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來源：Digi-Key 作者：Alan Yang 隨著我國低碳經濟時代的到來，電動汽車必將成為今后我國汽車工業和新能源產業發展的重點。現在很多電動汽車充電樁，通過實際消耗的電量來計費。因此，如何精確的測得直流電能非常重要。 本文將討論： 1. 電動車充電樁的直流電能計量。 2. 如何設計直流電能表。 3. 通過分析ADI直流電能表設計實例，來看看電動車充電樁直流電能表設計應該如何實現。 電動車直流和交流充電樁的差異 對于有電動車的朋友，最直觀的感受是，直流充電快（快充），交流充電慢（慢充）。這是由于一般電動車的電池需要靠直流充電，而外界交流電，最終大多要轉換成直流才能充電。 更加根本的原因是：直流電相對于傳統的交流供電可以顯著提高效率。特別是在碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等材料的新型功率開關技術出現后，轉化效率進一步提高。 電動車充電樁的直流電能計量 下圖是典型的電動車充電樁應用。 
圖1：電動車充電樁應用 （圖片來源：ADI） 電動車充電樁的能量來源可以是清潔的能源（如光伏發電），也可以是電網。通過直流轉直流（DC-DC）或者交流轉直流（AC-DC），轉化成合適的電壓給電動車充電。 一些傳統的電動車充電是在交流側計量的，其缺點是無法測量交流到直流轉換過程中損失的能量，導致最終客戶的計費不準確。 最好的方式是在交流直流轉換的兩側同時測量，其好處是，通過兩側的能量測量，我們能即時得知是否出現故障或者是否存在故意篡改檢測能力的情況。 如何設計直流電能表 下面是一個典型的直流電能表的基本結構：為了測量負載消耗的功率（P=V×I），至少需要一個電流傳感器和一個電壓傳感器。
圖2：直流電能表基本結構（圖片來源：ADI） · 電壓測量 電阻分壓：電壓通常用電阻分壓測量，電阻分壓用于按比例將電位降低到與系統ADC輸入兼容的水平。然而，必須注意所選元件的溫度系數和電壓系數，以保證整個溫度范圍內所需的精度。 對于一些應用，對應的電壓特別高，這個時候可以選擇Digi-Key高壓電阻。
圖3：Digi-Key高壓電阻 對于電壓測量，由于輸入信號的大幅度，用標準元件可以很容易地實現精確的電壓測量。 · 電流測量 電流測量主要有直接測量和間接測量兩種。 · 直接測量（基于電流檢測電阻）：根據歐姆定律，電流通過一個已知阻值的電流檢測電阻，通過測量電流檢測電阻的電壓來精確計算電流值。 這種方式經濟、準確、有效，理論上具有無限的帶寬。然而，對于大電流的情況，電流檢測電阻發熱嚴重。這意味著當電流很小的情況和電流很大的情況，受到電阻溫度系數影響，會有較大誤差。因此，需要超低的溫度漂移的電流檢測電阻。
電動勢（EMF），即兩個不同的導電體或半導體之間的溫差會在兩者之間產生電位差。熱容量的任何差異，例如傳感器陰極連接到更大的銅質量（接地層），都會在溫度分布中產生不匹配，從而導致由熱電動勢效應引起的測量誤差。 因此，必須注意電流檢測器的連接和所產生熱量的分配。
圖5：溫度梯度導致電流檢測電阻熱電動勢 （圖片來源：ADI） · 間接測量：通電導線周圍會產生磁場，電流傳感器可以通過檢測磁場，來得知電流的大小。從而實現間接測量。 Digi-Key電流傳感器主要有下面幾種類型：
圖6：Digi-Key電流傳感器 開環霍爾傳感器 vs 閉環霍爾傳感器vs磁通門 · 開環霍爾傳感器是由一個高磁導率磁環構成，被測電流線通過該磁環。 · 閉環霍爾傳感器在磁環周圍多了一組線圈，通過測量補償電流，提高了線性度，沒有磁芯磁滯現象，從而具有更好的溫度漂移和更高的精度。但額外的補償電路使傳感器更昂貴，帶寬上有時也會有限制。 · 磁通門是一個復雜的開環或閉環系統，通過監測飽和磁芯的磁通變化來測量電流。它提供了良好的溫度穩定性和精度，但是價格更貴。
ADI直流電能表設計實例分析 對于電壓測量，由于輸入信號的大幅度，用標準元件可以很容易地實現精確的電壓測量。對于電流測量，往往需要加一個放大器，來放大信號。 對于信號鏈芯片，在設計時有兩個最重要的考量點： · 各級的精度要求是否滿足整體的精度要求。 · 在不同環境溫度下，溫漂系數是否滿足整體的精度要求。 下面是ADI給出的直流電能表方案：
圖7：ADI直流電能表 （圖片來源：ADI） · 放大器的選擇 假設80A電流，電流檢測電阻75μΩ。要求精度1%，即在電流檢測電阻上產生60μV的小信號，也就是放大器的偏置電壓（誤差）至少要小于這個值。 比如ADI ADA4528的最大偏移電壓為2.5μV，最大偏移電壓漂移為0.015μV/°C。基本可以滿足要求。 這里需要注意的，不管是電流傳感器還是分壓電阻，盡量使用4線法測量，從而進一步減少線纜中電阻對于測量的影響，進一步提高精度。 · ADC采樣芯片選擇 對于ADC采樣芯片，24位ADC7779可以直接連接到放大級，且具有5nV/°C的輸入偏置漂移。 通過分壓電阻1000:1的比例，可以準確地測量出高直流電壓，然后連接到AD7779 ADC輸入。 最后，連接到微控制器MCU計算。瞬時功率（P=I×V），累積瞬時功率，就是消耗的能量。 當然，后續可以設計接一些外圍設備，如RS-485、LCD顯示器和按鈕等。 本文小結 我國提出2030年前碳達峰和2060年前碳中和目標，對更有效和更環保的電力的需求前所未有。電動汽車必將成為今后發展的趨勢，直流測量除了在電動汽車充電樁上會有廣泛的應用，在可再生能源發電、微電網、數據中心等領域也會有很好應用。 |
