【導讀】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。那么如何精確測量大直流電流？請看下文詳解！
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)需要精確地預測相關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壓差值很小。值得注意的是，并不是所有測量載流導體周圍磁場的直流電流傳感器都是基于霍爾效應。下面會簡要介紹它們之間的區(qū)別。
大電流霍爾效應傳感器
為了做成一個帶霍爾效應器件的電流傳感器，需要用一個磁芯將導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：導體周圍磁場、線性開環(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。
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度。這個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現(xiàn)，而且匝數(shù)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)常被稱為“閉環(huán)”傳感器。相反，前述簡單的線性霍爾效應傳感器經(jīng)常被認為是“開環(huán)”傳感器，以便強調(diào)在它們的工作過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)不依賴于霍爾效應的原因。然而，這些傳感器一般仍被稱為霍爾效應傳感器，這只是因為它們在外觀上與霍爾效應器件十分相似罷了。
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，即當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H場增加時，磁通量密度B最終將達到一個不再顯著增加的點——這個點被稱為飽和點。一些特殊配方做成的材料具有非常低的飽和點，它們被廣泛用于稱為磁通門的器件。
事實上，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)交流放大器進行放大。最后使用所謂的同步檢測(因為電路本身會控制削砍動作)技術(shù)恢復出正比于待測恒定磁場的值。
值得注意的是，這種傳感器的機械結(jié)構(gòu)和相關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路的條件下進行電流測量——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0.0001%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，需要考慮一組獨特的因素，具體跟電流大小有關。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度的導線或用合適的合金構(gòu)建的矩形形狀，并簡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(由于存在連接點焊料數(shù)量的變化，或連接機械細節(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——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，熱點處上升的高溫可能將阻性材料帶到退火點溫度，在這個溫度點(通過仔細控制化學成分和處理實現(xiàn)的)材料阻值可能開始永久改變。
即使熱點的實際存在不會影響精度，但在校準分流電阻時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、或在單個并聯(lián)阻性部分和每個部分內(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不同部分組成的原因：兩個區(qū)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)，另外一個區(qū)或多個并聯(lián)區(qū)組成了分流電阻的大部分。兩個端子區(qū)之間用電阻段或使用焊接或冶金工藝的段進行連接，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)出電化學電池—韋斯頓電池而出名)于1892年開發(fā)的錳銅。
[page]
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1mΩ的分流電阻在流經(jīng)50A電流時的功耗為2.5W，這個功耗在有適中散熱器和靜止空氣條件下是一個可控的值。相反，當電流為1kA時，同樣這個分流電阻將耗散1kW的熱量，這個熱量需要很大物理尺寸并且可能強制風冷(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。
[page]
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(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，因為大電流會加熱分流電阻。
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阻值偏離校準值，無論這個變化有多小。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)，它會影響偏移誤差(當實際電流為零時報告有電流讀數(shù))。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行表達，一些基于分流電阻的系統(tǒng)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，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，瞬變和無激勵工作)。為了判斷任一給定方法的測量精度，考慮在所有相關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。
