【導讀】隔離電流傳感器技術對于汽車設計越來越重要。電流傳感已經成為汽車設計的重要組成部分，從簡單的基于電阻的測量到為分析燃油噴射系統行為而開發的更先進的傳感器。隨著電氣化的發展，電流傳感器技術將發揮更重要的作用，適應這些新車輛的特定要求。
隔離電流傳感器技術對于汽車設計越來越重要。電流傳感已經成為汽車設計的重要組成部分，從簡單的基于電阻的測量到為分析燃油噴射系統行為而開發的更先進的傳感器。隨著電氣化的發展，電流傳感器技術將發揮更重要的作用，適應這些新車輛的特定要求。
伴隨電動汽車發展而來的一項重大設計變化是準確檢測高壓子系統中的電流并保護解釋和處理這些信號的先進控制器。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。
高壓電流檢測應用
電流感應重要的目標之一是電池管理系統(BMS)。電池對過度充電很敏感，而 800 V 快速高壓充電的趨勢使得這種測量變得更加重要。通過監測電流信息，BMS 可以準確感測電池估計值、檢測和診斷故障，并確保安全完成充電。
在電動汽車電機控制單元中，電流水平變化提供的反饋可以準確地確定實時功率和扭矩，為算法提供所需的信息，以確定何時切換為電機提供能量的功率晶體管。由于電機和相關功率晶體管將在 400 V 甚至更高的電壓下運行以利用效率增益，因此必須保護傳輸到控制器的電流傳感器信號免受浪涌和尖峰的影響。
圖 1. 典型電動汽車中的功率因數校正車載充電器和 DC/DC 轉換器模塊（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) 和相關功率因數校正 (PFC) 電路中起著至關重要的作用，可確保電動汽車符合將高壓、大電流負載連接到公共電源的規定。在 OBC 中，通常需要傳感器來測量交流輸入端以及轉換電路和輸出端的電流，以確認充電器正確地將交流電輸送到系統的其余部分，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的微控制器的安全運行，需要隔離高壓子系統中的電流傳感器。
交流和直流選項
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的另一個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，但電機控制器、電動空調和類似系統通常采用交流操作。
對于直流電，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它們的電流中產生電壓信號。 這些 傳感器可以提供高精度和強大的電磁干擾保護。然而，它們的輸出需要外部隔離，因為盡管它們的電阻很高，但它們為電流從高壓子系統到控制電子設備提供了一條直接路徑。
雖然磁阻傳感器現在開始出現，采用的技術與磁存儲器和硬盤驅動器磁頭類似，但交流或直流電路中使用的傳感器的技術是霍爾效應。傳統的霍爾效應傳感器模塊將磁芯纏繞在接口導體上。該磁芯圍繞導體，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]
電流通過磁芯會產生磁場，進而產生電場。該電場由放置在氣隙中的霍爾元件檢測，從而產生與磁場強度成比例的輸出電壓。該電壓信號與流過初級導體的電流呈線性關系。盡管霍爾效應模塊與初級導體隔離，這種設計在配電系統中得到廣泛應用，但它的缺點是尺寸相對較大。然而，這種設計可以安全測量高達 2000 A 的電流。
集成霍爾效應傳感器
利用霍爾效應的集成電路電流傳感器具有體積更小、更易于在 PCB 上部署的優點。這種類型的霍爾傳感器不使用單獨的磁芯。相反，電流測量是通過感測流經芯片封裝的初級導體的電流產生的磁場來進行的。
由于集成設備的尺寸較小，且封裝受限，集成意味著可測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電路徑可能對電流施加阻力，從而導致自熱。不過，制造商已成功限制了這種影響。
集成霍爾效應電流傳感器通常適用于車載充電系統、加熱系統和某些電機中使用的交流/直流轉換器和逆變器。雖然它們的整體隔離性能與模塊不同，但由于導體和傳感元件之間存在絕緣屏障，因此集成霍爾效應電流傳感器將滿足高隔離要求。
直接感應的一個潛在問題是，強外部磁場會使信號失真，這在靠近電動機的復雜磁環境中可能會造成問題。解決此問題的一種方法是采用兩個差分霍爾效應元件。這種放置方式可消除任何共模磁場的影響。
圖 3. 框圖顯示了 NSM201x 系列中差分霍爾效應傳感的使用情況（來源：NEV WP - 圖 44）。圖片由 Bodo’s Power Systems提供 [PDF]
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