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霍爾電流傳感器作為動力電池包

發布日期:2020/1/15 12:51:50 點擊:6091

霍爾電流傳感器作為動力電池包,作為電動汽車上具備獨立功能的電氣單元,需要具備完善的控制和保護功能,并且需要周期性的向整車控制器匯報自身工作狀況,電流電壓等基本電路參數的測量必不可少。具體到電流的測量,主要采集回路總電流。而電池包電路系統末梢的每一只電芯,目前還做不到精確掌握其實時工作電流。電流測量的常用傳感器,一種是分流器,另一種就是霍爾電流傳感器?;魻栯娏鱾鞲衅鲗儆谝揽侩姶盘匦詸z測電流的一種傳感器。

1 磁電流傳感器分類和工作原理

電流傳感器的種類很多,按照測試原理可以劃分為:羅氏(Rogowski)線圈、電流互感器、分流器、巨磁阻效應(GMR)、巨磁阻抗(GMI)各向異性(AMR)、隧道效應(TMR)、光學效應、霍爾效應等等。

Rogowski 線圈測量電流的基本原理是電磁感應和安培環路定律,又叫電流測量線圈或者微分電流傳感器,如下圖所示。根據線圈上的感應電流信號與通過線圈的額電流變化率成正比的顧慮,通過積分還原一次回路電流值。這是一種交流電流的測量方法。

Rogowski 線圈不含磁性材料,所以沒有磁滯效應和磁飽和現象,測量的范圍從數安培到幾千安培,結構簡單,測量回路與被測電流之間沒有直接的關系,具有測量范圍廣、精度高、穩定性高、響應頻率范圍寬等優點,可以用來測量交流、直流和瞬態電流,用在繼電保護、可控硅整流、變頻調速等場合。

電流互感器是用來測量、保護、監控用電設備的重要器件,廣泛應用于電力系統中,電流互感器的可靠性與整個系統的安全運行非常緊密。

電流互感器的基本原理圖如下圖所示。通過設計原邊與副邊的繞組匝數關系,用副邊的感應電流值的大小去反應原邊電流值的大小。由于電流互感器的特性,二次負載阻抗很小,接近于零,所以,對外部電路的要求較低。這是一種常見的交流測量方式。準確度高、工藝成熟、制造方便,能滿足一般測量要求。

分流器測量電流的基本原理是歐姆定律,是通過被測電流電路中串聯電阻兩端的電壓來測量直流電流。

它的結構簡單,使用方便,在低頻小電流測量中,具有非常高的精度和快的響應時間,在大電流測量中,會有很大的誤差。因為分流器的材料一般是銅的合金,為了測量準確,導體電阻不宜過小,但大電流會產生大量歐姆熱;如果減小導體電阻,又勢必增加分流器的尺寸,降低精度,提高生產的成本。一般分流器更適合于偏小的電流測量,其實物圖如下圖所示。

各向異性磁電阻(簡稱 AMR)電流傳感器,敏感元件的材料是坡莫合金。鐵磁材料具備一種特別的屬性,鐵磁材料的電阻率隨自身磁化強度和電流方向夾角的改變而變化。外部磁場施加到鐵磁性材料上,鐵磁材料的長度方向上施加一個垂直于磁場的電流,鐵磁材料自身阻值的變化,可以轉化為元件端電壓的變化。如下圖所示。各向異性磁電阻,靈敏度高,對平行磁場的響應迅速,主要應用在伺服系統、變速傳動裝置、過載電流保護等領域。

AMR 磁阻電流傳感器工作原理

巨磁電阻效應(GMR),與 AMR 效應相比, GMR 效應具有更大的磁電阻變化率。磁性材料的電阻率在有外磁場作用時,較之無外磁場作用時存在巨大變化。這種現象在坡莫合金和鐵磁性材料中非常明顯。這種電流檢測手段,單從理論上描述,情形與前面的“各向異性磁電阻”非常近似,但其具體結構形式相差很大。巨磁阻元件對微弱磁場的敏感性更高,可以精確的測量直流和交流電流,具有尺寸小、寬響應頻率、無殘余磁場等優點,但是工藝相對復雜,成本也較高。主要用于高精度小電流的測量。

光纖電流傳感器,是基于法拉第效應來檢測電流大小的傳感器。通過測量光波在通過磁光材料時,其偏振面由于電流產生磁場的作用,產生旋轉角度的大小,來確定電流的大小。光纖電流傳感器,體積小、質量輕、測量帶寬、準確度高、無飽和現象、抗電磁能力強等優點,廣泛應用于電力系統中電流的測量。

2 霍爾傳感器分類和原理

閉環霍爾電流傳感器性能要優于開環霍爾電流傳感器,可以測量任意波形的電流、主副線圈間絕對電氣隔離、電氣測量范圍寬、響應時間短,在交直流測量中均可應用。

2.1 霍爾效應

霍爾效應指的是,有小電流通過的一個半導體薄片置于磁場中,受到磁場作用影響電流發生偏轉,在控制電流的垂直方向上的半導體兩側形成了電壓差,該電勢差就是霍爾電壓?;魻栯妷旱拇笮?,與磁場強度和半導體內通過的控制電流成正比。

根據霍爾電壓與磁場強度的正比例關系,設計裝置,提供恒定的控制電流,那么霍爾電流的大小就只收到磁場強度一個因素的影響,進而霍爾電壓的變化可以反應磁場強度的變化。而磁場是由相應電流產生的,與電流具有明確的聯動關系。這就是利用霍爾元件測量電流強度的基本原理。

2.2 霍爾電流傳感器的實際應用類型

1)直檢式霍爾電流傳感器又叫開環式霍爾電流傳感器、直放式霍爾電流傳感器

當在一根長導線中通以電流時,在導線的周圍會有磁場產生,該磁場的大小與通過導線的電流成正比。利用薄半導體片的霍爾效應,測量霍爾器件感應生成的電壓信號,經過放大器放大霍爾電壓后,可以直接測量霍爾電壓。直檢式霍爾電流傳感器的優點是電路簡單、成本較低、能量效率高、檢測范圍廣及電耗低等;缺點是精度、線性度較差、響應速度較慢、且溫漂較大。

2)磁平衡式霍爾電流傳感器,又叫閉環霍爾電流傳感器、零磁通霍爾電流傳感器、零磁通互感器

磁平衡式霍爾電流傳感器是依據磁場平衡原理工作的。原邊電流 在聚磁環處所產生的磁場,使得霍爾元件上產生電壓偏差;電壓信號傳遞給放大器后,經過放大的電流信號輸送給次級線圈(下圖中紅色繞組),在次級線圈上感應出的電流所產生的磁場,方向與原邊磁場相反。經過反復調整放大器輸出電壓, 原邊產生的磁場與次級線圈產生的磁場在氣隙處互相抵消,從而使得半導體薄片處于零磁通的環境中。達到這種平衡狀態以后,檢測放大器輸出電流,推算得到原邊回路電流值。 磁平衡式霍爾電流傳感器的優點是精度高、響應時間快、溫漂小、線性度好及抗干擾能力強。缺點是測量范圍較固定,成本、能耗較高。

2.3 開環霍爾與閉環霍爾的對比

1)帶寬不同,氣隙處的磁場始終在零磁通附近變化,由于磁場變化幅度非常小,變化幅度小,變化的頻率可以更快,因此,閉環式霍爾電流傳感器具有很快的響應時間。實際的閉環式霍爾電流傳感器帶寬通??梢赃_到100kHz以上。而開環式霍爾電流傳感器的帶寬通常較窄,帶寬在3kHz左右。

2)精度不同,開環式霍爾電流傳感器副邊輸出與磁芯氣隙處的磁感應強度成正比,而磁芯由高導磁材料制作而成,非線性和磁滯效應是所有高導磁材料的固有特點,因此,開環式霍爾電流傳感器一般線性度角差,且原邊信號在上升和下降過程中副邊輸出會有不同。開環式霍爾電流傳感器精度通常劣于1%。閉環式霍爾電流傳感器由于工作在零磁通狀態,磁芯的非線性及磁滯效應不對輸出造成影響,可以獲得較好的線性度和較高的精度。閉環式霍爾電流傳感器精度一般可達0.2%。

3)開環霍爾和閉環霍爾都存在磁飽和問題,開環問題表現比較直接,當原邊電流過大時,磁場強度超過了磁化曲線的正常工作范圍,就會發生磁飽和;閉環霍爾在零磁場下工作,但遇到非正常情況也會出現磁飽和,簡單說當副邊線圈未供電或者原邊電流過大時,磁飽和會發生。

3 霍爾電流檢測在電動汽車上的具體實現形式

以一個文獻上介紹的方案為例,大體說明霍爾電流傳感器在電動汽車上的工作過程。

一個霍爾電流監測系統主要包括:霍爾傳感器,電流采集處理電路,CAN接口電路,MCU最小系統電路組成硬件部分;通訊協議部分包括:發送協議和動態標定協議;軟件包括上位機動態標定和監控程序設計; 下位機動態標定、數據采集、發送程序設計。

硬件電路,一方面將12V輸入電源轉化成穩定的8V電源作為霍爾檢測信號的輸入電源;霍爾元件在電池包主回路電流形成磁場的作用下,形成霍爾電壓,輸出到采集電路,由于電壓值比較小,需要放大電路放大以后,將電壓信號輸送給單片機輸入端口。經過單片機運算處理,得到電流測量值;通過CAN總線模塊,將電流采樣結果發送給電池管理系統。

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