CN104897944A - 一种测量50a以上直流电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量50A以上直流电流的方法,涉及大电流测量领域，使用测量大电流的霍尔电流传感器，所述霍尔效应传感器内置有载流元件，在霍尔电流传感器的磁芯上增加一个绕组，所述绕组用于产生符号相反的磁场，且所述磁场强度与待测电流产生的磁场完全相等；通过检测所述磁芯中磁场的有无或符号来测量待测导体电流，能避免由于霍尔元件中不稳定的励磁电流引起的测量误差。该方法克服了霍尔传感元件的非线性问题，降低了测量功耗，并使用精密分流电阻，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及直流电流测量，尤其是50A及以上的大电流测量领域，具体的说是一种测量50A以上直流电流的方法。
背景技术
随着电动汽车(EV)、电网能量存储和光伏(光电)可再生能源装置等负载的发展，50A以上的直流电流范围是电动汽车、电网能量存储和光伏（光电）可再生能源装置等负载典型值。
这些系统需要精确地预测相关能量存储电池的电荷状态(SOC)。对电荷状态的估计可以根据电流和电荷(库伦计数)测量实现，而精确的测量数据对于精确的电荷状态估计来说是必要条件。一般来说，用于电流或电荷测量的任何系统都设计包含有内置数据采集部件，如合适的放大器、滤波器、模数转换器(ADC)等。电流传感器用于检测电流。电流传感器的输出需要通过一个电路转换成可用的形式即电压。接着对信号进行滤波，以减少电磁和射频干扰。然后进行放大和数字化。再将每个电流数据样本乘以合适的时间间隔，通过数字化计算累加算出电荷值。
另一方面，如果以恒定不变的频率进行数字化，那么首先累积电流样本，然后当累积电荷值被读出或以某种方式利用时才乘以合适的时间间隔。同时需要考虑选择合适的最小奈奎斯特采样率，并在模数转换器之前使用足够窄的抗混叠滤波器。
熟悉电源设计的开发者都知道，关于直流电流的测量，业内并不缺乏对其进行精密测量的仪器，但是对于50A以上的直流电流却很少有仪器能够进行精密的测量。
目前用于测量大电流的技术中，有两种传感器技术最为常见，一种技术是检测承载电流的导体周围的磁场；另一种技术是测量承载待测电流（和电荷）的电阻（称为分流器）的压降。用于测量大电流的器件通常称为霍尔电流传感器，所述霍尔效应传感器内置有一个载流元件，当电流和外部磁场施加于该载流元件上时，该载流元件两侧会呈现一个垂直于电流方向并垂直于外部磁场方向的压差。
所述霍尔电流传感器使用一个磁芯将导体电流周围的磁场集中起来，同时所述磁芯中开设一个槽，所述槽中用于容纳实际的霍尔元件。相对于整个磁路长度而言，当所述槽尺寸较小时，会形成一个接近均匀且垂直于霍尔元件平面的磁场；当霍尔元件获得电流能量时，将产生一个正比于励磁电流和磁芯磁场的霍尔电压，所述霍尔电压经放大后从电流传感器的输出端输出。
由于载流导体和磁芯之间没有电气上的连接，耦合的只是磁场，所述霍尔电流传感器实际上与待测电路隔离。载流导体可能有很高的电压，而霍尔电流传感器的输出端可以安全地连接到接地电路，或连接到相对载流导体任意电位的电路，能够提供满足最严格安全标准的间隙与爬电值也相对比较容易。
然而，所述霍尔电流传感器也存在一些缺点，该传感器要求恒定的励磁电流；另外，处理来自霍尔电流传感器的信号的放大和调节电路通常要消耗显著的能量；具有漂移大，可用工作温度范围小等缺陷。励磁电流的稳定性将极大地影响待测电流幅度以及没有电流流动时的零偏移。一般来说，后两者都取决于供电电压的稳定和温度变化，影响励磁电流和霍尔电压本身的霍尔传感元件电阻取决于工作温度。
测量励磁电流并在输出中考虑工作温度这一因素的传感器变种是可能的，但同时要求精密的外部元件和较大的处理电路，而且霍尔电压是待测磁场的非线性函数，这进一步增加了传感器的误差。因为在不同条件下会产生不同的误差，大多数线性霍尔效应器件制造商会将总的误差分解成许多单独的分量，有时很难计算总的合成误差。
发明内容
为了解决霍尔传感元件的非线性问题等现有技术的不足之处，本发明提供了一种测量50A以上直流电流的方法。
本发明所述一种测量50A以上直流电流的方法，解决上述技术问题采用的技术方案如下：所述测量50A以上直流电流的方法，使用测量大电流的霍尔电流传感器，所述霍尔效应传感器内置有载流元件，所述霍尔电流传感器使用一个磁芯将导体电流周围的磁场集中起来，磁芯上增加一个绕组，所述绕组用于产生符号相反的磁场，且所述磁场强度与待测电流产生的磁场完全相等；通过检测所述磁芯中磁场的有无或符号，而不是测量这种磁场的强度来测量待测导体电流，能避免由于霍尔元件中不稳定的励磁电流引起的测量误差。
优选的，所述磁芯中开设一个槽，所述槽中用于容纳实际的霍尔元件。
优选的，所述绕组连接在一含有运放的电路中，该电路能够维护所述绕组的电流并使霍尔电流传感器感知到的磁场为零。
优选的，所述测量50A以上直流电流的方法采用精密分流电阻，所述分流电阻由三个不同部分组成，两个区域是端子，用于接入电路，另一个区域或多个并联区组成分流电阻的大部分；两个端子区之间用电阻段或使用焊接或冶金工艺的段进行连接，具有非常均匀的接缝。
优选的，所述分流电阻在阻性材料的横截面上，或在单个并联阻性部分和每个内部之间平均分配电流。
优选的，所述分流电阻的阻性部分材料采用锰铜，具有对温度依赖性低的阻抗特性。
本发明的一种测量50A以上直流电流的方法与现有技术相比具有的有益效果是：该方法中通过检测传感磁芯中磁场的有无或符号，克服了霍尔传感元件的非线性问题，能避免由于霍尔元件中不稳定的励磁电流引起的测量误差；通过在磁芯上增加一个绕组，降低了测量功耗，减小了测量尺寸，同时能够精确控制绕组在磁芯上的匝数，实现控制绕组中的电流比待测导体中电流小许多倍；并使用精密分流电阻，提高了测量精度；
随着整机柜服务器功耗的不断攀升，之前的电源输出电流的测试方法已经无法满足现阶段的需求，本发明提供的检测超过50A以上电流的方法，完全可以解决这个问题。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明所述一种测量50A以上直流电流的方法进一步详细说明。
本发明所述测量50A以上直流电流的方法，使用测量大电流的器件霍尔电流传感器，所述霍尔效应传感器内置有一个载流元件，当电流和外部磁场施加于该载流元件上时，该载流元件两侧会呈现一个垂直于电流方向并垂直于外部磁场方向的压差。
所述霍尔电流传感器使用一个磁芯将导体电流周围的磁场集中起来，同时所述磁芯中开设一个槽，所述槽中用于容纳实际的霍尔元件。相对于整个磁路长度而言，当所述槽尺寸较小时，会形成一个接近均匀且垂直于霍尔元件平面的磁场；当霍尔元件获得电流能量时，将产生一个正比于励磁电流和磁芯磁场的霍尔电压，所述霍尔电压经放大后从电流传感器的输出端输出。
实施例
本实施例所述一种测量50A以上直流电流的方法,通过检测霍尔电流传感器的磁芯中磁场的有无或符号，而不是测量这种磁场的强度来测量待测导体电流，这种方法能避免由于霍尔元件中不稳定的励磁电流引起的测量误差。
本实施例所述测量50A以上直流电流的方法中，所述霍尔电流传感器的磁芯上增加一个绕组，所述绕组用于产生符号相反的磁场，且所述磁场强度与待测电流产生的磁场完全相等。并且，所述绕组连接在一含有运放的电路中，该电路能够维护所述绕组的电流并使霍尔电流传感器感知到的磁场为零。同时，在制作所述绕组时在所述磁芯上多绕几匝，匝数可以得到精确控制，使得所述绕组中电流比待测导体中的电流小许多倍。
本实施例中所述霍尔电流传感器的输出信号就是所述绕组中的电流，这个电流通常要被转换成电压值，再作进一步处理和数字化。所使用到的电阻的精度和稳定性将直接影响所述霍尔电流传感器的精度和稳定度。本实施例测量50A以上直流电流的方法中采用较高精度的（精密）分流电阻，所述分流电阻由三个不同部分组成，两个区域是端子，用于接入电路，另一个区域或多个并联区组成分流电阻的大部分；两个端子区之间用电阻段或使用焊接或冶金工艺的段进行连接，具有非常均匀的连接。所述分流电阻在阻性材料的横截面上，或在单个并联阻性部分和每个内部之间平均分配电流。
所述分流电阻的阻性部分材料采用锰铜，具有对温度依赖性低的阻抗特性。电阻散发的热量正比于电流的平方与电阻的乘积。举例来说，一个1mΩ的分流电阻在流经50A电流时的功耗为2.5W，这个功耗在有适中散热器和静止空气条件下是一个可控的值。
由于分流电阻的散热效应可以测量，并且能够用一种可预测的方式进行表达，因此一些基于分流电阻的系统可以补偿导致偏移和增益误差的分流电阻热效应。在设计电流测量系统的信号链，基于分流电阻的电流测量系统时，需哟啊仔细选择能够提供最小误差和飘移的元件。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式，任何符合本发明的权利要求书的且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或替换，皆应落入本发明的专利保护范围。
Claims (7)
1.一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于,使用测量大电流的霍尔电流传感器，所述霍尔效应传感器内置有载流元件，所述霍尔电流传感器使用一个磁芯将导体电流周围的磁场集中起来，磁芯上增加一个绕组，所述绕组用于产生符号相反的磁场，且所述磁场强度与待测电流产生的磁场完全相等，通过检测所述磁芯中磁场的有无或符号来测量待测导体电流。
2.根据权利要求1所述一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于, 所述磁芯中开设一个槽，所述槽中用于容纳实际的霍尔元件。
3.根据权利要求1或2所述一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于, 所述绕组连接在一含有运放的电路中，该电路能够维护所述绕组的电流并使霍尔电流传感器感知到的磁场为零。
4.根据权利要求3所述一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于,采用精密分流电阻，所述分流电阻由三个不同部分组成，两个区域是端子，用于接入电路，另一个区域或多个并联区组成分流电阻的大部分。
5.根据权利要求4所述一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于,两个端子区之间用电阻段，或使用焊接、冶金工艺的段进行连接。
6.根据权利要求4所述一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于, 所述分流电阻在阻性材料的横截面上，或在单个并联阻性部分和每个内部之间平均分配电流。
7.根据权利要求6所述一种测量50A以上直流电流的方法，其特征在于, 所述分流电阻的阻性部分材料采用锰铜，具有对温度依赖性低的阻抗特性。
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