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霍尔电流传感器作为动力电池包

发布日期:2020/1/15 12:51:50 点击:6244

霍尔电流传感器作为动力电池包,作为电动汽车上具备独立功能的电气单元,需要具备完善的控制和保护功能,并且需要周期性的向整车控制器汇报自身工作状况,电流电压等基本电路参数的测量必不可少。具体到电流的测量,主要采集回路总电流。而电池包电路系统末梢的每一只电芯,目前还做不到精确掌握其实时工作电流。电流测量的常用传感器,一种是分流器,另一种就是霍尔电流传感器。霍尔电流传感器属于依靠电磁特性检测电流的一种传感器。

1 磁电流传感器分类和工作原理

电流传感器的种类很多,按照测试原理可以划分为:罗氏(Rogowski)线圈、电流互感器、分流器、巨磁阻效应(GMR)、巨磁阻抗(GMI)各向异性(AMR)、隧道效应(TMR)、光学效应、霍尔效应等等。

Rogowski 线圈测量电流的基本原理是电磁感应和安培环路定律,又叫电流测量线圈或者微分电流传感器,如下图所示。根据线圈上的感应电流信号与通过线圈的额电流变化率成正比的顾虑,通过积分还原一次回路电流值。这是一种交流电流的测量方法。

Rogowski 线圈不含磁性材料,所以没有磁滞效应和磁饱和现象,测量的范围从数安培到几千安培,结构简单,测量回路与被测电流之间没有直接的关系,具有测量范围广、精度高、稳定性高、响应频率范围宽等优点,可以用来测量交流、直流和瞬态电流,用在继电保护、可控硅整流、变频调速等场合。

电流互感器是用来测量、保护、监控用电设备的重要器件,广泛应用于电力系统中,电流互感器的可靠性与整个系统的安全运行非常紧密。

电流互感器的基本原理图如下图所示。通过设计原边与副边的绕组匝数关系,用副边的感应电流值的大小去反应原边电流值的大小。由于电流互感器的特性,二次负载阻抗很小,接近于零,所以,对外部电路的要求较低。这是一种常见的交流测量方式。准确度高、工艺成熟、制造方便,能满足一般测量要求。

分流器测量电流的基本原理是欧姆定律,是通过被测电流电路中串联电阻两端的电压来测量直流电流。

它的结构简单,使用方便,在低频小电流测量中,具有非常高的精度和快的响应时间,在大电流测量中,会有很大的误差。因为分流器的材料一般是铜的合金,为了测量准确,导体电阻不宜过小,但大电流会产生大量欧姆热;如果减小导体电阻,又势必增加分流器的尺寸,降低精度,提高生产的成本。一般分流器更适合于偏小的电流测量,其实物图如下图所示。

各向异性磁电阻(简称 AMR)电流传感器,敏感元件的材料是坡莫合金。铁磁材料具备一种特别的属性,铁磁材料的电阻率随自身磁化强度和电流方向夹角的改变而变化。外部磁场施加到铁磁性材料上,铁磁材料的长度方向上施加一个垂直于磁场的电流,铁磁材料自身阻值的变化,可以转化为元件端电压的变化。如下图所示。各向异性磁电阻,灵敏度高,对平行磁场的响应迅速,主要应用在伺服系统、变速传动装置、过载电流保护等领域。

AMR 磁阻电流传感器工作原理

巨磁电阻效应(GMR),与 AMR 效应相比, GMR 效应具有更大的磁电阻变化率。磁性材料的电阻率在有外磁场作用时,较之无外磁场作用时存在巨大变化。这种现象在坡莫合金和铁磁性材料中非常明显。这种电流检测手段,单从理论上描述,情形与前面的“各向异性磁电阻”非常近似,但其具体结构形式相差很大。巨磁阻元件对微弱磁场的敏感性更高,可以精确的测量直流和交流电流,具有尺寸小、宽响应频率、无残余磁场等优点,但是工艺相对复杂,成本也较高。主要用于高精度小电流的测量。

光纤电流传感器,是基于法拉第效应来检测电流大小的传感器。通过测量光波在通过磁光材料时,其偏振面由于电流产生磁场的作用,产生旋转角度的大小,来确定电流的大小。光纤电流传感器,体积小、质量轻、测量带宽、准确度高、无饱和现象、抗电磁能力强等优点,广泛应用于电力系统中电流的测量。

2 霍尔传感器分类和原理

闭环霍尔电流传感器性能要优于开环霍尔电流传感器,可以测量任意波形的电流、主副线圈间绝对电气隔离、电气测量范围宽、响应时间短,在交直流测量中均可应用。

2.1 霍尔效应

霍尔效应指的是,有小电流通过的一个半导体薄片置于磁场中,受到磁场作用影响电流发生偏转,在控制电流的垂直方向上的半导体两侧形成了电压差,该电势差就是霍尔电压。霍尔电压的大小,与磁场强度和半导体内通过的控制电流成正比。

根据霍尔电压与磁场强度的正比例关系,设计装置,提供恒定的控制电流,那么霍尔电流的大小就只收到磁场强度一个因素的影响,进而霍尔电压的变化可以反应磁场强度的变化。而磁场是由相应电流产生的,与电流具有明确的联动关系。这就是利用霍尔元件测量电流强度的基本原理。

2.2 霍尔电流传感器的实际应用类型

1)直检式霍尔电流传感器又叫开环式霍尔电流传感器、直放式霍尔电流传感器

当在一根长导线中通以电流时,在导线的周围会有磁场产生,该磁场的大小与通过导线的电流成正比。利用薄半导体片的霍尔效应,测量霍尔器件感应生成的电压信号,经过放大器放大霍尔电压后,可以直接测量霍尔电压。直检式霍尔电流传感器的优点是电路简单、成本较低、能量效率高、检测范围广及电耗低等;缺点是精度、线性度较差、响应速度较慢、且温漂较大。

2)磁平衡式霍尔电流传感器,又叫闭环霍尔电流传感器、零磁通霍尔电流传感器、零磁通互感器

磁平衡式霍尔电流传感器是依据磁场平衡原理工作的。原边电流 在聚磁环处所产生的磁场,使得霍尔元件上产生电压偏差;电压信号传递给放大器后,经过放大的电流信号输送给次级线圈(下图中红色绕组),在次级线圈上感应出的电流所产生的磁场,方向与原边磁场相反。经过反复调整放大器输出电压, 原边产生的磁场与次级线圈产生的磁场在气隙处互相抵消,从而使得半导体薄片处于零磁通的环境中。达到这种平衡状态以后,检测放大器输出电流,推算得到原边回路电流值。 磁平衡式霍尔电流传感器的优点是精度高、响应时间快、温漂小、线性度好及抗干扰能力强。缺点是测量范围较固定,成本、能耗较高。

2.3 开环霍尔与闭环霍尔的对比

1)带宽不同,气隙处的磁场始终在零磁通附近变化,由于磁场变化幅度非常小,变化幅度小,变化的频率可以更快,因此,闭环式霍尔电流传感器具有很快的响应时间。实际的闭环式霍尔电流传感器带宽通常可以达到100kHz以上。而开环式霍尔电流传感器的带宽通常较窄,带宽在3kHz左右。

2)精度不同,开环式霍尔电流传感器副边输出与磁芯气隙处的磁感应强度成正比,而磁芯由高导磁材料制作而成,非线性和磁滞效应是所有高导磁材料的固有特点,因此,开环式霍尔电流传感器一般线性度角差,且原边信号在上升和下降过程中副边输出会有不同。开环式霍尔电流传感器精度通常劣于1%。闭环式霍尔电流传感器由于工作在零磁通状态,磁芯的非线性及磁滞效应不对输出造成影响,可以获得较好的线性度和较高的精度。闭环式霍尔电流传感器精度一般可达0.2%。

3)开环霍尔和闭环霍尔都存在磁饱和问题,开环问题表现比较直接,当原边电流过大时,磁场强度超过了磁化曲线的正常工作范围,就会发生磁饱和;闭环霍尔在零磁场下工作,但遇到非正常情况也会出现磁饱和,简单说当副边线圈未供电或者原边电流过大时,磁饱和会发生。

3 霍尔电流检测在电动汽车上的具体实现形式

以一个文献上介绍的方案为例,大体说明霍尔电流传感器在电动汽车上的工作过程。

一个霍尔电流监测系统主要包括:霍尔传感器,电流采集处理电路,CAN接口电路,MCU最小系统电路组成硬件部分;通讯协议部分包括:发送协议和动态标定协议;软件包括上位机动态标定和监控程序设计; 下位机动态标定、数据采集、发送程序设计。

硬件电路,一方面将12V输入电源转化成稳定的8V电源作为霍尔检测信号的输入电源;霍尔元件在电池包主回路电流形成磁场的作用下,形成霍尔电压,输出到采集电路,由于电压值比较小,需要放大电路放大以后,将电压信号输送给单片机输入端口。经过单片机运算处理,得到电流测量值;通过CAN总线模块,将电流采样结果发送给电池管理系统。

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