Praktische ontwerpoplossingen om contactloze stroomdetectie in elektrische voertuigen te verbeteren

De auto-industrie gaat verder dan de kleine elektrische forenzenauto en biedt nu een verscheidenheid aan modellen om aan een steeds groter aantal behoeften te voldoen, van gezinsvervoer tot sport en recreatie. Deze voertuigen zijn doorgaans groter en daardoor zwaarder dan eerdere EV-modellen. Deze vereisen grotere elektromotoren die op hun beurt meer stroom verbruiken. Of het voertuig nu volledig elektrisch, plug-in hybride of mild hybride is, de spannings- en stroomniveaus zijn aanzienlijk. In de meeste gevallen moeten de accu's vele honderden volt leveren om de rijervaring te krijgen die nodig is om elektrische voertuigen naar het volgende prestatieniveau te brengen. Daarom wordt het nauwlettend volgen van het stroomvolume dat naar de motor vloeit een uiterst belangrijke functie voor autofabrikanten.

De uitdaging van nauwkeurige stroommetingen in EV-omgevingen

De verschuiving van interne verbranding naar elektrische aandrijflijnen brengt veel nieuwe uitdagingen met zich mee voor ingenieurs uit meerdere disciplines. Voor systeemingenieurs is de uitdaging het balanceren van de vermogen-gewichtsverhouding, terwijl elektrische en elektronische ingenieurs zich moeten concentreren op energiebeheer. Meer vermogen betekent snellere en responsievere voertuigen - maar te veel vermogen gebruiken, te snel, leidt tot snel uitgeputte stroombronnen en een kleiner bereik. Het is daarom van cruciaal belang dat elk onderdeel van het ontwerp moet worden geoptimaliseerd.

De sleutel tot energiebeheer is nauwkeurige meting - de stroomsensor is het EV-equivalent van de brandstofstroomsensor in een conventioneel voertuig. Stroommeting kan eenvoudig worden bereikt met behulp van een shunt of laagwaardige weerstand. Hoe hoger de stroom, hoe groter de shunt, dus het meten van stromen van de grootte die nodig is voor krachtige elektromotoren zou fysiek grote shunts vereisen die zwaar en duur zijn.

Contactloze stroomdetectie biedt een aantrekkelijk alternatief voor de shuntweerstand. Gebaseerd op het magneto-resistieve of Hall-effect, maakt het gebruik van de elektromagnetische velden die worden gegenereerd wanneer stroom door een geleider gaat. Vanwege hun kleinere formaat, niet-intrusief karakter en inherente galvanische isolatie, wordt contactloze stroomdetectie snel de voorkeursmethode voor stroommeting voor fabrikanten van elektrische voertuigen.

Typen contactloze sensoren voor automobieltoepassingen

De grootte van het magnetische veld rond de geleider is evenredig met de stroom die vloeit, maar zelfs bij grote stromen is de veldsterkte nog steeds relatief klein. Hoewel Hall-sensorelementen erg gevoelig kunnen zijn, maakt deze gevoeligheid ze ook vatbaar voor het lezen van verdwaalde of elektromagnetische achtergrondvelden. Gelukkig kan deze vervorming worden verminderd door afscherming of het toepassen van compenserende technieken.

Het compenseren van alle vormen van verdwaalde EMI zou echter een diepgaand begrip van alle verschillende bronnen van interferentie vereisen, wat een uitdaging zou zijn. De eenvoudigste en aantoonbaar robuustere benadering is om een ​​contactloze stroomsensor te selecteren die enige inherente immuniteit biedt voor verdwaalde velden.

Over het algemeen zijn er drie benaderingen voor contactloze stroomdetectie, zoals weergegeven in afbeelding 1. Deze omvatten de op een kern gebaseerde sensor, de U-vormige sensor en de symmetrische 'sandwich' afgeschermde sensor. Hoewel het moeilijk is om alle drie te vergelijken vanwege het aantal variabelen dat door unieke applicaties wordt gepresenteerd, is het nuttig om de prestaties te meten op basis van een typisch scenario. In dit geval werden de sensoren geëvalueerd met behulp van een 20 mm brede en 2,5 mm dikke rail met een rechthoekige doorsnede, die 1000 A draagt.

Op kern gebaseerde contactloze stroomsensoren

In een op een kern gebaseerde sensor wordt een fluxconcentrator geplaatst rond het materiaal dat de te meten stroom draagt. De ronde vorm van de concentrator wordt onderbroken door een kleine luchtspleet, waarin de magneetveldsensor wordt geplaatst. De kern helpt bij het focussen van de flux die wordt veroorzaakt door de stroom die in de stroomrail naar de sensor vloeit.

De gevoeligheid van de sensor voor de flux die door de stroom wordt gegenereerd, is afhankelijk van verschillende factoren. De eerste hiervan is de grootte van de luchtspleet, aangezien een kleinere luchtspleet een grotere hoeveelheid flux toestaat om de sensor te bereiken. Hieruit volgt dat een kleinere sensor een kleinere luchtspleet mogelijk zou maken. Zoals weergegeven in figuur 2, resulteert in dit experiment een stroom van 1000 A in de sensor die een fluxdichtheid van 200 mT registreert. Ter vergelijking:als er geen kern aanwezig was, zou dezelfde sensor een fluxdichtheid van slechts 20 mT registreren. Sensoren die geschikt zijn voor deze configuratie zijn de HAL 24xy van TDK.

Om de immuniteit van deze configuratie voor strooivelden te meten, werd een simulatie uitgevoerd uitgaande van een extern veld met een fluxdichtheid van 5 mT. De resultaten zijn te zien in figuur 2, die laat zien hoe het magnetische veld wordt getraind door de vorm van de kern om door de sensor te stromen. Als het externe veld aanwezig is, is het vermogen van de sensor om het veld dat door de stroom wordt gegenereerd nauwkeurig te detecteren, verminderd met een factor 40. De conclusie hier is dat de corebased sensor een goed niveau van afscherming biedt tegen andere bronnen van EMI, en met een het juiste niveau van signaalconditionering, kunnen de effecten ervan verder worden verzacht. In dit geval zou het redelijk zijn om een ​​offsetfout van slechts 0,06% van de volledige schaal te verwachten.

De op een kern gebaseerde benadering heeft echter het nadeel dat deze relatief moeilijk te monteren is, aangezien de rail door de kern moet gaan, terwijl de sensor zich in de luchtspleet moet bevinden. Bovendien, om verzadiging door grote stroomstromen te voorkomen, moet de kern ook fysiek groot zijn. Bovendien kan de hoeveelheid magnetisch gevoelig materiaal die in de kern zelf wordt gebruikt, ertoe leiden dat deze een bron van hysteretische fouten en interferentie wordt.

De U-vormige stroomsensor lost veel van deze nadelen op.

De U-vormige afgeschermde stroomsensor

Zoals de naam al doet vermoeden, heeft de U-vormige sensor een grotere luchtspleet, maar biedt hij nog steeds een zekere mate van afscherming tegen verdwaalde EMI. De sensor profiteert van afscherming aan drie van zijn zijden dankzij het gebruik van een zacht magnetisch materiaal. De vorm van de concentrator maakt de montage eenvoudiger dan een op een kern gebaseerde configuratie, omdat de sensor zelf boven de rail kan worden geplaatst, gemonteerd op een kleine printplaat.

Dit type afgeschermde sensor zal een lagere gevoeligheid hebben dan een op kernen gebaseerde benadering, wat een van de afwegingen is die ingenieurs moeten overwegen bij het selecteren van het meest geschikte ontwerp voor hun toepassing. Zoals weergegeven in afbeelding 3, detecteerde de sensor een magnetische fluxdichtheid van 50 mT, met een stroomsterkte van 1000 A door de rail, wat overeenkomt met een versterking van 2.

De lage winst heeft echter zijn voordelen. Dit betekent dat bijna elke sensor kan worden gebruikt, zoals de HAL 24xy of de CUR 423x closed-loop sensor op basis van tunnel-magnetoweerstand (TMR) van TDK. Omdat er minder concentratie van het magnetische veld is, kan de dikte van het afschermingsmateriaal worden geoptimaliseerd voor ruimte, gewicht en kosten.

Zoals figuur 3 laat zien, is het veld weer om de afscherming heen gericht; in deze configuratie is de offsetfout die wordt veroorzaakt door het verdwaalde veld echter 0,55% volledige schaal. Het aanpassen van de vorm van de afscherming en de ruimte rond de sensor kan deze offsetfout verbeteren.

De kerngebaseerde oplossing is symmetrisch in termen van gevoeligheid, terwijl de U-vormige configuratie asymmetrisch is. Dit betekent dat de U-vorm gevoeliger is voor verticaal gerichte velden dan voor horizontale velden. Dit is een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren en lokaliseren van een contactloze stroomsensor. In zijn voordeel heeft deze configuratie echter een lagere hysteretische fout dan de op een kern gebaseerde sensor, omdat er minder magnetisch materiaal aanwezig is. Omgekeerd worden de grootte en vorm van de sensor nog steeds grotendeels bepaald door het benodigde afschermingsniveau.

De symmetrisch afgeschermde sensor biedt nog een andere optie, die voordelen biedt in zowel grootte als afscherming.

Huidige sensoren met symmetrische afscherming

Voor toepassingen die een hoger niveau van afscherming vereisen ten koste van de gevoeligheid, kan de symmetrisch afgeschermde - sandwich - configuratie het meest geschikt zijn. Bij deze benadering bevindt de sensor zich, net als bij de U-vormige benadering, centraal boven de rail. In deze configuratie is de sensor echter afgeschermd met twee stukken zacht magnetisch materiaal; een stuk zit boven de sensor terwijl het tweede onder de rail wordt geplaatst. Op deze manier worden velden die worden gegenereerd door de busbar en eventuele verdwaalde EMI beide gericht over het meetvlak van de sensor.

Dit resulteert in een winst van 0,3, zoals weergegeven in de simulatieresultaten in figuur 4, wat betekent dat voor dezelfde stroom van 1000 A de sensor slechts 7,8 mT meet. Dit geeft een demping van 70% aan. Hierdoor kunnen alleen sensoren met een hoog gevoeligheidsniveau, zoals de CUR 423x TMR-sensor van TDK, worden gebruikt.

Het grote voordeel van deze configuratie is de relatief hoge mate van afscherming die het biedt in vergelijking met de op kernen gebaseerde en U-vormige configuraties. Hoewel het signaal wordt verzwakt en gecombineerd met de verdwaalde EMI, is het resultaat nog steeds een offsetfout van slechts 0,51% FS, wat vergelijkbaar is met de U-vormige benadering, maar zonder de nadelen die configuratie met zich meebrengt.

Het grootste voordeel van de symmetrische afschermingsconfiguratie is dat de hysteretische fout volledig kan worden gecompenseerd. Dit komt omdat de velden in elk van de twee zachte magnetische materialen die in de afscherming worden gebruikt, tegengestelde veldoriëntaties hebben. Door een zorgvuldig ontwerp kunnen de twee schilden elk resterend magnetisch veld dat door de stroom wordt gecreëerd, effectief opheffen.

Een ander groot voordeel van deze aanpak is de omvang. De grootte van de complete sensorimplementatie wordt niet langer bepaald door de grootte van de fluxconcentrator of afscherming. Dit betekent dat de symmetrisch afgeschermde benadering kan worden geoptimaliseerd voor grootte, gewicht en kosten, ongeacht de grootte van de rail of de stroom die wordt gemeten.

Conclusie

Hoewel alle drie de hier gepresenteerde oplossingen hun relatieve voordelen hebben, zal de toepassing uiteindelijk de keuze beïnvloeden. Als een hoge mate van immuniteit nodig is, is het op de kern gebaseerde ontwerp moeilijk te overtreffen. Als een lage hysteretische fout en een klein formaat drijvende factoren zijn, heeft de symmetrisch afgeschermde sensorconfiguratie waarschijnlijk de voorkeur. De resultaten in tabel 1 geven een goed beeld van de discussie.

De vraag naar robuuste, kosteneffectieve en betrouwbare contactloze stroomdetectie in elektrische voertuigen neemt toe. Naarmate meer fabrikanten hun productaanbod op dit gebied uitbreiden, kunnen consumenten profiteren van de voordelen die volledig of gedeeltelijk elektrische aandrijflijnen bieden.

Dit artikel is geschreven door Lukas Klar, applicatie-ingenieur, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Duitsland). Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de heer Klar via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier .