提升电动汽车非接触电流传感：实用设计方案

汽车行业已超越小型电动代步车，现在提供多种车型以满足从家庭交通到运动休闲等日益增长的多样化需求。这些车辆通常更大、更重，需要更大的电机，从而消耗更多功率。无论是纯电动、插电混动还是轻混动，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电压，才能实现将电动汽车推向更高性能水平所需的驾驶体验。因此，密切监控流向电机的电流量正成为汽车制造商的关键职能。

电动汽车环境中精准电流测量的挑战

从内燃机向电动传动系统的转变，给多学科工程师带来诸多新挑战。系统工程师需平衡功重比，电气电子工程师需专注功率管理。功率越大意味着车辆反应越快、性能越强——但过快使用过多功率会导致电源迅速耗尽、续航缩短。因此，设计的每个环节都必须优化。

功率管理的关键在于精准测量——电流传感器是电动汽车中相当于传统车辆燃油流量传感器的部件。使用分流器（低值电阻）可轻松实现电流测量。电流越大，分流器体积越大，因此测量强大电机所需的大电流将需要物理体积大、沉重且昂贵的分流器。

非接触电流传感提供了一种分流电阻的有吸引力替代方案。基于磁阻效应或霍尔效应，它利用电流通过导体时产生的电磁场。因其体积更小、非侵入性和固有电隔离，非接触电流传感正迅速成为电动汽车制造商的首选电流测量方案。

汽车应用的非接触传感器类型

导体周围磁场大小与流经电流成正比，但即使大电流下磁场强度仍相对较小。虽然霍尔传感元件可非常灵敏，但这种灵敏度也使其易受杂散或背景电磁场干扰。幸运的是，通过屏蔽或补偿技术可减少这种失真。

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，这极具挑战性。最简单且可以说更稳健的方法，是选择具有对杂散场固有免疫力的非接触电流传感器。

一般而言，非接触电流传感有三种方案（如图1所示）：铁芯式传感器、U型传感器和对称“三明治”屏蔽传感器。因独特应用呈现的变量众多，全面对比三者较难，但基于典型场景评估性能很有用。本例中，使用宽20mm、厚2.5mm、矩形横截面的母线，承载1000A电流对传感器进行评估。

铁芯式非接触电流传感器

铁芯式传感器中，磁通聚焦器环绕待测电流导体放置。圆形聚焦器被一小气隙打断，磁场传感器置于其中。铁芯帮助聚焦母线电流感应的磁通至传感器。

传感器对电流产生的磁通灵敏度取决于多个因素。首先是气隙大小，较小气隙允许更多磁通到达传感器。因此，更小的传感器允许更小气隙。如图2所示，实验中1000A电流使传感器检测到200mT磁通密度。对比无铁芯时，同一传感器仅检测到20mT。适合此配置的传感器包括TDK的HAL 24xy。

为测试此配置的抗杂散场能力，仿真假设存在5mT外部磁场。结果见图2，磁场被铁芯形状约束流经传感器。存在外部磁场时，传感器准确检测电流产生磁场的能力降低40倍。结论是铁芯式传感器提供良好的EMI屏蔽，配合适当的信号调理可进一步缓解影响。此时可预期满量程仅0.06%偏移误差。

然而，铁芯方案安装相对困难，母线需穿过铁芯，传感器须置于气隙中。此外，为避免大电流饱和，铁芯也需物理尺寸足够大。铁芯本身使用的磁敏材料量可能使其成为磁滞误差和干扰源。

U型电流传感器解决了许多这些劣势。

U型屏蔽电流传感器

顾名思义，U型传感器气隙较大，但仍提供一定杂散EMI屏蔽。得益于软磁材料，传感器三面受屏蔽保护。聚焦器形状使组装比铁芯配置更容易，传感器可置于母线上方，安装在小型PCB上。

这种屏蔽传感器灵敏度低于铁芯方案，这是工程师选择最适合其应用设计时必须权衡的取舍。如图3所示，1000A电流通过母线时，传感器检测到50mT磁通密度，对应增益为2。

低增益也有益处：意味着几乎任何传感器均可使用，如HAL 24xy或TDK基于隧道磁阻（TMR）的CUR 423x闭环传感器。此外，磁场聚焦较弱，屏蔽材料厚度可针对空间、重量和成本优化。

如图3所示，磁场再次被引导绕过屏蔽；但此配置下杂散场导致的偏移误差为0.55%满量程。调整屏蔽形状和传感器周围空间可改善此偏移误差。

铁芯方案在磁敏性上呈对称，而U型配置不对称。这意味着U型对垂直方向磁场比水平方向更敏感。选择和布局非接触电流传感器时需考虑此因素。但该配置磁滞误差低于铁芯传感器，因磁性材料较少。反之，传感器尺寸和形状仍主要取决于所需屏蔽水平。

对称屏蔽传感器提供另一选择，在尺寸和屏蔽能力上均有优势。

对称屏蔽电流传感器

对于需要以灵敏度为代价换取更高屏蔽水平的应用，对称屏蔽——三明治——配置可能最合适。此方案中传感器位于母线正上方（同U型），但使用两片软磁材料屏蔽：一片置于传感器上方，另一片置于母线下方。这样，母线产生的磁场和任何杂散EMI均被导向传感器测量平面。

仿真结果（图4）显示增益为0.3，即同1000A电流下传感器仅测得7.8mT，表明衰减70%。因此只能使用高灵敏度传感器，如TDK的CUR 423x TMR传感器。

此配置主要优势是相较铁芯和U型配置提供更高屏蔽水平。且信号虽被衰减并与杂散EMI叠加，偏移误差仍仅0.51% FS，与U型相当但无其劣势。

对称屏蔽配置最大优势是磁滞误差可完全补偿。因两片软磁屏蔽材料中的磁场方向相反，经精心设计，两屏蔽可有效抵消电流产生的剩余磁场。

另一主要优势是尺寸。完整传感器实现尺寸不再受磁通聚焦器或屏蔽尺寸制约。这意味着对称屏蔽方案可针对尺寸、重量和成本优化，无论母线大小或测量电流大小。

结论

虽然上述三种方案各有优势，但应用最终决定选择。若需高免疫水平，铁芯设计难以超越。若低磁滞误差和小尺寸为驱动因素，对称屏蔽传感器配置可能更受青睐。表1结果为此讨论提供良好快照。

电动汽车对稳健、高性价比、可靠非接触电流传感的需求日益增长。随着更多制造商拓展该领域产品，消费者将享受全电或部分电动传动系统带来的益处。

本文由TDK Micronas应用工程师Lukas Klar撰写（德国弗赖堡）。更多信息请联系Klar先生：[邮箱受保护]或访问此处 .