准确的电流信息对于改善电动汽车在许多领域的性能至关重要

作者：Bruno Boury，感觉驱动产品线经理，Melexis

汽车制造商需要提高其电动汽车（EV）的性能和能力，以区分和吸引买家从传统汽车转向电动汽车。可靠性、扩展的行驶里程和安全快速充电是重要的购买标准，可通过动力传动系统关键区域的精确电流传感来提高。
 
 
汽车中的精确电流传感
现代车辆的主要子系统，如转向、制动、润滑和冷却液泵，已变成电子控制。这一趋势带来了许多改进，包括重量减轻、燃油经济性、经济性、性能和安全性。现在，电池电动汽车和燃料电池汽车正在最终实现电气化，用电动机和电池系统取代内燃机和燃料系统。
 
 

图1：集中器气隙中的常规霍尔传感器
 
流经电源、转换器和电机绕组的电流的准确数据对于保持控制至关重要。电流监测对于故障检测和诊断也至关重要，以指示短路、断开连接或电机堵塞等缺陷。在电池管理系统（BMS）中，电流感应对于状态监测和电池平衡至关重要，以确保可靠性和安全性，而车载充电器（OBC）需要精确的实时电流测量来评估电池充电状态并控制充电会话。
 
在整个车辆基础设施中，需要对各种导体、大型电缆和母线进行电流监控，这些导体、电缆和母线的电流范围从数十安培到数百安培，再到较窄的导线和PCB轨道的电流仅为几安培或更少。虽然所需的精度取决于应用，但几乎总是需要快速响应，特别是对于实时控制。此外，在当今的车辆中，空间通常是昂贵的，因此大型和笨重的传感解决方案是不可行的。此外，汽车市场存在持续的成本压力，汽车制造商也面临着提供负担得起的电动汽车的压力。因此，廉价的材料清单和在生产线上简单快速的组装也是关键要求。
 
带分流器的电流感应
串联插入分流电阻器是测量电流的一种方法。在电池和负载之间的高压侧电路中设置一个低且精确已知的电阻值。或者，它可以插入低侧，其中电阻器的一端连接到负载，另一端连接到地。
 
测量分流电阻器（R_Shun）两端的电压降可以根据欧姆定律轻松计算流经分流电阻器的电流（I）：
 
V2 - V1 = R_Shunt x I
 
这两个电压被馈入差分放大器，然后通常被馈入A/D转换器。转换器的输出提供了电流指示，该指示可用于应用软件。
 
该方法易于实现，适用于测量AC和DC电流。分流测量的强度是其线性度和对杂散磁场的固有抗扰度。另一方面，它们仍然需要对温度变化进行补偿。在较高的电流下，需要较小的分流电阻来管理散热。此外，如果需要电流隔离，则需要额外的部件来实现。
 
霍尔效应电流传感器
霍尔效应电流传感是一种替代方法，利用了通过电流在导体周围产生磁场的事实。在没有铁磁集中器的情况下，场强（H）的大小与电流（I）成比例，并随着与导体的距离（r）的增加而减小，如下所示：
 
H = I/(2πr)
 
知道磁场强度与磁通量通过以下等式相关：
 
B = μ0 x μr x H
 
因此：
 
B = μ0 x μr x I/(2πr)
 
其中μ0（自由空间的渗透率）=（4π x 10^-7），μr是相对渗透率（两个无量纲常数）
 
霍尔传感器响应磁通量并产生成比例的输出电压。
霍尔效应传感与分流电阻传感相比有几个优点。虽然存在可忽略的电压降或功率损失，但电流隔离是隐含的。与电流分流器一样，霍尔效应传感可用于AC和DC测量。
 
传统霍尔电流传感器
这些电流传感器对垂直于芯片表面的磁场敏感。它们旨在与铁磁芯结合使用。在典型应用中，磁芯缠绕在载流导体周围，并将磁通集中在传感器插入的小气隙（通常为2-5mm）中。

• 隔离电流高达2000A
• 信号集中磁芯
• 高杂散场抗扰度
• 抗机械游隙（mechanical play）

 
除气隙长度外，磁芯材料、尺寸和几何形状都会影响效率，在选择或设计合适的部件时必须考虑这些因素。幸运的是，现在有了一种更简单的方法。Melexis提供了一个传统的霍尔磁芯开发套件，其中包含各种传感器和具有不同气隙尺寸的磁芯，用户可以将这些传感器和磁芯组合起来，以实现其所需的电流感应范围。
 

图2：带有IMC（黄色圆盘）的霍尔传感器，堆叠在载流母线和屏蔽上
 
IMC-Hall电流传感器
由于获得专利的集成磁集中器（IMC）技术，IMC-Hall传感器对平行于芯片表面的磁场敏感。因此，传感器可以直接测量在封装下方的母线或PCB迹线中流动的电流，而不需要磁芯。

• 隔离电流高达2000A
• 屏蔽和内部磁集中器（IMC）
• 易于组装和垂直堆叠
• 抗机械游隙

 
Melexis提供了一个IMC Hall传感开发套件，包括各种传感器的电路板和一系列铁磁屏蔽，以便于部件选择和评估。
 

图3：隔离集成电流传感器
 
集成一次电流传感器
与大多数电流传感器不同，集成初级电流传感器不依赖铁磁集中器。相反，它使用内部差分传感概念来检测集成初级导体产生的磁场。这种差分概念还提供了高水平的杂散磁场抗扰度，实现了更高密度的功率电子器件，因为传感器受附近杂散磁场的影响较小。
 

• 内部导体高达50A
• 无磁滞
• 无需客户校准
• 高达4.8kV隔离

 
结论
汽车电气化的快速发展增加了对精确电流传感的需求，以管理传统和混合动力/电动车辆中的主要子系统。霍尔效应电流传感器提供了灵活性和易用性，并消除了与使用分流器的电流传感相关的压降和功耗问题。
 
有多种霍尔传感器可供选择，包括与磁集中器一起使用的传统设备、需要更简单的磁屏蔽并允许表面安装组件的IMC传感器以及简化系统设计的集成初级电流传感器。传感器内信号处理减轻了电路设计和布局挑战，并有助于最大限度地减少总体占地面积和材料清单，这是汽车制造商的重要考虑因素。
 
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