大直流電流精確測量的實(shí)現

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(chē)(EV)、電網(wǎng)能量存儲和光伏(光電)可再生能源裝置等的負載典型值。另外，這些系統需要精確地預測相關(guān)能量存儲電池的電荷狀態(tài)(SOC)。對電荷狀態(tài)的估計可以根據電流和電荷(庫倫計數)測量實(shí)現，而精確的測量數據對于精確的電荷狀態(tài)估計來(lái)說(shuō)是必要條件。

一般來(lái)說(shuō)，用于電流或電荷測量的任何系統都設計包含有內置數據采集部件，如合適的放大器、濾波器、模數轉換器(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(guò)一個(gè)電路轉換成可用的形式(即電壓)。接著(zhù)對信號進(jìn)行濾波，以減少電磁和射頻干擾。然后進(jìn)行放大和數字化。再將每個(gè)電流數據樣本乘以合適的時(shí)間間隔，(通過(guò)數字化計算)累加算出電荷值。

另一方面，如果以恒定不變的頻率進(jìn)行數字化，那么首先累積的電流樣本，然后當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，并在模數轉換器之前使用足夠窄的抗混疊濾波器。

圖1:典型的現代電流測量系統中的信號鏈。

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(jiàn)。第一種技術(shù)是檢測承載電流的導體周?chē)拇艌?chǎng)。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(chēng)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(chēng)為霍爾效應電流傳感器。這種傳感器內置有一個(gè)載流元件。當電流和外部磁場(chǎng)施加于該元件上時(shí)，元件兩側會(huì )呈現一個(gè)垂直于電流方向并垂直于外部磁場(chǎng)方向的壓差。普通金屬中的霍爾效應壓差值很小。值得注意的是，并不是所有測量載流導體周?chē)艌?chǎng)的直流電流傳感器都是基于霍爾效應。下面會(huì )簡(jiǎn)要介紹它們之間的區別。

大電流霍爾效應傳感器

為了做成一個(gè)帶霍爾效應器件的電流傳感器，需要用一個(gè)磁芯將導體電流周?chē)拇艌?chǎng)集中起來(lái)，同時(shí)這個(gè)磁芯中要開(kāi)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(cháng)度而言)會(huì )形成一個(gè)接近均勻且垂直于霍爾元件平面的磁場(chǎng)。當霍爾元件獲得電流能量時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)正比于勵磁電流和磁芯磁場(chǎng)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:導體周?chē)艌?chǎng)、線(xiàn)性開(kāi)環(huán)霍爾效應傳感器和閉環(huán)傳感器示意圖。

由于載流導體和磁芯之間沒(méi)有電氣上的連接(耦合的只是磁場(chǎng))，傳感器實(shí)際上是與待測電路隔離的。載流導體可能有很高的電壓，而霍爾效應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體任意電位的電路，因此提供滿(mǎn)足最嚴格安全標準的間隙與爬電值也相對比較容易。

然而，這種線(xiàn)性傳感器也存在一些缺點(diǎn)。其中最不重要的缺點(diǎn)也許是霍爾效應傳感器要求恒定勵磁電流這個(gè)事實(shí)。另外，處理來(lái)自霍爾效應傳感器的信號的放大和調節電路通常要消耗顯著(zhù)的能量。當然，這個(gè)能耗也許不那么顯著(zhù)，要看具體的應用。盡管如此，用于連續測量電流的霍爾傳感器能耗也不能小至毫瓦級。

霍爾效應傳感器：漂移大，可用工作溫度范圍小

因為典型的線(xiàn)性傳感器輸出是按比例量測的(不僅取決于被測的磁場(chǎng)強度，而且取決于勵磁電流值)，勵磁電流的穩定性將極大地影響待測電流幅度以及沒(méi)有電流流動(dòng)時(shí)的零偏移。一般來(lái)說(shuō)，后兩者都取決于供電電壓的穩定和溫度變化(因為影響勵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(chǎng)的非線(xiàn)性函數，這進(jìn)一步增加了傳感器的誤差。

因為在不同條件下會(huì )產(chǎn)生不同的誤差，大多數線(xiàn)性霍爾效應器件制造商會(huì )將總的誤差分解成許多單獨的分量。有時(shí)很難計算總的合成誤差。

閉環(huán)電流傳感器

為了解決霍爾傳感元件的非線(xiàn)性問(wèn)題，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了另外一種技術(shù)。這種技術(shù)依賴(lài)于檢測傳感磁芯中磁場(chǎng)的有無(wú)或符號，而不是測量這種磁場(chǎng)的強度。另外，它能避免由于霍爾元件中不穩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(gè)繞組，用于產(chǎn)生符號相反的磁場(chǎng)，但強度與待測電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)完全相等?，F在霍爾傳感元件僅用于檢測磁場(chǎng)符號而不是磁場(chǎng)強度。這個(gè)繞組連接在有運放的電路中。該電路維持這種補償繞組中的電流并使霍爾傳感器感知到的磁場(chǎng)為零。補償繞組中的電流要比待測導體中的電流小許多倍(也許超過(guò)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，而且匝數可以得到精確控制。

鑒于補償繞組在運放反饋環(huán)路中的作用，這種電流傳感器經(jīng)常被稱(chēng)為“閉環(huán)”傳感器。相反，前述簡(jiǎn)單的線(xiàn)性霍爾效應傳感器經(jīng)常被認為是“開(kāi)環(huán)”傳感器，以便強調在它們的工作過(guò)程中不存在反饋機制。

在霍爾效應器件中，不能將檢測零磁場(chǎng)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(lài)于霍爾效應的原因。然而，這些傳感器一般仍被稱(chēng)為霍爾效應傳感器，這只是因為它們在外觀(guān)上與霍爾效應器件十分相似罷了。

其它磁場(chǎng)檢測器

在非霍爾器件中，有些基于各種物理現象的傳感器可以用來(lái)執行磁場(chǎng)檢測器的功能。其中一種技術(shù)基于的是磁阻效應，即當向傳感器施加一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，傳感器的電阻會(huì )發(fā)生變化。

另外一種磁場(chǎng)檢測器用的技術(shù)利用了鐵氧體在磁場(chǎng)強度(用H表示)、磁通量密度(用B表示)和一種被稱(chēng)為飽和的特殊現象之間所呈現出來(lái)的非線(xiàn)性屬性。當H場(chǎng)增加時(shí)，磁通量密度B最終將達到一個(gè)不再顯著(zhù)增加的點(diǎn)--這個(gè)點(diǎn)被稱(chēng)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(chēng)為磁通門(mén)的器件。

事實(shí)上，一個(gè)基于磁通門(mén)的傳感器可以將一個(gè)恒定的磁場(chǎng)轉換成一個(gè)在滿(mǎn)量程和幾乎零之間交替變化的“選通式”或“削砍式”磁場(chǎng)。這種磁場(chǎng)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(因為電路本身會(huì )控制削砍動(dòng)作)技術(shù)恢復出正比于待測恒定磁場(chǎng)的值。

值得注意的是，這種傳感器的機械結構和相關(guān)電路的復雜性遠高于閉環(huán)傳感器。另外，它們的工作難度很高--當傳感器沒(méi)有獲得能量，或者由于與外部檢測電阻的松散連接導致補償繞組電路開(kāi)路的條件下進(jìn)行電流測量--經(jīng)常導致偏移和增益指標的不可恢復。由于補償繞組不能抵消來(lái)自待測電流的磁場(chǎng)，這種傳感器中的磁性元件將會(huì )永久磁化。

需要精密電阻

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

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

但購買(mǎi)到一定商用數量且精度高于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。

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。在根據歐姆定律確定電流時(shí)，需要考慮一組獨特的因素，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，當電流超過(guò)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(huì )被流過(guò)的電流加熱，并且可能工作在溫度不穩定的環(huán)境中，分流電阻阻值相對于溫度的穩定性就顯得尤其重要。

分流器的物理組成

初看起來(lái)分流器件是一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻。一些在體積電阻率、(溫度和時(shí)間)穩定性和合適機械外形方面具有適當屬性的導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(cháng)度的導線(xiàn)或用合適的合金構建的矩形形狀，并簡(jiǎn)單地與載流導體串聯(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)焊料數量的變化，或連接機械細節方面的變化)。

另外，基于穩定性的原因，以分流電阻任何給定橫截面內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部區域。除了簡(jiǎn)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(guò)仔細控制化學(xué)成分和處理實(shí)現的)材料阻值可能開(kāi)始永久改變。

即使熱點(diǎn)的實(shí)際存在不會(huì )影響精度，但在校準分流電阻時(shí)不可能確保它們在完全相同的地方形成。因此分流電阻的設計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)部分內部之間平均分配電流的方法。

這正是大多數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)區域是端子，用于接入電路(幾乎總是用厚的高導電率材料做成，比如銅)，另外一個(gè)區或多個(gè)并聯(lián)區組成了分流電阻的大部分。兩個(gè)端子區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(chēng)為有效部分)材料必須具有對溫度依賴(lài)性低的阻抗特性。由于具有合適的電阻和低溫電阻系數(TCR)，用于精密分流電阻的最常見(jiàn)合金之一是Edward Weston(因開(kāi)發(fā)出電化學(xué)電池-韋斯頓電池而出名)于1892年開(kāi)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(lái)說(shuō)，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(mǎn)刻度輸出電壓和電流的關(guān)系。

從上面的圖中應該可以清楚地看到，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(huì )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)生負面影響。對于基于分流的測量系統而言，不僅環(huán)境溫度起作用，而且測量的電流本身也會(huì )起作用，因為大電流會(huì )加熱分流電阻。

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)阻值偏離校準值，無(wú)論這個(gè)變化有多小。這將產(chǎn)生靈敏度(增益)誤差。

由于分流電阻結構中使用了不同的材料(也就是說(shuō)，連接端子和檢測導線(xiàn)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)，它會(huì )影響偏移誤差(當實(shí)際電流為零時(shí)報告有電流讀數)。由于分流電阻的散熱效應可以測量，并且能夠用一種可預測的方式進(jìn)行表達，一些基于分流電阻的系統可以補償導致偏移和增益誤差的分流電阻熱效應。在任何情況下，當設計一個(gè)如圖1(典型的現代電流測量系統的信號鏈)所示的基于分流電阻的電流測量系統時(shí)，需要仔細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(lái)說(shuō)，最基本的問(wèn)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(guò)載，瞬變和無(wú)激勵工作)。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。