电动汽车充电桩直流电能设计诀窍
作者：Alan Yang
随着我国低碳经济时代的到来，电动汽车必将成为今后我国汽车工业和新能源产业发展的重点。现在很多电动汽车充电桩，通过实际消耗的电量来计费。因此，如何精确的测得直流电能非常重要。
本文将讨论：
1. 电动车充电桩的直流电能计量。
2. 如何设计直流电能表。
3. 通过分析ADI直流电能表设计实例，来看看电动车充电桩直流电能表设计应该如何实现。
电动车直流和交流充电桩的差异
对于有电动车的朋友，最直观的感受是，直流充电快（快充），交流充电慢（慢充）。这是由于一般电动车的电池需要靠直流充电，而外界交流电，最终大多要转换成直流才能充电。
更加根本的原因是：直流电相对于传统的交流供电可以显著提高效率。特别是在碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的新型功率开关技术出现后，转化效率进一步提高。
电动车充电桩的直流电能计量
下图是典型的电动车充电桩应用。
图1：电动车充电桩应用 （图片来源：ADI）
电动车充电桩的能量来源可以是清洁的能源（如光伏发电），也可以是电网。通过直流转直流（DC-DC）或者交流转直流（AC-DC），转化成合适的电压给电动车充电。
一些传统的电动车充电是在交流侧计量的，其缺点是无法测量交流到直流转换过程中损失的能量，导致最终客户的计费不准确。
最好的方式是在交流直流转换的两侧同时测量，其好处是，通过两侧的能量测量，我们能即时得知是否出现故障或者是否存在故意篡改检测能力的情况。
如何设计直流电能表
下面是一个典型的直流电能表的基本结构：为了测量负载消耗的功率（P=V×I），至少需要一个电流传感器和一个电压传感器。
图2：直流电能表基本结构（图片来源：ADI）
· 电压测量
电阻分压：电压通常用电阻分压测量，电阻分压用于按比例将电位降低到与系统ADC输入兼容的水平。然而，必须注意所选元件的温度系数和电压系数，以保证整个温度范围内所需的精度。
对于一些应用，对应的电压特别高，这个时候可以选择Digi-Key高压电阻。
图3：Digi-Key高压电阻
对于电压测量，由于输入信号的大幅度，用标准元件可以很容易地实现精确的电压测量。
· 电流测量
电流测量主要有直接测量和间接测量两种。
· 直接测量（基于电流检测电阻）：根据欧姆定律，电流通过一个已知阻值的电流检测电阻，通过测量电流检测电阻的电压来精确计算电流值。
这种方式经济、准确、有效，理论上具有无限的带宽。然而，对于大电流的情况，电流检测电阻发热严重。这意味着当电流很小的情况和电流很大的情况，受到电阻温度系数影响，会有较大误差。因此，需要超低的温度漂移的电流检测电阻。
电动势（EMF），即两个不同的导电体或半导体之间的温差会在两者之间产生电位差。热容量的任何差异，例如传感器阴极连接到更大的铜质量（接地层），都会在温度分布中产生不匹配，从而导致由热电动势效应引起的测量误差。
因此，必须注意电流检测器的连接和所产生热量的分配。
图5：温度梯度导致电流检测电阻热电动势 （图片来源：ADI）
· 间接测量：通电导线周围会产生磁场，电流传感器可以通过检测磁场，来得知电流的大小。从而实现间接测量。
Digi-Key电流传感器主要有下面几种类型：
图6：Digi-Key电流传感器
开环霍尔传感器 vs 闭环霍尔传感器vs磁通门
· 开环霍尔传感器是由一个高磁导率磁环构成，被测电流线通过该磁环。
· 闭环霍尔传感器在磁环周围多了一组线圈，通过测量补偿电流，提高了线性度，没有磁芯磁滞现象，从而具有更好的温度漂移和更高的精度。但额外的补偿电路使传感器更昂贵，带宽上有时也会有限制。
· 磁通门是一个复杂的开环或闭环系统，通过监测饱和磁芯的磁通变化来测量电流。它提供了良好的温度稳定性和精度，但是价格更贵。
ADI直流电能表设计实例分析
对于电压测量，由于输入信号的大幅度，用标准元件可以很容易地实现精确的电压测量。对于电流测量，往往需要加一个放大器，来放大信号。
对于信号链芯片，在设计时有两个最重要的考量点：
· 各级的精度要求是否满足整体的精度要求。
· 在不同环境温度下，温漂系数是否满足整体的精度要求。
下面是ADI给出的直流电能表方案：
图7：ADI直流电能表 （图片来源：ADI）
· 放大器的选择
假设80A电流，电流检测电阻75μΩ。要求精度1%，即在电流检测电阻上产生60μV的小信号，也就是放大器的偏置电压（误差）至少要小于这个值。
比如ADI ADA4528的最大偏移电压为2.5μV，最大偏移电压漂移为0.015μV/°C。基本可以满足要求。
这里需要注意的，不管是电流传感器还是分压电阻，尽量使用4线法测量，从而进一步减少线缆中电阻对于测量的影响，进一步提高精度。
· ADC采样芯片选择
对于ADC采样芯片，24位ADC7779可以直接连接到放大级，且具有5nV/°C的输入偏置漂移。
通过分压电阻1000:1的比例，可以准确地测量出高直流电压，然后连接到AD7779 ADC输入。
最后，连接到微控制器MCU计算。瞬时功率（P=I×V），累积瞬时功率，就是消耗的能量。
当然，后续可以设计接一些外围设备，如RS-485、LCD显示器和按钮等。
本文小结
我国提出2030年前碳达峰和2060年前碳中和目标，对更有效和更环保的电力的需求前所未有。电动汽车必将成为今后发展的趋势，直流测量除了在电动汽车充电桩上会有广泛的应用，在可再生能源发电、微电网、数据中心等领域也会有很好应用。
