汽车设计中隔离电流感应的演进

隔离电流传感器技术对于汽车设计越来越重要。电流传感已经成为汽车设计的重要组成部分，从简单的基于电阻的测量到为分析燃油喷射系统行为而开发的更先进的传感器。随着电气化的发展，电流传感器技术将发挥更重要的作用，适应这些新车辆的特定要求。

伴随电动汽车发展而来的一项重大设计变化是准确检测高压子系统中的电流并保护解释和处理这些信号的先进控制器。从快速电池充电电路到加热装置，高压域中的电流传感器在许多地方都需要。

高压电流检测应用

电流感应重要的目标之一是电池管理系统(BMS)。电池对过度充电很敏感，而 800 V 快速高压充电的趋势使得这种测量变得更加重要。通过监测电流信息，BMS 可以准确感测电池估计值、检测和诊断故障，并确保安全完成充电。

在电动汽车电机控制单元中，电流水平变化提供的反馈可以准确地确定实时功率和扭矩，为算法提供所需的信息，以确定何时切换为电机提供能量的功率晶体管。由于电机和相关功率晶体管将在 400 V 甚至更高的电压下运行以利用效率增益，因此必须保护传输到控制器的电流传感器信号免受浪涌和尖峰的影响。

图 1. 典型电动汽车中的功率因数校正车载充电器和 DC/DC 转换器模块（NEV WP - 图 23）。图片由 Bodo’s Power Systems提供 [PDF]

电流传感器在车载充电器 (OBC) 和相关功率因数校正 (PFC) 电路中起着至关重要的作用，可确保电动汽车符合将高压、大电流负载连接到公共电源的规定。在 OBC 中，通常需要传感器来测量交流输入端以及转换电路和输出端的电流，以确认充电器正确地将交流电输送到系统的其余部分，并且以正确的电平向电池组提供直流电。为了确保管理这些系统的微控制器的安全运行，需要隔离高压子系统中的电流传感器。

交流和直流选项

除了考虑精度和隔离等属性外，确定使用哪种电流传感器技术的另一个重要因素是电路是使用交流还是直流操作。虽然电池的输入和输出将基于直流，但电机控制器、电动空调和类似系统通常采用交流操作。

对于直流电，可以使用分流式电流传感器，这种传感器使用高电阻元件从流经它们的电流中产生电压信号。 这些 传感器可以提供高精度和强大的电磁干扰保护。然而，它们的输出需要外部隔离，因为尽管它们的电阻很高，但它们为电流从高压子系统到控制电子设备提供了一条直接路径。

虽然磁阻传感器现在开始出现，采用的技术与磁存储器和硬盘驱动器磁头类似，但交流或直流电路中使用的传感器的技术是霍尔效应。传统的霍尔效应传感器模块将磁芯缠绕在接口导体上。该磁芯围绕导体，只留出一小段气隙，霍尔传感器元件就位于其中。

图 2. 不同类型的电流传感器（来源：NEV WP - 图 43）。图片由Bodo’s Power Systems提供  [PDF]

电流通过磁芯会产生磁场，进而产生电场。该电场由放置在气隙中的霍尔元件检测，从而产生与磁场强度成比例的输出电压。该电压信号与流过初级导体的电流呈线性关系。尽管霍尔效应模块与初级导体隔离，这种设计在配电系统中得到广泛应用，但它的缺点是尺寸相对较大。然而，这种设计可以安全测量高达 2000 A 的电流。

集成霍尔效应传感器

利用霍尔效应的集成电路电流传感器具有体积更小、更易于在 PCB 上部署的优点。这种类型的霍尔传感器不使用单独的磁芯。相反，电流测量是通过感测流经芯片封装的初级导体的电流产生的磁场来进行的。

由于集成设备的尺寸较小，且封装受限，集成意味着可测量的电流水平低于基于模块的传感器。造成这一较低限制的主要原因是传感器的导电路径可能对电流施加阻力，从而导致自热。不过，制造商已成功限制了这种影响。

集成霍尔效应电流传感器通常适用于车载充电系统、加热系统和某些电机中使用的交流/直流转换器和逆变器。虽然它们的整体隔离性能与模块不同，但由于导体和传感元件之间存在绝缘屏障，因此集成霍尔效应电流传感器将满足高隔离要求。

直接感应的一个潜在问题是，强外部磁场会使信号失真，这在靠近电动机的复杂磁环境中可能会造成问题。解决此问题的一种方法是采用两个差分霍尔效应元件。这种放置方式可消除任何共模磁场的影响。

图 3. 框图显示了 NSM201x 系列中差分霍尔效应传感的使用情况（来源：NEV WP - 图 44）。图片由 Bodo’s Power Systems提供 [PDF]