大直流電流的測(cè)量

在許多系統(tǒng)中，為了確保性能和安全，需要測(cè)量較大的直流電流。兩個(gè)例子是靜態(tài)勵(lì)磁和軌道牽引動(dòng)力。這些電流的測(cè)量通常采用兩種主要原理之一：配有mV級(jí)變送器的分流器電阻或霍爾效應(yīng)傳感器來反饋。

兩種傳感器的原理已存在了幾十年。因此，利用這兩種原理的傳感器已在商業(yè)上通過了時(shí)間的考驗(yàn)。然而，每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，主要與所應(yīng)用的物理原理關(guān)聯(lián)。如果傳感器的缺點(diǎn)本質(zhì)上與其物理屬性有關(guān)，那么無論經(jīng)歷多少次迭代或設(shè)計(jì)更改，都很難或不可能克服這個(gè)問題。

如果測(cè)量的精度特別重要，分流器電阻的設(shè)計(jì)有其相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。即使有書面的的精度規(guī)格說明，因?yàn)猷徑鼘?dǎo)體的磁場(chǎng)影響和傳感器位置本身，使得非接觸式霍爾傳感器的總測(cè)量誤差幾乎不可能去評(píng)估。

然而，如果安裝尺寸的最小化是必要的，那么霍爾效應(yīng)傳感器，其總體布局較小，是可以考慮的。這是由于分流器測(cè)量是需要兩塊元器件的系統(tǒng)，分流電阻，它的占地面積正比于與被測(cè)量的電流大小，配以相應(yīng)的mV級(jí)變送器。

如果電流測(cè)量的精度是最重要的，那么帶相應(yīng)mV級(jí)變送器的分流電阻方案應(yīng)該是最好的選擇。由于溫度、傳感器和布線的位置、輔助電源的穩(wěn)定性和耦合性，以及之后可能出現(xiàn)的大電流等各種外部因素的影響，霍爾效應(yīng)傳感器的初始和持續(xù)精度很難評(píng)估。

如果應(yīng)用中的其他考慮因素超過了使用分流器和mV級(jí)變送器所帶來的精度優(yōu)勢(shì)，那么霍爾效應(yīng)傳感器可以進(jìn)一步考慮。這可能包括，比如在空間有限的情況下安裝一個(gè)分流器，一旦將分流器安裝在其中，由于功率耗散，環(huán)境空間溫度可能上升。

然而，安裝的難易程度，以及下游設(shè)備維護(hù)的便利性也應(yīng)該成為決策的一部分。在這里，由于和標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)的兼容性，以及初始安裝和潛在更換的便利，分流器加上mV級(jí)變送器進(jìn)一步顯示了其優(yōu)勢(shì)。

下表進(jìn)一步比較了這兩種技術(shù)，并相應(yīng)地用綠色背景突出了每種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

電流測(cè)量

分流器電阻+mV級(jí)變送器

霍爾效應(yīng)傳感器（閉環(huán)）

測(cè)量原理

直接測(cè)量實(shí)際電流，正比于分流器電阻上的電壓降，根據(jù)歐姆原理：U=R x I，帶電氣隔離的mV級(jí)變送器將分流器電壓輸出（如，0-50mV）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)同比例的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如，4-20mA0-10V），從而控制系統(tǒng)可以輕松讀取。

非直接測(cè)量，由電流流過的導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)?；魻杺鞲衅魑挥诶p繞導(dǎo)線的環(huán)形磁芯鐵氧體內(nèi)的空氣間隙中。通常，“閉環(huán)”傳感器被使用，通過繞著環(huán)形磁芯的線圈的電流用于將空氣間隙中的磁場(chǎng)補(bǔ)償為零，而這個(gè)二次側(cè)電流正比于磁場(chǎng)。

溫度帶來的精度影響

影響效果低。分流器電阻溫度溫度系數(shù)(TC)接近零(10 ppm/K)mV級(jí)變送器溫度系統(tǒng)(TC)低，低于50 ppm/K

高，由于環(huán)形磁芯的熱膨脹影響空氣間隙，直接影響空氣間隙中的磁場(chǎng)。

故障大電流（遠(yuǎn)大于額定電流）帶來的精度影響

耐受大電流，不影響精度

耐受大電流，但因?yàn)榇判臼４?，在故障大電流通過后，會(huì)有相應(yīng)的零漂。

電氣系統(tǒng)中傳感器位置帶來的精度影響

沒有影響

影響大。通常，相鄰導(dǎo)體的磁場(chǎng)疊加在被測(cè)導(dǎo)體中流過電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)上。

傳感器位置對(duì)應(yīng)于導(dǎo)體位置帶來的精度影響

不相關(guān)，沒有影響

空間間隙的方向和導(dǎo)體之于傳感器開孔的位置對(duì)測(cè)量有影響→能造成較大的測(cè)量誤差。

輔助電源穩(wěn)定性帶來的精度影響

對(duì)現(xiàn)代mV級(jí)電子變送器無影響。

相當(dāng)大的影響外部電源須穩(wěn)定（經(jīng)常會(huì)是雙極）

信號(hào)和輔助電源的（去耦）耦合帶來的精度影響

mV級(jí)變送器通常提供端隔離。輔助電源和輸出信號(hào)間電氣隔離。接地環(huán)路或其它環(huán)路信號(hào)不影響測(cè)量。

霍爾傳感器中的輔助電源電氣耦合到輸出信號(hào)。這可能或不可能通過接地環(huán)路或其他環(huán)路信號(hào)造成測(cè)量誤差。

傳輸速率，截止頻率

中速，對(duì)于所有DC和一些AC測(cè)量已足夠

高速，對(duì)于所有DC和多數(shù)AC測(cè)量已足夠

輸出信號(hào)兼容性

很好通用。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)典型值，可以被任何控制系統(tǒng)輕松讀取。

二次側(cè)輸出電流取決于一次側(cè)電流水平?？刂葡到y(tǒng)必須特別設(shè)計(jì)或調(diào)整。（如，±150mA 信號(hào)）

隔離：耐受電壓

高，通過現(xiàn)代mV級(jí)電子變送器

高，通過無接觸電流測(cè)量的物理原理

功耗

通常50mV的分流器被使用。1000A的電流將會(huì)在分流器上產(chǎn)生50W的功耗。在KWMW級(jí)的系統(tǒng)中，這是無關(guān)緊要的。如果分流器安裝在較小的柜子內(nèi)，這可能會(huì)是問題。

低功耗需要用于一次側(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的測(cè)量

安裝和更換步驟

分流器電阻成為母排裝置的一部分，由螺絲固定在母排兩端的間隙中。分流器電阻的位置沒有限制。

環(huán)形霍爾傳感器安裝在穿過傳感器開孔的母排或電纜上。更換傳感器時(shí)，母排需要拆卸。傳感器的位置至關(guān)重要，因?yàn)槠滹@著影響測(cè)量。

電池包中的“Shunt”（分流器）是一種用于精確測(cè)量電池包電流的關(guān)鍵部件，以下是其核心信息：

Shunt本質(zhì)上是一個(gè)低阻值的精密電阻，通常由錳銅、鎳鉻等特殊合金材料制成。根據(jù)歐姆定律，當(dāng)電流通過Shunt時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生與電流成正比的微小電壓降。

通過測(cè)量這個(gè)電壓降，結(jié)合已知的Shunt電阻值，即可計(jì)算出電流大小。Shunt通常串聯(lián)在電池包的主正或主負(fù)回路中，常見于電池管理系統(tǒng)（BMS）的高壓盒（BDU/PDU）內(nèi)，直接測(cè)量電池包的總電流。

分流器越來越受到青睞，如下所示為常見的額一種分流器：

分流器的基本原理就是典型的歐姆定律：

分流式電流傳感器的工作原理完全基于歐姆定律

U=I*

其中：

1. U 是電阻兩端的電壓降（單位：V）

2. 是流經(jīng)電阻的電流（單位：A）

3. 是電阻的阻值（單位：Ω）

簡(jiǎn)單來說：它通過測(cè)量一個(gè)已知阻值的精密電阻（即“分流器”）上的微小電壓降，來計(jì)算出流過該電阻的電流值。

如何確定這個(gè)精密電阻呢。

通過一款實(shí)際的產(chǎn)品來進(jìn)行測(cè)試：

阻值非常小的精密電阻，通常為毫歐級(jí)（mΩ），例如 0.1mΩ、0.5mΩ、1mΩ 等。（電阻的標(biāo)準(zhǔn)值為0.1mΩ，實(shí)測(cè)存在偏差）

需要考慮溫度的影響，通常設(shè)置一個(gè)10K歐的電阻；插入損耗（壓降）和功耗：串聯(lián)在回路中在大電流下，功耗和發(fā)熱成為嚴(yán)重問題，因此需要有溫度傳感器作為監(jiān)控（電路板上有一個(gè)10KΩ的熱敏電阻）。

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