【導(dǎo)讀】隔離電流傳感器技術(shù)對于汽車設(shè)計越來越重要。電流傳感已經(jīng)成為汽車設(shè)計的重要組成部分，從簡單的基于電阻的測量到為分析燃油噴射系統(tǒng)行為而開發(fā)的更先進的傳感器。隨著電氣化的發(fā)展，電流傳感器技術(shù)將發(fā)揮更重要的作用，適應(yīng)這些新車輛的特定要求。
隔離電流傳感器技術(shù)對于汽車設(shè)計越來越重要。電流傳感已經(jīng)成為汽車設(shè)計的重要組成部分，從簡單的基于電阻的測量到為分析燃油噴射系統(tǒng)行為而開發(fā)的更先進的傳感器。隨著電氣化的發(fā)展，電流傳感器技術(shù)將發(fā)揮更重要的作用，適應(yīng)這些新車輛的特定要求。
伴隨電動汽車發(fā)展而來的一項重大設(shè)計變化是準(zhǔn)確檢測高壓子系統(tǒng)中的電流并保護解釋和處理這些信號的先進控制器。從快速電池充電電路到加熱裝置，高壓域中的電流傳感器在許多地方都需要。
高壓電流檢測應(yīng)用
電流感應(yīng)重要的目標(biāo)之一是電池管理系統(tǒng)(BMS)。電池對過度充電很敏感，而 800 V 快速高壓充電的趨勢使得這種測量變得更加重要。通過監(jiān)測電流信息，BMS 可以準(zhǔn)確感測電池估計值、檢測和診斷故障，并確保安全完成充電。
在電動汽車電機控制單元中，電流水平變化提供的反饋可以準(zhǔn)確地確定實時功率和扭矩，為算法提供所需的信息，以確定何時切換為電機提供能量的功率晶體管。由于電機和相關(guān)功率晶體管將在 400 V 甚至更高的電壓下運行以利用效率增益，因此必須保護傳輸?shù)娇刂破鞯碾娏鱾鞲衅餍盘柮馐芾擞亢图夥宓挠绊憽?/p>
圖 1. 典型電動汽車中的功率因數(shù)校正車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊（NEV WP - 圖 23）。圖片由 Bodo’s Power Systems提供 [PDF]
電流傳感器在車載充電器 (OBC) 和相關(guān)功率因數(shù)校正 (PFC) 電路中起著至關(guān)重要的作用，可確保電動汽車符合將高壓、大電流負載連接到公共電源的規(guī)定。在 OBC 中，通常需要傳感器來測量交流輸入端以及轉(zhuǎn)換電路和輸出端的電流，以確認充電器正確地將交流電輸送到系統(tǒng)的其余部分，并且以正確的電平向電池組提供直流電。為了確保管理這些系統(tǒng)的微控制器的安全運行，需要隔離高壓子系統(tǒng)中的電流傳感器。
交流和直流選項
除了考慮精度和隔離等屬性外，確定使用哪種電流傳感器技術(shù)的另一個重要因素是電路是使用交流還是直流操作。雖然電池的輸入和輸出將基于直流，但電機控制器、電動空調(diào)和類似系統(tǒng)通常采用交流操作。
對于直流電，可以使用分流式電流傳感器，這種傳感器使用高電阻元件從流經(jīng)它們的電流中產(chǎn)生電壓信號。 這些 傳感器可以提供高精度和強大的電磁干擾保護。然而，它們的輸出需要外部隔離，因為盡管它們的電阻很高，但它們?yōu)殡娏鲝母邏鹤酉到y(tǒng)到控制電子設(shè)備提供了一條直接路徑。
雖然磁阻傳感器現(xiàn)在開始出現(xiàn)，采用的技術(shù)與磁存儲器和硬盤驅(qū)動器磁頭類似，但交流或直流電路中使用的傳感器的技術(shù)是霍爾效應(yīng)。傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)傳感器模塊將磁芯纏繞在接口導(dǎo)體上。該磁芯圍繞導(dǎo)體，只留出一小段氣隙，霍爾傳感器元件就位于其中。
圖 2. 不同類型的電流傳感器（來源：NEV WP - 圖 43）。圖片由Bodo’s Power Systems提供 [PDF]
電流通過磁芯會產(chǎn)生磁場，進而產(chǎn)生電場。該電場由放置在氣隙中的霍爾元件檢測，從而產(chǎn)生與磁場強度成比例的輸出電壓。該電壓信號與流過初級導(dǎo)體的電流呈線性關(guān)系。盡管霍爾效應(yīng)模塊與初級導(dǎo)體隔離，這種設(shè)計在配電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但它的缺點是尺寸相對較大。然而，這種設(shè)計可以安全測量高達 2000 A 的電流。
集成霍爾效應(yīng)傳感器
利用霍爾效應(yīng)的集成電路電流傳感器具有體積更小、更易于在 PCB 上部署的優(yōu)點。這種類型的霍爾傳感器不使用單獨的磁芯。相反，電流測量是通過感測流經(jīng)芯片封裝的初級導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場來進行的。
由于集成設(shè)備的尺寸較小，且封裝受限，集成意味著可測量的電流水平低于基于模塊的傳感器。造成這一較低限制的主要原因是傳感器的導(dǎo)電路徑可能對電流施加阻力，從而導(dǎo)致自熱。不過，制造商已成功限制了這種影響。
集成霍爾效應(yīng)電流傳感器通常適用于車載充電系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和某些電機中使用的交流/直流轉(zhuǎn)換器和逆變器。雖然它們的整體隔離性能與模塊不同，但由于導(dǎo)體和傳感元件之間存在絕緣屏障，因此集成霍爾效應(yīng)電流傳感器將滿足高隔離要求。
直接感應(yīng)的一個潛在問題是，強外部磁場會使信號失真，這在靠近電動機的復(fù)雜磁環(huán)境中可能會造成問題。解決此問題的一種方法是采用兩個差分霍爾效應(yīng)元件。這種放置方式可消除任何共模磁場的影響。
圖 3. 框圖顯示了 NSM201x 系列中差分霍爾效應(yīng)傳感的使用情況（來源：NEV WP - 圖 44）。圖片由 Bodo’s Power Systems提供 [PDF]
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