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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)的估計可以根據(jù)電流和電荷(庫倫計數(shù))測量實現(xiàn)，而精確的測量數(shù)據(jù)對于精確的電荷狀態(tài)估計來說是必要條件。
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)。接著對信號進行濾波，以減少電磁和射頻干擾。然后進行放大和數(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)字化計算)累加算出電荷值。
另一方面，如果以恒定不變的頻率進行數(shù)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，因此提供滿足最嚴格安全標準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。其中最不重要的缺點也許是霍爾效應(yīng)傳感器要求恒定勵磁電流這個事實。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
因為典型的線性傳感器輸出是按比例量測的(不僅取決于被測的磁場強度，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的非線性函數(shù)，這進一步增加了傳感器的誤差。
因為在不同條件下會產(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的分量。有時很難計算總的合成誤差。 |
