提高电动汽车非接触式电流感应的实用设计解决方案

汽车行业正在超越小型电动通勤车，现在提供各种车型以满足越来越多的需求，从家庭交通到运动和娱乐。这些车辆通常比早期的 EV 车型更大，因此也更重。这些需要更大的电动机，而电动机又会消耗更多的功率。无论车辆是全电动、插电式混合动力还是轻度混合动力，所涉及的电压和电流水平都相当可观。在大多数情况下，电池必须提供数百伏的电压才能获得将电动汽车提升到新性能水平所需的驾驶体验。正因为如此，密切监控流向电机的电流量正成为汽车制造商的一项至关重要的功能。

电动汽车环境中准确电流测量的挑战

从内燃机向电动传动系统的转变为来自多个学科的工程师带来了许多新的挑战。对于系统工程师来说，挑战在于平衡功率重量比，而电气和电子工程师则需要专注于电源管理。 Mor-e 动力意味着车辆速度更快、反应更灵敏——但使用太多动力、太快，会导致动力源迅速耗尽并缩短续航里程。因此，必须对设计的每个部分进行优化，这一点至关重要。

电源管理的关键是精确测量——电流传感器相当于传统车辆中的燃油流量传感器。使用分流器或低阻值电阻器可以轻松实现电流测量。电流越高，分流器就越大，因此测量大功率电动机所需的量级电流将需要体积大且价格昂贵的分流器。

非接触式电流检测为分流电阻器提供了一种有吸引力的替代方案。基于磁阻或霍尔效应，它利用了电流通过导体时产生的电磁场。由于尺寸更小、非侵入性和固有的电流隔离，非接触式电流感应正迅速成为电动汽车制造商首选的电流测量方法。

用于汽车应用的非接触式传感器类型

导体周围的磁场大小与流过的电流成正比，但即使电流很大，场强仍然比较小。尽管霍尔传感元件可能非常敏感，但这种敏感性也使它们容易读取杂散或背景电磁场。幸运的是，这种失真可以通过屏蔽或应用补偿技术来减少。

然而，补偿所有形式的杂散 EMI 需要深入了解所有各种干扰源，这将是一项挑战。最简单且可以说更可靠的方法是选择一种非接触式电流传感器，它对杂散场具有一定的固有免疫力。

通常，有三种非接触式电流感应方法，如图 1 所示。这些方法包括基于磁芯的传感器、U 形传感器和对称的“三明治”屏蔽传感器。虽然由于独特的应用程序呈现的变量数量，比较所有三个是困难的，但基于典型场景测量性能是有用的。在这种情况下，传感器使用 20 毫米宽、2.5 毫米厚、矩形横截面的母线进行评估，承载 1000 A。

基于内核的非接触式电流传感器

在基于核心的传感器中，通量集中器位于承载待测量电流的材料周围。集中器的圆形被一个小的气隙打断，磁场传感器放置在该气隙中。磁芯有助于将汇流条中流动的电流感应的磁通量集中到传感器上。

传感器对电流产生的通量的灵敏度取决于几个因素。其中第一个是气隙的大小，因为较小的气隙允许更多的通量到达传感器。因此，较小的传感器将允许较小的气隙。如图 2 所示，在本实验中，1000 A 的电流导致传感器记录的磁通密度为 200 mT。相比之下，如果不存在磁芯，同一传感器的磁通量密度仅为 20 mT。适合这种配置的传感器包括 TDK 的 HAL 24xy。

为了测量这种配置对杂散场的抗扰度，我们进行了模拟，假设外部场的通量密度为 5 mT。结果如图 2 所示，显示了磁场如何通过磁芯的形状训练以流过传感器。在存在外部场的情况下，传感器准确检测电流产生的场的能力降低了 40 倍。这里的结论是，基于内核的传感器提供了对其他 EMI 源的良好屏蔽，并且具有适当的信号调理水平，其影响可以进一步减轻。在这种情况下，预计偏移误差仅为满量程的 0.06% 是合理的。

然而，基于核心的方法具有安装相对困难的缺点，因为母线需要穿过核心，而传感器必须位于气隙中。此外，为了避免大电流饱和，磁芯也需要在物理上很大。除此之外，磁芯本身使用的磁敏材料的数量也会导致它成为磁滞误差和干扰的来源。

U 形电流传感器解决了许多这些缺点。

U 形屏蔽电流传感器

顾名思义，U 形传感器具有较大的气隙，但仍提供一定程度的杂散 EMI 屏蔽。由于使用了软磁材料，传感器的三个侧面都具有屏蔽功能。集中器的形状使得组装比基于核心的配置更容易，因为传感器本身可以位于母线上方，安装在小型印刷电路板上。

这种类型的屏蔽传感器将比基于内核的方法具有更低的灵敏度，这是工程师在为其应用选择最合适的设计时必须考虑的权衡因素之一。如图3所示，当1000 A流经母线时，传感器检测到50 mT的磁通密度，对应增益为2。

然而，低增益有其好处。这意味着几乎可以使用任何传感器，例如 HAL 24xy 或 TDK 基于隧道磁电阻 (TMR) 的 CUR 423x 闭环传感器。此外，由于磁场集中度较低，屏蔽材料的厚度可以针对空间、重量和成本进行优化。

如图 3 所示，该场再次指向屏蔽周围；然而，在这种配置中，由杂散场引起的偏移误差为满量程的 0.55%。调整屏蔽的形状和传感器周围的空间可以改善这种偏移误差。

基于磁芯的解决方案在磁化率方面是对称的，而 U 形配置是不对称的。这意味着 U 形更容易受到垂直磁场的影响而不是水平磁场。这是选择和定位非接触式电流传感器时要考虑的另一个因素。然而，对它有利的是，这种配置比基于磁芯的传感器具有更低的滞后误差，因为存在的磁性材料更少。相反，传感器的尺寸和形状仍然很大程度上取决于所需的屏蔽级别。

对称屏蔽传感器提供了另一种选择，在尺寸和屏蔽能力方面都带来了好处。

具有对称屏蔽的电流传感器

对于需要以牺牲灵敏度为代价的更高级别屏蔽的应用，对称屏蔽 - 夹层 - 配置可能是最合适的。在这种方法中，传感器位于母线上方的中央，与 U 形方法一样。但是，在这种配置中，传感器使用两块软磁材料进行屏蔽；一个位于传感器上方，而第二个位于母线下方。通过这种方式，母线产生的场和任何杂散 EMI 都指向传感器的测量平面。

这导致增益为 0.3，如图 4 中的仿真结果所示，这意味着对于 1000 A 的相同电流，传感器的测量值仅为 7.8 mT。这表明衰减了 70%。因此，只能使用具有高灵敏度水平的传感器，例如 TDK 的 CUR 423x TMR 传感器。

与基于核心和 U 形配置相比，这种配置的主要好处是它提供的屏蔽水平相对较高。另外，虽然信号被衰减并与杂散EMI相结合，但结果仍然是0.51% FS的偏移误差，与U型方法相当，但没有配置带来的缺点。

对称屏蔽配置的最大优点是可以完全补偿滞后误差。这是因为屏蔽中使用的两种软磁材料中的每一种中的磁场具有相反的磁场方向。通过精心设计，这两个屏蔽层可以有效地抵消电流产生的任何剩余磁场。

这种方法的另一个主要好处是它的大小。完整传感器实施的尺寸不再由通量集中器或屏蔽的尺寸决定。这意味着无论母线大小或被测电流如何，对称屏蔽方法都可以针对尺寸、重量和成本进行优化。

结论

虽然此处介绍的所有三种解决方案都有其相对优势，但应用程序最终会影响选择。如果需要高水平的抗扰性，则基于内核的设计很难超越。如果低滞后误差和小尺寸是驱动因素，那么对称屏蔽传感器配置可能会受到青睐。表 1 中的结果很好地概括了讨论。

电动汽车中对稳健、经济高效且可靠的非接触式电流传感的需求正在增加。随着越来越多的制造商在该领域扩展其产品供应，消费者可以享受全电动或部分电动传动系统提供的好处。

本文由 TDK Micronas（德国弗莱堡）应用工程师 Lukas Klar 撰写。欲了解更多信息，请联系 Mr. Klar 在此电子邮件地址已受到防止垃圾邮件机器人的保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它。或访问这里 .