岳海波 武 瑾 莊勁武 袁志方 劉路輝

（1.海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）（2.艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（海軍工程大學(xué)） 武漢 430033）

1 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，其電力系統(tǒng)［1～3］在運(yùn)行的過程中，遇到了如下瓶頸難題：正常工況下，百米加速可在3s 內(nèi)完成，使得其加速階段的電流可高達(dá)600A 乃至800A，脈寬數(shù)秒。故障工況下，當(dāng)動力電池處于低SOC低溫度狀態(tài)時(shí)，短路電流峰值最小僅為數(shù)kA。兩種工況之間極小的電流差異，傳統(tǒng)熔斷器無法兼顧高過載電流沖擊和低短路故障電流快速保護(hù)的需求，而需要使用一種帶電子測控裝置的智能熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)，該電子測控裝置就需要電流傳感器進(jìn)行電流測量［4～8］。

目前研究和應(yīng)用較多的直流大電流檢測方法主要有分流器［9～10］，開環(huán)、閉環(huán)霍爾傳感器［11～13］。然而，分流器用于直流大電流檢測與控制時(shí)，存在體積大，功耗高、缺少電氣隔離等問題。開環(huán)，閉環(huán)霍爾電流傳感器鐵芯易飽和，不能準(zhǔn)確反映瞬間變化的短路大電流，體積較大，造價(jià)高。二者均不適用于混合型熔斷器這種空間有限且需要控制造價(jià)的應(yīng)用場合，因此必須研制新的電流傳感器以滿足混合型限流熔斷器對電流測控的要求［14～15］。

本文提出使用單個(gè)霍爾芯片直接測量被測電流在空氣中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方案，由于大電流時(shí)銅排周邊能對傳感器形成大干擾的可能性較小，可以考慮用固定在特殊位置上的單一芯片替代一整圈鐵芯的方法設(shè)計(jì)出主要用于短路保護(hù)的大電流霍爾傳感器?；魻栐敵鎏匦詢H與導(dǎo)體電流的大小保持線性關(guān)系，當(dāng)導(dǎo)體通以穩(wěn)態(tài)電流或其它任意瞬態(tài)電流，可使得霍爾元件檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小僅與導(dǎo)體電流的幅值相關(guān)與電流瞬態(tài)特性不相關(guān)，據(jù)此本文通過在銅排周圍特定位置布置單霍爾芯片來檢測穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)電流，一方面可以使傳感器的量程達(dá)到數(shù)十kA，帶寬達(dá)到幾百kHz，可以測量故障時(shí)的瞬時(shí)大電流。另一方面，因?yàn)閭鞲衅鳑]有鐵芯所以可以做到只有手掌大小，且重量不大于300g，而且霍爾元件本身已經(jīng)很成熟，價(jià)格比較低廉。單個(gè)霍爾芯片不含鐵芯，所以傳感器的量程、帶寬等特性只和霍爾元件本身的特性有關(guān)，而不會受到鐵芯直流偏磁、磁滯效應(yīng)、鐵芯易飽和等鐵芯固有性質(zhì)的制約。研究可為電流檢測器件的大量程測量和小型化提供借鑒。

2 混合型熔斷器工作原理

混合型限流熔斷器是將高速開斷器和限流熔斷器相結(jié)合的一種電力系統(tǒng)限流保護(hù)裝置，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的限流保護(hù)技術(shù)［16～18］。

混合型限流熔斷器組成如圖1 所示，主要有觸發(fā)器、火藥開斷器和滅弧熔斷器等構(gòu)成。正常工作時(shí)電流主要由高速開斷器承擔(dān)，通態(tài)損耗低。電子測控單元通過電流傳感器檢測到短路電流，發(fā)出點(diǎn)火信號，引爆高速開斷器內(nèi)的炸藥，開斷器迅速斷開，迫使短路電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的滅弧熔斷器上，滅弧熔斷器迅速熔斷，從而徹底切斷短路電流。

圖1 混合型限流熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖

3 霍爾傳感器檢測原理

霍爾電流傳感器中采用了霍爾效應(yīng)的元件，其中霍爾元件的核心是一塊半導(dǎo)體薄片，如圖2 所示。

圖2 霍爾效應(yīng)原理圖

在半導(dǎo)體薄片兩端通以恒定工作電流I，當(dāng)薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場時(shí)，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生電壓差為UH的霍爾電壓，它們之間的關(guān)系為

式中：RH為霍爾常數(shù)，m3·C-1；I為控制電流，A；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；d為霍爾元件厚度，m。

由式（1）可知，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

本文采用線性霍爾元件A1324，無磁場時(shí)輸出2.5V，有正向磁場時(shí)輸出2.5V～4.8V之間的電壓，有反向磁場時(shí)輸出2.5V～0.2V 之間的電壓。A1324靈敏度為5mV/Gs?？蓽y量磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍±460Gs。為便于工程應(yīng)用，將上述半導(dǎo)體薄片集成到一個(gè)霍爾元件的封裝內(nèi)。

4 單霍爾芯片設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的無鐵芯霍爾電流傳感器檢測導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)電流的方法，主要適用于截面為正方形、矩形、橢圓形或其他非圓形形狀的導(dǎo)體中電流的檢測，當(dāng)導(dǎo)體截面為非圓形截面時(shí)，所述導(dǎo)體四周的磁力線分布將隨導(dǎo)體電流特性的變化而變化。

4.1 短路電流幅值判斷的設(shè)計(jì)原理

如圖3和圖4所示，圖（a）、（c）為通入穩(wěn)態(tài)電流10kA，銅排電流密度及磁場分布圖；圖（b）、（d）為通入瞬態(tài)電流10kA，銅排電流密度及磁場分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，直流電作用下，銅排截面上的電流均勻分布，變化電流作用下，由于感應(yīng)渦流的存在，電流密度分布將呈現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。銅排的電流均主要集中在外表面和邊角處，內(nèi)表面和中心部分電流密度較小，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要分布在導(dǎo)體外表面上。這主要是因?yàn)閷?dǎo)體加載變化電流產(chǎn)生了集膚效應(yīng)，導(dǎo)致電流趨于導(dǎo)體表面分布。由于集膚效應(yīng)的存在，導(dǎo)致中心部分電流密度小，電流主要分布在四個(gè)邊角上。在通過的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流相同幅值時(shí)，霍爾元件所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度將有明顯差異。對于銅排寬厚比確定的銅排來說，其周圍某一固定點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與通過所述銅排的電流大小成對應(yīng)關(guān)系，在設(shè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，其對應(yīng)的銅排上通過的電流是確定的。因此可以確定該特定空間位置。

圖3 幅值10kA電流下銅排電流密度分布圖

圖4 幅值10kA電流下銅排磁感應(yīng)強(qiáng)度等值線分布圖

圖5 幅值10kA電流下穩(wěn)/瞬態(tài)交點(diǎn)位置

4.2 霍爾位置確定

由于銅排的寬厚比為100mm/10mm，網(wǎng)格剖分需要很細(xì)，計(jì)算量很大，如果選擇三維模型進(jìn)行仿真，會出現(xiàn)網(wǎng)格剖分失敗的現(xiàn)象。因此選擇二維模型進(jìn)行仿真分析，仿真模型涉及的電磁場問題可由Maxwell 方程微分形式和相應(yīng)的本構(gòu)方程進(jìn)行描述，基本方程如下：

式中，H為磁場強(qiáng)度，A/mB為磁通密度，T；J是電流密度，A/m2；E為電場強(qiáng)度，V/m；μ為磁導(dǎo)率，H/m；σ為電導(dǎo)率，S/m。

4.3 穩(wěn)瞬態(tài)交點(diǎn)位置

通以穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流（本文以15A/μs 上升率電流為例）相同幅值時(shí)，由仿真結(jié)果可知霍爾元件所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度將有明顯差異，那么需要找到一個(gè)合適的位置，使該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅隨電流幅值大小線性變化。線性霍爾元件A1324 最大可測量的磁感應(yīng)強(qiáng)度為±460G。設(shè)計(jì)電流傳感器最大量程為10kA，電流幅值在10kA 的條件下，尋找穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)通流下磁感應(yīng)強(qiáng)度為460Gs 的位置。也就是說銅排通以10kA 瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)電流時(shí)，所述霍爾元件在交點(diǎn)處特定位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為460G。兩條曲線交點(diǎn)坐標(biāo)為（45，18）。

霍爾元件固定在混合型限流熔斷器的銅排上，固定位置為銅排邊緣偏內(nèi)側(cè)5mm，距離銅排表面13mm的高度，安裝位置如圖6所示。

圖6 霍爾芯片安裝位置圖

圖7 穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 變比的確定

給矩形銅排通入穩(wěn)態(tài)電流，記錄通流前后霍爾電壓變化，以此計(jì)算出單霍爾芯片電壓/電流的變比。

把試品接入直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源電纜上。為避免實(shí)驗(yàn)過程中霍爾元件位置發(fā)生偏移，實(shí)驗(yàn)中樣品連接線保持不動。為確保測量的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中通過反接電流輸入輸出端，達(dá)到正/反向通流，記錄霍爾輸出變化量。

表1 穩(wěn)態(tài)通流下霍爾輸出電壓

由霍爾測量電流原理得，霍爾電壓輸出差值與電流成正比，因此可以計(jì)算出，此處霍爾芯片電壓/電流的變比為1V：5604A。

5.2 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖8 所示為本文使用的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)測試平臺，使用蓄電池組或大電容供電，回路中串接電感以及安置好位置的霍爾元件試品，所有信號和圖像均輸出到計(jì)算機(jī)。其中電流信號通過羅氏線圈監(jiān)測，目的是為了檢測放電回路真實(shí)電流，為霍爾元件經(jīng)過變比得到的電流提供比較依據(jù)。為得到15A/μs 上升率的電流，選用電感為53μH，給電容預(yù)充電壓為800V。

圖8 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)電路圖

將在穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的兩組不同位置電壓電流靜態(tài)變比1V：5604A 代入Matlab 中繪制波形，得到在15A/μs 瞬態(tài)電流情況下，霍爾檢測到的電流數(shù)據(jù)如圖9。

圖9 單霍爾芯片檢測瞬態(tài)電流示意圖

從試驗(yàn)結(jié)果來看，經(jīng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的變比帶入霍爾檢測的瞬態(tài)電流中得到的電流，與羅氏線圈檢測的電流結(jié)果誤差僅在3%，在誤差要求范圍內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證了單霍爾芯片檢測穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流方法的正確性。無論通過的電流為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)，只要電流幅值未超過設(shè)定電流時(shí)，所述霍爾傳感器可準(zhǔn)確檢測出此時(shí)的電流大小。

6 結(jié)語

本文針對混合型限流熔斷器中電流傳感器造價(jià)高，體積大，檢測電流量程小等問題。提出了單霍爾芯片方案。從原理上分析非圓形導(dǎo)體在通以穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流下磁場變化的變化規(guī)律。通過建立有限元仿真模型找到了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況下霍爾元件電流檢測準(zhǔn)確的安裝位置，得到了以下結(jié)論。

1）對于寬厚比確定的銅排，其外部磁場任何一點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)通流下，該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與電流大小成線性比例關(guān)系。

2）在通過的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)電流相同幅值時(shí)，霍爾元件所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度將有明顯差的原因是：導(dǎo)體加載變化電流產(chǎn)生了集膚效應(yīng)，銅排的電流均主要集中在外表面和邊角處，導(dǎo)致瞬態(tài)情況下磁場分布發(fā)生了變化。

3）進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，單霍爾芯片測量結(jié)果與羅氏線圈測試結(jié)果誤差僅為3%，有效說明了方案的可行性。