前面寫了一篇霍爾電流傳感器,霍爾是當前電動汽車上主迴路電流測量的主要傳感器類型。在電流不太大的電動汽車電池包內,也有選擇另外一種電流傳感器的情形,分流器。
1 分流器工作原理
分流器測量電流的原理很簡單,它本身是一個高精度電阻,利用歐姆定律,電阻兩端的電壓與阻值成正比。測量分流器端電壓,即可得知迴路電流值。原理簡單,信息傳遞的鏈條短,因而分流器具有反應靈敏,反饋時間短的特點。分流器,是不要求檢測電路與被測電路之間電氣隔離場合的尚好選擇。
傳感器檢測電路參數的基本思路就是將高壓信號如何轉換成低壓信號。分流器檢測電流的具體工作過程如下。
分流器本身,阻值很小,精度很高,可以長期通過大電流。當迴路接通時,分流器兩端可以測量到毫伏級別的電壓,用高精度電壓表檢測後,由系統折算成電流值。
為什麼分流器還需要根據電路情況做選型?簡單說是為了有效使用電壓表的量程。比如一種滿刻度為75mv的電壓表,要測量的對象是20A左右的電流,你選擇分流器阻值R,R*20A最好落在75mV量程的中段偏上,比如3mΩ到3.5mΩ算比較合適。一個離譜的例子,如果分流器內阻0.001mΩ,20A通過時,端電壓只有0.02mV,電路所有電流變化的測量結果都擠在千分之一的量程裡,而表的精度只有1%量程,誤差都比你的測量值大的多,那麼你的測量結果就是沒有意義的。
2 檢測精度的影響因素
在實際應用中發現,一般結構的分流器,在測量小功率迴路電流時,準確性非常好,但應用到大電流迴路準確性就大打折扣。應用於高頻變換的迴路中,同樣會出現測量值不準確的問題,這是為什麼呢?
大電流檢測
在以往的經驗中,人們發現,大直流電檢測場合,影響準確性的主要因素是溫度。這裡的溫度即包含環境溫度,也包含分流器自身,在通過大電流時,電阻歐姆熱帶來的溫升對阻值產生的影響。
電阻與溫度相關,到底有多大的相關性?是否值得採取方法去處理?有人引入相關係數,對溫度與分流器阻值之間的關係進行定量研究,相關係數公式如下:
其中相關係數r,xi為第i個樣本的溫度數值,yi是第i個樣本的電阻數值,這個公式用來評估兩個參數是否具有相關性。r的絕對值越大,相關性越強。一般可按三級劃分相關性:|r|<0.4為低度線性相關;0.4≤|r|<0.7為顯著性相關;0.7≤|r|<1為高度線性相關;r符號為正,稱為正相關,符號為負,稱為負相關。
通過相關係數,可以把「感覺」有關係的兩個變量,找到定量的相關性。但相關係數也存在一些局限性,當採樣樣本數量過小時,計算的結果會受到偶然因素的影響。暫且作為一個思考方法了解一下吧。
有人對一種分流器的電阻與溫度的關係進行了採樣計算,結果是0.941,有非常強的相關性。需要說明,這裡的相關性跟材料類型有很大關係,不是每個分流器的相關係數都是0.941。
這種接近線性的相關度,溫度必然會對電阻產生非常大的的影響。但只要有明確的對應關係,影響就可以在計算過程中得到補償。
在動力電池系統中,我們看到分流器都是由BMS廠家配套供應的,並且一般都會要求分流器與指定的BMS配合使用,即使是同一批,也不能隨便調換。這裡就是BMS廠家對分流器測量結果進行了補償,不同分流器,具體補償值可能不同。
3電感對分流器的影響
分流器的導體一般是圓形截面的金屬條或者薄金屬片。在測量直流電流時,基本可以認為分流器純阻性元件。但當迴路中存在脈衝或者高頻交流電時,分流器的感性分量就不能再忽視。
分流器的感性分量哪裡來的?分流器導體是一個三維實體,在高頻電流作用下,導體內電流的分布明顯出現肌膚效應,大部分電流都集中在導體表面流動。表面電流的高頻變換,在導體內外產生交變磁場,磁場方向與導體流通的電流方向垂直。變化磁場在導體電流方向上生成感應電流。存在感應電流的情況下,分流器兩端的電壓除了分流器內阻佔壓以外,還要包含一部分感生電壓。
圓柱形導體分流器,如果分流器導體直徑比長度尺寸小得多,則集膚效應帶來的感生電壓影響不大,反之,則會對測量結果產生影響。
片狀導體的分流器,同樣存在類似的現象,主要集中在寬度方向上,被稱為邊緣效應。如果寬度足夠小,也會削弱邊緣效應的影響。
分流器也被製作成其他形狀,用以減弱集膚效應,比如把導體製作成筒形,或者一個大筒形套著一個小筒形,這些構造都可以一定程度上減輕集膚效應帶來的分流器電感對測量結果的影響。但複雜的截面構造會帶來成本的明顯上升。
怎樣考慮分流器感性的影響?電氣元件本質上都是存在感性成分的,只是不同場景下,表現出來的主要特性不同,我們才說哪個是阻性元件,哪個包含感性成分,主要考慮兩個方面的因素。一個是迴路頻率,迴路電流頻率越高,磁場變化率越大,則感生電動勢越大。另一個因素,分流器自身阻值的大小。從分流器測量電流的過程可以知道,主要是測量分流器端電壓,當內阻很大的時候,少量的感生電動勢疊加在端電壓上,對精度不構成明顯影響,自然也就不用考慮感性問題了。
分流器選用的材質一般是錳銅、康銅或者鎳鉻合金,一方面考慮溫度係數問題,另一方面是在允許範圍內提高自身阻值,覆蓋感性的影響。內阻不能太小,但為了避免大量發熱又不能太大,這個進退兩難的問題,是影響分流器在大電流迴路應用的重要因素。
電動汽車的電源,雖然被稱作高壓直流,但行車過程中出現的功率波動,其電流的變化率也非常大,分流器的測量也可能在一些時刻出現失真。
往高端走的電動汽車,對動力性能的要求越來越高,百公裡幾秒都會出現在首秀文案裡。分流器恐怕不太適合他們的要求。在低速,小功率車型中,分流器應該依然還有用武之地。沒有太多定量數據,就先定性討論一下。
參考文獻
1 鄭錦秀,一元線性回歸方程在大電流分流器測量中的應用
2 張建永,一種測量脈衝大電流的改進分流器設計
3 楊瑩冰,用分流器取代霍爾傳感器進行電流測量
4 林飛鵬,一種新型大電流分流器檢測儀原理和特點
(圖片來自網際網路公開資料)