攻克精密直流电能计量设计挑战
得益于基于宽禁带半导体的高效功率转换技术发展，精密直流电能计量愈发相关，尤其在涉及能源计费场景。本文探讨直流计量挑战并提出直流电能表设计方案。
早期电网开发者采用交流（ac）向世界供电，因其更易用。然而在许多领域，直流（dc）能显著提升效率，许多应用如今因基于宽禁带半导体的高效经济功率转换技术发展，获益于转向直流能量交换。结果，精密直流电能计量愈发相关，尤其在涉及能源计费处。
本两部分系列首文讨论了电动汽车充电站、可再生能源发电、服务器农场、微电网、点对点能源共享中的直流计量机遇。本文讨论直流计量挑战并提出直流电能表设计方案。
20 世纪初传统交流电能表完全机电式。电压线圈与电流线圈组合在旋转铝盘中感应涡流。盘上产生的转矩与电压、电流线圈产生的磁通乘积成正比。最终，加装制动磁铁使转速与负载消耗的有功功率成正比。此时测量消耗能量仅需统计一段时间内旋转圈数。
现代交流电表显著更复杂、精确、防窃电。如今最先进智能电表甚至能在现场安装 24/7 监测绝对精度、检测窃电迹象。Analog Devices ADE9153B 计量 IC 即启用 mSure® 技术实现此能力。电能表——无论现代、传统、交流、直流——均按每 kWh 脉冲数常数和百分比等级精度分类。每 kWh 脉冲数表示能量更新率或分辨率。等级精度认证最大能量测量误差。
同老式机械表，给定时间间隔内能量通过计数脉冲计算；脉冲频率越高瞬时功率越大，反之亦然。
直流电能表架构
直流电能表基本架构如图 1。为测量负载消耗功率（P = V × I），至少需要一个电流传感器和一个电压传感器。
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图 1. 直流电能表系统架构。（来源：Analog Devices）
低侧处地电位时，流经电表电流常在高侧测量以最小化未计量泄漏风险，但也可低侧测量，或按设计架构要求双侧测量。两侧测量并比较电流技术常用于赋予电表故障与防窃电检测能力。然而双侧测量电流时，至少一侧电流传感器需隔离以应对导体间高电位。
电压测量
电压典型用电阻分压器测量，电阻梯级按比例降压至兼容系统 ADC 输入电平。
因输入信号幅度大，用标准元件易达精准电压测量。但须关注所选元件温度系数和电压系数，以保证全温域所需精度。
如前文，EV 充电站等应用的直流电能表有时需专门为车辆充入能量计费。为满足测量要求，EV 充电器用直流电能表可能需多路电压通道，使电表也能在车辆入口点感测电压（四线制测量）。四线制直流电能计量确保充电桩和电缆所有电阻损耗从总能量账单扣除。
直流电能计量的电流测量
电流可直接连接测量，或间接通过感测电荷载体流动产生的磁场测量。下节讨论直流电流测量最主流传感器。
分流电阻
直接连接电流感测是验证过的交直流电流测量方法。电流流经已知值分流电阻。分流电阻两端电压降按欧姆定律（V = R × I）与流过电流成正比，经放大数字化后提供电流准确表征。
分流电阻感测是从 mA 到 kA 测量电流的廉价、准确、强大方法，理论带宽无限。但方法有缺点。
电流流过电阻产生焦耳热，与电流平方成正比。这不仅造成效率损失，自热还会改变分流电阻值导致精度下降。为限制自热效应，使用低阻值。但小电阻下感测元件电压也小，有时与系统直流失调相当。此时在动态范围低端达成所需精度非易事。超低直流失调和超低温漂的先进模拟前端可克服小值分流电阻局限。但运放恒定增益带宽积意味着高增益限制可用带宽。
低值电流感测分流电阻通常用锰铜、镍铬等特定金属合金制造，抵消成分相反温漂，综合漂移达数十 ppm/°C 量级。
直接连接直流测量另一误差源为热电动势（EMF）现象，即塞贝克效应。塞贝克效应指至少两种不同导体或半导体形成结点时，温差在两者间产生电位差。该效应广为人知，广泛用于热电偶测温。
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图 2. 温度梯度导致分流电阻热 EMF。（来源：Analog Devices）
四线制电流分流电阻中，焦耳热在合金电阻元件中心产生并传播，而连接 PCB（或不同介质）的铜感测线可能温度不同。
感测电路形成不同材料对称分布；因此负、正感测线结点电位近似抵消。但任何热容差异——如负感测线连接更大铜块（地平面）——可导致温度分布失配，产生热 EMF 效应引起的测量误差。
因此须关注分流电阻连接及产生热量的分布。
磁场感测——间接电流测量
开环霍尔效应
传感器由高磁导率环构成，被测电流导线穿过。这将测量导体周围磁场线聚焦至插入磁芯横截面的霍尔效应传感器。传感器输出经预处理，常以不同形式提供：0-5V、4-20mA、数字接口。虽提供隔离和高电流范围且成本相对低，绝对精度通常不低于 1%。
闭环霍尔效应
磁芯上多圈副边绕组由电流放大器驱动提供负反馈实现零总磁通条件。通过测量补偿电流，线性度改善且无磁芯磁滞，温漂和精度整体优于开环方案。典型误差至 0.5%，但额外补偿电路使传感器更贵且有时带宽受限。
磁通门
复杂开/闭环系统，通过监测故意饱和磁芯的磁通变化测电流。线圈绕高磁导率铁磁芯，副边线圈驱动对称方波电压故意饱和磁芯。
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图 3. 基于磁通聚焯和磁传感器的开环电流互感器。（来源：Analog Devices）
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图 4. 闭环电流互感器工作原理示例。（来源：Analog Devices）
线圈电感在磁芯接近正/负饱和时崩溃，电流变化率增大。除非额外施加外部磁场，线圈电流波形保持对称，否则波形变不对称。通过测量此不对称大小，可估算外部磁场强度及产生它的电流。提供良好温度稳定性和 0.1% 级精度。但复杂电子学使其成本高昂，价格约为其他隔离方案 10 倍。
直流电能计量：需求与标准化
虽直流电能计量标准化看似不比现有交流计量标准生态难，行业利益相关方仍在为不同应用需求辩论，要求更多时间敲定直流计量细节。
IEC 正推进 IEC 62053-41 以定义针对有功能量直流静止式电表的要求，精度等级 0.5% 和 1%。
标准提名义电压电流范围，限制电表电压电流通道最大功耗。且如交流计量要求，规定全动态范围特定精度、空载条件电流阈值。
草案无系统带宽具体要求，但要求通过快速负载变化测试，隐含系统最小带宽要求。
EV 充电应用直流计量有时符合德国标准 VDE-AR-E 2418 或旧铁路标准 EN 50463-2。按 EN 50463-2，精度按传感器规定，组合能量误差为电压、电流、计算误差平方和平方根：
表 1. EN 50463-2 最大百分比电流误差
电流范围 0.2R 级 0.5R 级 1R 级 1% 至 5% IN 1% 2.5% 5% 5% 至 10% IN 0.4% 1% 1.5% 10% 至 120% IN 0.2% 0.5% 1%表 2. EN 50463-2 最大百分比电压误差
电压范围 0.2R 级 0.5R 级 1R 级 <66% VN 0.4% 1% 2% 66% 至 130% VN 0.2% 0.5% 1%符合标准的直流电能表概念验证
Analog Devices 作为精密感测技术领军者，提供完整信号链满足严苛标准要求的精密电流电压测量。下节展示符合即将发布的应用专用标准 IEC 62053-41 的直流电能表概念验证。
考虑微电网和数据中心计费级直流电能计量空间，可假设表 3 所示需求。
表 3. 直流电能表规格——概念验证
额定值
标称 动态范围 测量
(最大范围) 电压 ±400 VDC 100:1 ±600 V 电流 ±80 A 100:1 ±240 A 精度 1% 至 5% INOM 1% 5% 至 120% INOM 0.5% 温度 –25°C 至 +55°C –40°C 至 +70°C 存储 电表常数 1000 imp/kWh 电压和电流带宽 2.5 kHz
使用小值低 EMF 分流电阻（<1 μVEMF/°C）可实现廉价精准电流感测。保持分流电阻小是减少自热效应、将功耗控在标准要求限内的基础。
商用 75 μΩ 分流电阻将功耗控 0.5 W 以下。
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图 5. 直流电表系统架构。（来源：Analog Devices）
然而 80 A 标称电流 1% 在 75 μΩ 分流电阻产生仅 60 μV 小信号，需亚微伏失调漂移级信号链。
ADA4528 最大失调电压 2.5 μV、最大失调电压漂移 0.015 μV/°C，适配超低漂移 100 V/V 放大微小分流信号。因此同步采样 24 位 ADC AD7779 可直连放大级，贡献 5 nV/°C 输入端失调漂移。
高压直流可用 1000:1 电阻分压器直连 AD7779 ADC 输入精准测量。
最后，单片机实现简单逐样本中断驱动计量功能，每 ADC 采样中断例程：
- 读取电压电流采样
- 计算瞬时功率（P = I × V）
- 累加瞬时功率至能量累加器
- 检查能量累加器是否超阈值产生能量脉冲并清零累加寄存器
此外，单片机还实现 RS-485、LCD 显示、按键等系统级接口。
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图 6. 概念验证——原型机。（来源：Analog Devices）
Luca Martini 2016 年于意大利博洛尼亚大学获电子与电信工程（能源方向）硕士。硕士期间在德国纽伦堡 Fraunhofer IIS 待七个月，开发压电能量收集器表征的精密实时控制系统。2006-2016 年从事生物医疗领域系统硬件开发。2016 年加入 Analog Devices 爱丁堡能源与工业系统组。可通过 luca.martini@analog.com 联系。
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