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闭环霍尔电流方案与磁通门电流传感器方案介绍

2020/08/13
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上文介绍了开环霍尔电流传感器的原理,今天介绍另外两个方案:闭环霍尔方案与磁通门方案。

闭环霍尔电流传感器

下图为前文介绍过的开环霍尔电流传感器的结构图(图片来自于 LEM 官网),待测电流 Ip 建立起磁芯内的磁场后,通过霍尔元件感应出的霍尔电压来测量电流值大小;它对外输出的是一个电压模拟量。

而闭环霍尔电流传感器是基于开环原理(下图来自于网络),然后引入了补偿电路;通过磁芯的有两部分电流:原边待测电流与副边补偿电流;原边待测电流就是指电池流经母线铜排中的大电流,而副边补偿电流是由闭环霍尔电流传感器内部产生的,流经磁芯上的副边线圈。

具体地(下图来自于 LEM 官网),霍尔元件感应出来的霍尔电压并没有直接用于测量,而是霍尔电压通过放大电路后产生了一个副边电流,这个副边电流流过缠绕在磁芯上的线圈,然后通过采样电阻 Rm 流到地。这样的话副边电流也会在磁芯中产生一个磁场,并且设计让这个磁场与原边待测电流产生的磁场方向相反,强度相等,那么总磁通量为 0,即霍尔元件处于 0 磁通的环境中。

接下来,当霍尔元件中的磁通为 0 后,就会得到如下公式,通过测量 Is,即可得到 Ip;Ns 一般为 1000~5000,Is 一般为 25mA~300mA 左右。

磁通门电流传感器(Fluxgate)

磁通门电流传感器才是我们经常遇到的产品,如 LEM 的 CAB 系列。

磁通门电流传感器又可以分为几种,如下图所示(图片来源 LEM 官网):例如标准型、C-type、IT-type、低频型等,这里介绍比较基本的标准型磁通门原理。

标准型的磁通门电流传感器结构很类似闭环霍尔结构,如下图所示(图片来源于网络),只是在磁芯的气隙处放置的不是霍尔元件,而是一个磁通门的传感器,即可饱和电感

具体地,在结构上同样有原边待测电流 Ip(母线中电流),副边反馈电流 Is(副边线圈中),同样地,只要让气隙中的总磁通量为 0,根据下式可以计算出 Ip:

此方案的原理框图如下(来源于 LEM 官网),前面我们知道了计算电流 Ip 的方法,即调节副边电流 Is,使得气隙处的总磁通量为 0,即可得出 Ip;那么,我们怎么实时检测气隙处的磁通量,然后调节磁通量为 0 呢?

这里在气隙处应用了可饱和电感作为探头来识别气隙处的磁通量(下图来源于 LEM 官网),它是由磁芯与线圈组成的电感探头。

进一步地,气隙处的磁通量大小会影响这个探头的电感量(探头的电感量是受外部磁场影响而变化的),我们只要区别出磁通量为 0 时的电感大小与磁通量不为 0 时的电感大小即可。

那么怎么来识别不同磁通量下的电感大小呢?

一种方案是,在电感探头的线圈中通过一个电流 Isi(两端施加一个电压源 u(t)),它产生的磁通与外部气隙的总磁通(包括了 IpIs 二者引起的磁通)叠加后作用于电感探头的磁芯上,这个累加后的磁通量会影响电感探头的感量,而电感量与电流大小又相关,所以只要知道 Isi 的电流怎么受到气隙处的磁通影响就 OK 了。

省略中间的一些理论性的分析过程,当气隙处的总磁通量为 0 时,电感探头中的电流如下图,其中虚线代表施加在探头两端的方波电压 u(t),实线为电流值 i(t)。

当气隙处的总磁通量不为 0 时,电感探头中的电流波形如下图:所以我们通过检测这个电流值,就可以等效判断出气隙处的总磁通量是否为 0,然后通过调整副边线圈中的电流 Is,来使得气隙处的总磁通量为 0。

总结:

在分析过程中可能省略了一些过程的推导,但整个表述的逻辑是严谨的,大家可以自行查找一下更深入的解释;以上所有,仅供参考。

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公众号“新能源BMS”主笔,从事新能源汽车电池系统设计工作,具体为BMS硬件设计工作将近10年,在几个大的主机厂都工作过;希望通过文字,把一些设计经验和总结分享给大家,共同成长。