那么顯著，要看具體的應(yīng)用。盡管如此，用于連續(xù)測量電流的霍爾傳感器能耗也不能小至毫瓦級。

　　霍爾效應(yīng)傳感器：漂移大，可用工作溫度范圍小

　　因?yàn)榈湫偷木€性傳感器輸出是按比例量測的(不僅取決于被測的磁場強(qiáng)度，而且取決于勵磁電流值)，勵磁電流的穩(wěn)定性將極大地影響待測電流幅度以及沒有電流流動時的零偏移。一般來說，后兩者都取決于供電電壓的穩(wěn)定和溫度變化(因?yàn)橛绊憚畲烹娏骱突魻栯妷罕旧淼幕魻杺鞲性娮枞Q于工作溫度)。

　　測量勵磁電流并在輸出中考慮該因素的傳感器變種是可能的。但它要求精密的外部元件和較大的處理電路。而且霍爾電壓是待測磁場的非線性函數(shù)，這進(jìn)一步增加了傳感器的誤差。

　　因?yàn)樵诓煌瑮l件下會產(chǎn)生不同的誤差，大多數(shù)線性霍爾效應(yīng)器件制造商會將總的誤差分解成許多單獨(dú)的分量。有時很難計(jì)算總的合成誤差。

　　閉環(huán)電流傳感器

　　為了解決霍爾傳感元件的非線性問題，業(yè)界開發(fā)出了另外一種技術(shù)。這種技術(shù)依賴于檢測傳感磁芯中磁場的有無或符號，而不是測量這種磁場的強(qiáng)度。另外，它能避免由于霍爾元件中不穩(wěn)定的勵磁電流引起的測量誤差。

　　這種技術(shù)是在磁芯上增加一個繞組，用于產(chǎn)生符號相反的磁場，但強(qiáng)度與待測電流產(chǎn)生的磁場完全相等?，F(xiàn)在霍爾傳感元件僅用于檢測磁場符號而不是磁場強(qiáng)度。這個繞組連接在有運(yùn)放的電路中。該電路維持這種補(bǔ)償繞組中的電流并使霍爾傳感器感知到的磁場為零。補(bǔ)償繞組中的電流要比待測導(dǎo)體中的電流小許多倍(也許超過1000倍)，這個功能只需在制作繞組時在磁芯上多繞幾匝就可以實(shí)現(xiàn)，而且匝數(shù)可以得到精確控制。

　　鑒于補(bǔ)償繞組在運(yùn)放反饋環(huán)路中的作用，這種電流傳感器經(jīng)常被稱為“閉環(huán)”傳感器。相反，前述簡單的線性霍爾效應(yīng)傳感器經(jīng)常被認(rèn)為是“開環(huán)”傳感器，以便強(qiáng)調(diào)在它們的工作過程中不存在反饋機(jī)制。

　　在霍爾效應(yīng)器件中，不能將檢測零磁場時的(偏移)誤差減小到任意小的值，這是由于各種漂移、而且大多數(shù)是由于溫度相關(guān)性漂移的原因。這也是為何一些較高性能的電流傳感器采用的技術(shù)不依賴于霍爾效應(yīng)的原因。然而，這些傳感器一般仍被稱為霍爾效應(yīng)傳感器，這只是因?yàn)樗鼈冊谕庥^上與霍爾效應(yīng)器件十分相似罷了。

　　其它磁場檢測器

　　在非霍爾器件中，有些基于各種物理現(xiàn)象的傳感器可以用來執(zhí)行磁場檢測器的功能。其中一種技術(shù)基于的是磁阻效應(yīng)，即當(dāng)向傳感器施加一個磁場時，傳感器的電阻會發(fā)生變化。

　　另外一種磁場檢測器用的技術(shù)利用了鐵氧體在磁場強(qiáng)度(用H表示)、磁通量密度(用B表示)和一種被稱為飽和的特殊現(xiàn)象之間所呈現(xiàn)出來的非線性屬性。當(dāng)H場增加時，磁通量密度B最終將達(dá)到一個不再顯著增加的點(diǎn)--這個點(diǎn)被稱為飽和點(diǎn)。一些特殊配方做成的材料具有非常低的飽和點(diǎn)，它們被廣泛用于稱為磁通門的器件。

　　事實(shí)上，一個基于磁通門的傳感器可以將一個恒定的磁場轉(zhuǎn)換成一個在滿量程和幾乎零之間交替變化的“選通式”或“削砍式”磁場。這種磁場變化可以很容易地被磁芯上的一個繞組拾取到，然后經(jīng)交流放大器進(jìn)行放大。最后使用所謂的同步檢測(因?yàn)殡娐繁旧頃刂葡骺硠幼?技術(shù)恢復(fù)出正比于待測恒定磁場的值。

　　值得注意的是，這種傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和相關(guān)電路的復(fù)雜性遠(yuǎn)高于閉環(huán)傳感器。另外，它們的工作難度很高--當(dāng)傳感器沒有獲得能量，或者由于與外部檢測電阻的松散連接導(dǎo)致補(bǔ)償繞組電路開路的條件下進(jìn)行電流測量--經(jīng)常導(dǎo)致偏移和增益指標(biāo)的不可恢復(fù)。由于補(bǔ)償繞組不能抵消來自待測電流的磁場，這種傳感器中的磁性元件將會永久磁化。

　　需要精密電阻

　　閉環(huán)傳感器的輸出信號就是補(bǔ)償繞組中的電流(它的值要比待測電流小許多倍)。這個電流通常要被轉(zhuǎn)換成電壓值，再作進(jìn)一步處理和數(shù)字化。這時只需使用普通電阻即可。

　　然而，這種電阻的精度和穩(wěn)定性將直接影響閉環(huán)電流傳感器的精度和穩(wěn)定度。如果使用1%精度的檢測電阻，那么基本精度規(guī)定為0.0.01%的閉環(huán)傳感器很快會降低到1%精度。

　　但購買到一定商用數(shù)量且精度高于0.01%的電阻是很難的，即使它們只是工作在很窄的溫度范圍內(nèi)。

　　大電流分流

　　如前所述，第二種電流測量技術(shù)采用電阻上的壓降。在根據(jù)歐姆定律確定電流時，需要考慮一組獨(dú)特的因素，具體跟電流大小有關(guān)。對于相對較小的電流，分流電阻上的壓降可以做得相當(dāng)大，以克服由于檢測連接和分流電阻的散熱原因或源自工作環(huán)境形成的溫差造成的任何誤差。然而，當(dāng)電流超過50A時，熱量散發(fā)和熱電誤差是最重要的。同樣，由于分流電阻總是會被流過的電流加熱，并且可能工作在溫度不穩(wěn)定的環(huán)境中，分流電阻阻值相對于溫度的穩(wěn)定性就顯得尤其重要。

　　分流器的物理組成

　　初看起來分流器件是一個簡單的電阻。一些在體積電阻率、(溫度和時間)穩(wěn)定性和合適機(jī)械外形方面具有適當(dāng)屬性的導(dǎo)電材料可以用作分流電阻。低精度的分流電阻可以完全是一段長度的導(dǎo)線或用合適的合金構(gòu)建的矩形形狀，并簡單地與載流導(dǎo)體串聯(lián)焊接(或以某種電氣連接)在一起。然而，將這樣的分流元件插入測量電路而不影響其阻值幾乎是不可能的(由于存在連接點(diǎn)焊料數(shù)量的變化，或連接機(jī)械細(xì)節(jié)方面的變化)。　　另外，基于穩(wěn)定性的原因，以分流電阻任何給定橫截面內(nèi)的電流密度大部分均勻的方式排列分流電阻是非常有益的。這樣能防止形成所謂的熱點(diǎn)--定義為溫度比材料其它部分更高的分流電阻內(nèi)部區(qū)域。除了簡單的電阻變化外，熱點(diǎn)處上升的高溫可能將阻性材料帶到退火點(diǎn)溫度，在這個溫度點(diǎn)(通過仔細(xì)控制化學(xué)成分和處理實(shí)現(xiàn)的)材料阻值可能開始永久改變。

即使熱點(diǎn)的實(shí)際存在不會影響精度，但在校準(zhǔn)分流電阻時不可能確保它