Contactloze stroomsensing in EV's verbeteren: Praktische ontwerpoplossingen

De automobielindustrie beweegt zich verder dan de kleine elektrische pendelauto en biedt nu een verscheidenheid aan modellen aan om een toenemende reeks behoeften te vervullen, van gezinsvervoer tot sport en recreatie. Deze voertuigen zijn doorgaans groter en, als gevolg, zwaarder dan eerdere EV-modellen. Dit vereist grotere elektricemotoren die op hun beurt meer vermogen consumeren. Of het voertuig nu volledig elektrisch, plug-in hybride of milde hybride is, de betrokken spanning- en stroomniveaus zijn aanzienlijk. In de meeste gevallen moeten de batterijen diverse honderden volt leveren om de rijervaring te bereiken die nodig is om elektrische voertuigen naar het volgende prestatieniveau te tillen. Daarom wordt het nauwlettend monitoren van het volume van stroom dat naar de motor stroomt een kritiek belangrijke functie voor automobiele fabrikanten.

De uitdaging van nauwkeurige stroommetingen in EV-omgevingen

De shift van verbrandingsmotoren naar elektrische aandrivingen rijst veel nieuwe uitdagingen voor ingenieurs uit meerdere disciplines. Voor systeemingenieurs is de uitdaging het balanceren van het vermogen-gewicht-verhouding, terwijl elektrisch en elektronisch ingenieurs zich moeten richten op energiemanagement. Meer vermogen betekent snellere en responsievere voertuigen — maar te veel vermogen, te snel gebruiken, leidt tot snel uitgeputte energiebronnen en verminderd bereik. Het is daarom kritiek dat elk onderdeel van het ontwerp geoptimaliseerd moet worden.

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

Contactloze stroomsensing biedt een aantrekkelijke alternatief voor de shunt-weerstand. Gebaseerd op het magnetoweerstands- of Halleffect, benut het de elektromagnetische velden die ontstaan wanneer stroom door een geleider loopt. Vanwege hun kleinere formaat, niet-invasieve aard en inherente galvanische isolatie, wordt contactloze stroomsensing snel de bevorzugde stroommeetbenadering voor elektrisch voertuigfabrikanten.

Contactloze sensortypen voor automobiele toepassingen

De grootte van het magnetisch veld rond de geleider is evenredig met de doorlopende stroom, maar zelfs bij grote stromen is de veldsterkte nog steeds relatief klein. Hoewel Hallelementen erg gevoelig kunnen zijn, maakt deze gevoeligheid ze ook vatbaar voor het meten van streuende of achtergrond elektromagnetische velden. Gelukkig kan deze verstoring worden verminderd door afscherming of het toepassen van compenserende technieken.

Echter, het compenseren van alle vormen van streuende EMI zou een diepgaand begrip van alle verschillende interferentiebronnen vereisen, wat uitdagend zou zijn. De simpelste en waarschijnlijk meer robuuste aanpak is het selecteren van een contactloze stroomsensor die inherent immuun is voor streuende velden.

In het algemeen zijn er drie benaderingen voor contactloze stroomsensing, zoals getoond in Figuur 1. Deze omvatten de kern-gebaseerde sensor, de U-vormige sensor en de symmetrische 'sandwich' afgeschermde sensor. Hoewel het vergelijken van alle drie moeilijk is door het aantal variabelen gepresenteerd door unieke toepassingen, is het nuttig om prestaties te meten op basis van een typisch scenario. In dit geval werden de geëvalueerde sensors geëvalueerd met een 20 mm brede en 2,5 mm dikke busbar met een rechthoekige doorsnede, die 1000 A draagt.

Kern-gebaseerde contactloze stroomsensoren

In een kern-gebaseerde sensor wordt een fluxconcentrator rond het materiaal dat de te meten stroom draagt gepositioneerd. De circulaire vorm van de concentrator wordt onderbroken door een kleine luchtspeling, waarin de magnetische veldsensor wordt geplaatst. De kern helpt de flux geïnduceerd door de stroom in de busbar te focussen op de sensor.

De gevoeligheid van de sensor voor de flux gegenereerd door de stroomstroom is afhankelijk van verschillende factoren. De eerste is de grootte van de luchtspeling, aangezien een kleinere luchtspeling een hogere hoeveelheid flux toelaat de sensor te bereiken. Het volgt dat een kleinere sensor zou toelaten een kleinere luchtspeling. Zoals getoond in Figuur 2, resulteert in dit experiment een stroom van 1000 A in een sensor die een fluxdichtheid van 200 mT registreert. Ter vergelijking, als geen kern aanwezig was, zou dezelfde sensor een fluxdichtheid van slechts 20 mT registreren. Sensoren geschikt voor deze configuratie omvatten de HAL 24xy van TDK.

Om de immuniteit van deze configuratie voor streuende velden te meten, werd een simulatie uitgevoerd aannemend een extern veld met een fluxdichtheid van 5 mT. De resultaten zijn zichtbaar in Figuur 2, wat laat zien hoe het magnetische veld door de vorm van de kern wordt getraind om door de sensor te stromen. Met het externe veld aanwezig, wordt de capaciteit van de sensor om het door de stroomstroom gegenereerde veld nauwkeurig te detecteren met een factor 40 verminderd. De conclusie is dat de kern-gebaseerde sensor een goed niveau van afscherming biedt tegen andere EMI-bronnen, en met een passend niveau van signaalconditie kunnen de effecten verder gemitigeerd worden. In dit geval zou het redelijk zijn om een offsetfout van slechts 0,06% full scale te verwachten.

Echter, de kern-gebaseerde benadering heeft het nadeel dat het relatief moeilijk te monteren is, aangezien de busbar door de kern moet passeren, terwijl de sensor in de luchtspeling moet worden geplaatst. Bovendien, om verzadiging van grote stroomstromen te voorkomen, moet de kern ook fysiek groot zijn. Daarnaast kan de hoeveelheid magnetisch gevoelig materiaal in de kern ertoe leiden dat het een bron wordt van hysteresefout en interferentie.

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

De U-vormige afgeschermde stroomsensor

Zoals de naam suggereert, heeft de U-vormige sensor een grotere luchtspeling, maar biedt nog steeds een mate van afscherming tegen streuende EMI. De sensor profiteert van afscherming aan drie van zijn kanten dankzij het gebruik van een zacht magnetisch materiaal. De vorm van de concentrator maakt montage gemakkelijker dan een kern-gebaseerde configuratie, aangezien de sensor zelf boven de busbar kan worden gepositioneerd, gemonteerd op een klein printplaatje.

Deze stijl van afgeschermde sensor zal een lagere gevoeligheid hebben dan een kern-gebaseerde benadering, wat een van de trade-offs is die ingenieurs moeten overwegen bij het selecteren van het meest geschikte ontwerp voor hun toepassing. Zoals getoond in Figuur 3, met 1000 A door de busbar stromend, detecteerde de sensor een magnetische fluxdichtheid van 50 mT, wat overeenkomt met een winst van 2.

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

Zoals Figuur 3 toont, wordt het veld opnieuw om de afscherming heen geleid; in deze configuratie is de offsetfout veroorzaakt door het streuende veld 0,55% full scale. Het aanpassen van de vorm van de afscherming en de ruimte rond de sensor kan deze offsetfout verbeteren.

De kern-gebaseerde oplossing is symmetrisch in termen van gevoeligheid, terwijl de U-vormige configuratie asymmetrisch is. Dit betekent dat de U-vorm gevoeliger is voor verticaal georiënteerde velden dan voor horizontale velden. Dit is een andere factor om rekening te houden bij het selecteren en positioneren van een contactloze stroomsensor. Ten gunste van deze configuratie heeft het een lagere hysteresefout dan de kern-gebaseerde sensor, aangezien er minder magnetisch materiaal aanwezig is. Integenstelling, de grootte en vorm van de sensor worden nog steeds grotendeels bepaald door het benodigde afschermingsniveau.

De symmetrisch afgeschermde sensor biedt nog een optie, met voordelen in zowel grootte als afschermingsvermogen.

Stroomsensoren met symmetrische afscherming

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

Dit resulteert in een winst van 0,3, zoals getoond in de simulatieresultaten in Figuur 4, wat betekent dat voor dezelfde stroom van 1000 A de sensor slechts 7,8 mT meet. Dit wijst op een demping van 70%. Vanwege dit kunnen alleen sensoren met een hoog gevoeligheidsniveau, zoals TDK's CUR 423x TMR-sensor, worden gebruikt.

Het grootste voordeel van deze configuratie is het relatief hoge niveau van afscherming dat het biedt vergeleken met de kern-gebaseerde en U-vormige configuraties. Ook, hoewel het signaal gedempt wordt en gecombineerd met de streuende 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 die configuratie met zich meebrengt.

Het grootste voordeel van de symmetrische afschermingsconfiguratie is dat de hysteresefout volledig gecompenseerd kan worden. Dit komt doordat de velden in elk van de twee zacht magnetische materialen die in de afscherming gebruikt worden, tegengestelde veldoriëntaties hebben. Door zorgvuldig ontwerp kunnen de twee schilden effectief eventuele residuele magnetische velden gecreëerd door de stroomstromen opheffen.

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

Conclusie

Hoewel alle drie hier gepresenteerde oplossingen hun relative voordelen hebben, zal de toepassing uiteindelijk de keuze beïnvloeden. Als hoge immuniteitsniveaus nodig zijn, is het kern-gebaseerde ontwerp moeilijk te overtreffen. Als lage hysteresefout en kleine grootte de drijvende factoren zijn, dan is de symmetrisch afgeschermde sensorconfiguratie waarschijnlijk de favoriet. De resultaten gepresenteerd in Tabel 1 bieden een goed overzicht van de discussie.

De vraag naar robuuste, kosteneffectieve en betrouwbare contactloze stroomsensing in elektrische voertuigen neemt toe. Naarmate meer fabrikanten hun productaanbod in dit gebied uitbreiden, kunnen consumenten genieten van de voordelen die volledig of gedeeltelijk elektrisch aangedreven systemen bieden.

Dit artikel is geschreven door Lukas Klar, Application Engineer, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Duitsland). Voor meer informatie, contacteer meneer Klar op .