【導(dǎo)讀】隔離電流傳感器技術(shù)對(duì)于汽車設(shè)計(jì)越來越重要。電流傳感已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)的重要組成部分，從簡單的基于電阻的測(cè)量到為分析燃油噴射系統(tǒng)行為而開發(fā)的更先進(jìn)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(duì)于汽車設(shè)計(jì)越來越重要。電流傳感已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)的重要組成部分，從簡單的基于電阻的測(cè)量到為分析燃油噴射系統(tǒng)行為而開發(fā)的更先進(jìn)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(dòng)汽車發(fā)展而來的一項(xiàng)重大設(shè)計(jì)變化是準(zhǔn)確檢測(cè)高壓子系統(tǒng)中的電流并保護(hù)解釋和處理這些信號(hào)的先進(jìn)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(cè)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(duì)過度充電很敏感，而 800 V 快速高壓充電的趨勢(shì)使得這種測(cè)量變得更加重要。通過監(jiān)測(cè)電流信息，BMS 可以準(zhǔn)確感測(cè)電池估計(jì)值、檢測(cè)和診斷故障，并確保安全完成充電。
在電動(dòng)汽車電機(jī)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(shí)時(shí)功率和扭矩，為算法提供所需的信息，以確定何時(shí)切換為電機(jī)提供能量的功率晶體管。由于電機(jī)和相關(guān)功率晶體管將在 400 V 甚至更高的電壓下運(yùn)行以利用效率增益，因此必須保護(hù)傳輸?shù)娇刂破鞯碾娏鱾鞲衅餍盘?hào)免受浪涌和尖峰的影響。
圖 1. 典型電動(dòng)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(dòng)汽車符合將高壓、大電流負(fù)載連接到公共電源的規(guī)定。在 OBC 中，通常需要傳感器來測(cè)量交流輸入端以及轉(zhuǎn)換電路和輸出端的電流，以確認(rèn)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(yùn)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(xiàng)
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(gè)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(jī)控制器、電動(dòng)空調(diào)和類似系統(tǒng)通常采用交流操作。
對(duì)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(hào)。 這些 傳感器可以提供高精度和強(qiáng)大的電磁干擾保護(hù)。然而，它們的輸出需要外部隔離，因?yàn)楸M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(chǔ)器和硬盤驅(qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生電場(chǎng)。該電場(chǎng)由放置在氣隙中的霍爾元件檢測(cè)，從而產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例的輸出電壓。該電壓信號(hào)與流過初級(jí)導(dǎo)體的電流呈線性關(guān)系。盡管霍爾效應(yīng)模塊與初級(jí)導(dǎo)體隔離，這種設(shè)計(jì)在配電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，但它的缺點(diǎn)是尺寸相對(duì)較大。然而，這種設(shè)計(jì)可以安全測(cè)量高達(dá) 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(diǎn)。這種類型的霍爾傳感器不使用單獨(dú)的磁芯。相反，電流測(cè)量是通過感測(cè)流經(jīng)芯片封裝的初級(jí)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來進(jìn)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(cè)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(duì)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(jī)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(gè)潛在問題是，強(qiáng)外部磁場(chǎng)會(huì)使信號(hào)失真，這在靠近電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜磁環(huán)境中可能會(huì)造成問題。解決此問題的一種方法是采用兩個(gè)差分霍爾效應(yīng)元件。這種放置方式可消除任何共模磁場(chǎng)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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