隨著我國低碳經(jīng)濟時代的到來，電動汽車必將成為今后我國汽車工業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點。現(xiàn)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(shè)計直流電能表。
3. 通過分析ADI直流電能表設(shè)計實例，來看看電動車充電樁直流電能表設(shè)計應(yīng)該如何實現(xiàn)。
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(zhuǎn)換成直流才能充電。
更加根本的原因是：直流電相對于傳統(tǒng)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(guān)技術(shù)出現(xiàn)后，轉(zhuǎn)化效率進一步提高。
下圖是典型的電動車充電樁應(yīng)用。
圖1：電動車充電樁應(yīng)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(fā)電），也可以是電網(wǎng)。通過直流轉(zhuǎn)直流（DC-DC）或者交流轉(zhuǎn)直流（AC-DC），轉(zhuǎn)化成合適的電壓給電動車充電。
一些傳統(tǒng)的電動車充電是在交流側(cè)計量的，其缺點是無法測量交流到直流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的兩側(cè)同時測量，其好處是，通過兩側(cè)的能量測量，我們能即時得知是否出現(xiàn)故障或者是否存在故意篡改檢測能力的情況。
如何設(shè)計直流電能表
下面是一個典型的直流電能表的基本結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)（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(tǒng)ADC輸入兼容的水平。然而，必須注意所選元件的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)，以保證整個溫度范圍內(nèi)所需的精度。
對于一些應(yīng)用，對應(yīng)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(xiàn)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(jù)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(jīng)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(fā)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(shù)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。
電流檢測傳感器 | 分流電阻（Shunt Resistor） |
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電流較小的時候使用 | 由特定的金屬合金制成，如錳銅或鎳鉻合金，這些合金抵消了其成分的相反溫度漂移，從而導致幾十ppm/°C左右的整體漂移。 |
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(chǎn)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(zhì)量（接地層），都會在溫度分布中產(chǎn)生不匹配，從而導致由熱電動勢效應(yīng)引起的測量誤差。
因此，必須注意電流檢測器的連接和所產(chǎn)生熱量的分配。
間接測量：通電導線周圍會產(chǎn)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(xiàn)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(huán)霍爾傳感器是由一個高磁導率磁環(huán)構(gòu)成，被測電流線通過該磁環(huán)。
閉環(huán)霍爾傳感器在磁環(huán)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(xiàn)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(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，通過監(jiān)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(wěn)定性和精度，但是價格更貴。
開環(huán)霍爾傳感器 | 閉環(huán)霍爾傳感器 | 磁通門 | |
圖片 |  圖片來源： Honeywell CSLA2DGI |
圖片來源： CR Magnetics CR5220-150 |
圖片來源： LEM CKSR 75-NP |
結(jié)構(gòu) |
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| 復雜的開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng) |
特點 | 價格有優(yōu)勢； 體積小； 功耗低； | 磁環(huán)周圍多了一組線圈； 線性度高； 沒有磁芯磁滯現(xiàn)象； 良好的溫度漂移； 良好的精度； | 良好的溫度穩(wěn)定性更高的精度； 價格更貴； |
ADI直流電能表設(shè)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(xiàn)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(shè)計時有兩個最重要的考量點：
1. 各級的精度要求是否滿足整體的精度要求。
2. 在不同環(huán)境溫度下，溫漂系數(shù)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：
放大器的選擇
假設(shè)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(chǎn)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
本文小結(jié)
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(huán)保的電力的需求前所未有。電動汽車必將成為今后發(fā)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(yīng)用，在可再生能源發(fā)電、微電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域也會有很好應(yīng)用。
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