霍尔电流传感器在全钒液流电池系统中的应用原理解析

1. 引言

钒电池，全称是全钒液流电池，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，也是一种新型清洁能源储存装置。在众多储能方案中，与其他储能技术相比，全钒液流电池储能技术因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优势，成为大规模储能的首选技术之一，未来在储能行业具备无可估量的发展潜力。大规模储能电池有三个基本要求：高安全性、生命周期性价比高及生命周期环境友好。霍尔电流传感器由于其突出的性能优势，被越来越多的电池制造商选用，作为电池系统电量监控的元器件，能满足大规模储能电池的三个基本要求。

全钒液流电池系统

2. 工作原理

霍尔电流传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。按原理可分为开环（直放式）和闭环（磁平衡式）两种工作方式。基于实际应用中开环（直放式）原理传感器结构相对紧凑、功耗小且成本较低，普遍采用开环（直放式）原理霍尔电流传感器应用于电池系统中的电流在线监测。

开环式霍尔电流传感器又称直放式霍尔电流传感器，它是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、放大器等组成。被测电流经过传感器的穿孔，软磁材料起到聚磁作用，位于气隙中的霍尔元件能检测到磁性的大小，并输出微弱的电压信号，该微弱的电压信号经过运算放大器放大后，被调理成标准信号DC0-5V、DC4-20mA等，该输出电压信号大小与被测量的电流是线性比例关系。

开环（直放式）原理

3. 产品介绍

3.1产品选型

开环霍尔电流传感器具有测量双向直流电流，过载能力强，反应速度快，高线性度 ，穿孔开口式、维护方便等众多优点。综合了电流互感器和分流计的所有优点，克服了互感器和分流器的不足，如下表所示：

一般情况下，根据输入信号、外形、内孔尺寸来选择霍尔电流传感器。在传感器行业内，江苏安科瑞严格按照JB/T 7490-2007《霍尔电流互感器》行业标准规定的各项要求，相对于同行采用插针式接线不同，一律采用绿色可插拔端子，现场接线方便、可靠。常见的品牌产品如下表：

3.2产品外形

根据用户现场应用将外形分为闭口式开环、开口式开环两种，如下图所示：

3.3 技术指标

响应时间：≤10us

频宽：20kHz

失调电压：±15mV

工作温度：-25～70℃

存储温度：-40～80℃

输出负载：根据不同辅助电源、输入信号、输出信号而定

输入过载能力：输入量程最大值2倍可恢复正常工作

耐压：3.5kV/50Hz/1min

4. 应用

4.1对钒电池系统进行监测

作为一个高效的储能装置，钒液流电池有很多优势，该优势的发挥依赖于对系统中各部件的系统监测，不允许出现故障，否则一切优势将不复存在。在钒液流电池系统中，存在两个容器，分别盛放正极和负极的液体溶液，溶液的交换仰赖于高效的电磁泵的可靠运行，一旦该泵发生故障，交换活动就会停止，电池也将停止运行。所以在整个电池系统中，磁力驱动循环泵作为唯一的一个存在机械运动的部件，必须对其进行可靠监控，才能保证系统的安全运行。所以该磁力驱动循环泵的电流必须要进行监控。此外电堆的放电电流，以及充电时的充电电流，也要监控起来，以监测电堆内部是否发生故障。

钒电池系统

因为存在充放电双向电流，故推荐使用双向测量的直流霍尔电流变送器AHKC系列，为了现场方便安装，推荐采用开口形式及可拆卸方式安装，输出0-5V。对于磁力泵的电流监测，由于电流较小，可以采用AHKC-EKA系列传感器进行监测即可。而对于电堆的充放电监测，由于存在大电流输出，故推荐采用AHKC-EKB系列。

4.2使用注意事项

1、看现场的设备是否已经安装好，传感器有开口的和闭口之分，闭口精度高，开口精度差，在不能断线的线的情况下需要选择开口，而且还需要考虑到以后对设备维护的时候更换传感器能否断线；

2、 使用中当大的直流电流流过传感器原边线圈，且次级电路没有接通电源|稳压器或副边开路，则其磁路被磁化，而产生剩磁，影响测量精度（故使用时要先接通电源和测量端M），发生这种情况时，要先进行退磁处理。其方法是次边电路不加电源，而在原边线圈中通过同样等级大小的交流电流并逐渐减小其值；；

3、 对于监测蓄电池组的霍尔电流传感器、电压传感器选择时需要注意，是否需要监测反向电流电压，因为蓄电池存在充放电问题；

4、 为了得到较好的动态特性和灵敏度，必须注意原边线圈和副边线圈的耦合，要耦合得好，最好用单根导线且导线完全填满霍尔传感器模块孔径；

5、 在大多数场合，霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力，一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的，但当有更强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有：

① 调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小；

② 在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩；

③ 选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块；

④ 测量的最佳精度是在额定值下得到的，当被测电流远低于额定值时，要获得最佳精度，原边可使用多匝，即：IpNp=额定安匝数。另外，原边馈线温度不应超过８０℃。

5. 结束语

钒液流电池具有的先天优势即将得到大面积的推广，同时高可靠性的系统依赖于高可靠性的监控系统的有效运行。霍尔电流传感器因其众多优点，通过对大电流进行精确的检测和控制，保证了电池系统安全可靠的运行。在整个监控系统中，霍尔电流传感器是核心器件之一，能对异常状况及时处理，直接决定着系统的可靠性和长期稳定性，为钒电池系统提供了坚实可靠的保障。
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