大直流電流精確測量的實(shí)現(xiàn)

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(dòng)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(gè)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(gè)電流數(shù)據(jù)樣本乘以合適的時(shí)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(shí)才乘以合適的時(shí)間間隔。同時(shí)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(gè)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(gè)載流元件。當(dāng)電流和外部磁場施加于該元件上時(shí)，元件兩側(cè)會呈現(xiàn)一個(gè)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(gè)帶霍爾效應(yīng)器件的電流傳感器，需要用一個(gè)磁芯將導(dǎo)體電流周圍的磁場集中起來，同時(shí)這個(gè)磁芯中要開一個(gè)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(gè)磁路長度而言)會形成一個(gè)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(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)正比于勵(lì)磁電流和磁芯磁場的電壓。這個(gè)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(lì)磁電流這個(gè)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(gè)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(lì)磁電流值)，勵(lì)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(dòng)時(shí)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?lì)磁電流和霍爾電壓本身的霍爾傳感元件電阻取決于工作溫度)。

測量勵(lì)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(shí)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(lì)磁電流引起的測量誤差。

這種技術(shù)是在磁芯上增加一個(gè)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(gè)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(gè)功能只需在制作繞組時(shí)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(shí)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(gè)磁場時(shí)，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(shí)，磁通量密度B最終將達(dá)到一個(gè)不再顯著增加的點(diǎn)--這個(gè)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(gè)基于磁通門的傳感器可以將一個(gè)恒定的磁場轉(zhuǎn)換成一個(gè)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(gè)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?dòng)作)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)簡單的電阻。一些在體積電阻率、(溫度和時(shí)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(gè)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(shí)不可能確保它們在完全相同的地方形成。因此分流電阻的設(shè)計(jì)包括了在阻性材料的橫截面上、或在單個(gè)并聯(lián)阻性部分和每個(gè)部分內(nèi)部之間平均分配電流的方法。

這正是大多數(shù)較高精度的分流電阻由三個(gè)不同部分組成的原因：兩個(gè)區(qū)域是端子，用于接入電路(幾乎總是用厚的高導(dǎo)電率材料做成，比如銅)，另外一個(gè)區(qū)或多個(gè)并聯(lián)區(qū)組成了分流電阻的大部分。兩個(gè)端子區(qū)之間用電阻段或使用焊接或冶金工藝的段進(jìn)行連接，具有非常均勻的接縫。

精密分流電阻的阻性部分(也稱為有效部分)材料必須具有對溫度依賴性低的阻抗特性。由于具有合適的電阻和低溫電阻系數(shù)(TCR)，用于精密分流電阻的最常見合金之一是Edward Weston(因開發(fā)出電化學(xué)電池-韋斯頓電池而出名)于1892年開發(fā)的錳銅。

分流電阻中的散熱

電阻散發(fā)的熱量正比于電流的平方和電阻(W = I2 × R)。舉例來說，一個(gè)1mΩ的分流電阻在流經(jīng)50A電流時(shí)的功耗為2.5W，這個(gè)功耗在有適中散熱器和靜止空氣條件下是一個(gè)可控的值。相反，當(dāng)電流為1kA時(shí)，同樣這個(gè)分流電阻將耗散1kW的熱量，這個(gè)熱量需要很大物理尺寸并且可能強(qiáng)制風(fēng)冷(或液冷)的裝置。

圖3:分流電阻中散發(fā)的熱量與電阻和電流之間的關(guān)系。

圖4:分流電阻中散發(fā)的熱量與滿刻度輸出電壓和電流的關(guān)系。

從上面的圖中應(yīng)該可以清楚地看到，在給定電流條件下減少分流電阻中散發(fā)熱量的唯一方法是減小其電阻。然而，這也會降低分流電阻上測得的電壓值，信號將變得對分流電阻和檢測電路中引起的誤差更加敏感，從而在小電流情況下導(dǎo)致精度的劣化。

分流測量方法中的誤差源

高的工作溫度和分流電阻中的溫差將對增益和偏移誤差產(chǎn)生負(fù)面影響。對于基于分流的測量系統(tǒng)而言，不僅環(huán)境溫度起作用，而且測量的電流本身也會起作用，因?yàn)榇箅娏鲿訜岱至麟娮琛?/p>

雖然分流元件的電阻(有效)部分是用低TCR的材料做的，但高的工作溫度將不可避免地促進(jìn)阻值偏離校準(zhǔn)值，無論這個(gè)變化有多小。這將產(chǎn)生靈敏度(增益)誤差。

由于分流電阻結(jié)構(gòu)中使用了不同的材料(也就是說，連接端子和檢測導(dǎo)線的材料一般不同于分流電阻的阻值部分材料)，存在所謂的熱電誤差(比如塞貝克效應(yīng))，它會影響偏移誤差(當(dāng)實(shí)際電流為零時(shí)報(bào)告有電流讀數(shù))。由于分流電阻的散熱效應(yīng)可以測量，并且能夠用一種可預(yù)測的方式進(jìn)行表達(dá)，一些基于分流電阻的系統(tǒng)可以補(bǔ)償導(dǎo)致偏移和增益誤差的分流電阻熱效應(yīng)。在任何情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1(典型的現(xiàn)代電流測量系統(tǒng)的信號鏈)所示的基于分流電阻的電流測量系統(tǒng)時(shí)，需要仔細(xì)選擇能夠提供最小誤差和漂移的元件。

選擇正確的測量方法

對于測量大的直流電流來說，最基本的問題是測量精度和成本。其它重要的考慮因素包括：工作環(huán)境(尤其是溫度范圍)，功耗，尺寸和耐用性(考慮可能的過載，瞬變和無激勵(lì)工作)。為了判斷任一給定方法的測量精度，考慮在所有相關(guān)的極端工作條件下所有可能的誤差源很重要。

表1:電流分壓器的比較。