Практические проектные решения для улучшения бесконтактного измерения тока в электромобилях

Автомобильная промышленность выходит за рамки небольших электрических пригородных автомобилей и теперь предлагает множество моделей для удовлетворения растущего круга потребностей, от семейного транспорта до спорта и отдыха. Эти автомобили обычно крупнее и, как следствие, тяжелее, чем предыдущие модели электромобилей. Для этого требуются более мощные электродвигатели, которые, в свою очередь, потребляют больше энергии. Независимо от того, является ли транспортное средство полностью электрическим, подключаемым гибридом или мягким гибридом, задействованные уровни напряжения и тока значительны. В большинстве случаев батареи должны обеспечивать напряжение в несколько сотен вольт, чтобы получить опыт вождения, необходимый для вывода электромобилей на новый уровень производительности. Из-за этого тщательный контроль силы тока, подаваемого на двигатель, становится критически важной функцией для производителей автомобилей.

Проблема точных измерений тока в среде электромобилей

Переход от двигателей внутреннего сгорания к электрическим трансмиссиям ставит множество новых задач перед инженерами из разных областей. Для системных инженеров задача состоит в том, чтобы сбалансировать соотношение мощности и веса, в то время как инженеры-электрики и электронщики должны сосредоточиться на управлении питанием. Больше мощности означает более быстрые и отзывчивые транспортные средства, но слишком быстрое использование слишком большой мощности приводит к быстрому истощению источников энергии и уменьшению дальности полета. Поэтому очень важно оптимизировать каждую часть дизайна.

Ключом к управлению питанием являются точные измерения — датчик тока в электромобиле эквивалентен датчику расхода топлива в обычном автомобиле. Измерение тока может быть легко достигнуто с помощью шунта или маломощного резистора. Чем выше ток, тем больше шунт, поэтому для измерения токов величины, необходимой для мощных электродвигателей, потребуются физически большие шунты, тяжелые и дорогие.

Бесконтактное измерение тока представляет собой привлекательную альтернативу шунтирующему резистору. Основанный на магниторезистивном эффекте или эффекте Холла, он использует электромагнитные поля, возникающие при прохождении тока через проводник. Из-за меньшего размера, ненавязчивого характера и встроенной гальванической развязки бесконтактное измерение тока быстро становится предпочтительным методом измерения тока для производителей электромобилей.

Типы бесконтактных датчиков для автомобильных приложений

Величина магнитного поля, окружающего проводник, пропорциональна протекающему току, но даже при больших токах напряженность поля все же относительно мала. Хотя датчики Холла могут быть очень чувствительными, эта чувствительность также делает их склонными к считыванию паразитных или фоновых электромагнитных полей. К счастью, это искажение можно уменьшить с помощью экранирования или применения методов компенсации.

Однако компенсация всех форм паразитных электромагнитных помех потребовала бы глубокого понимания всех различных источников помех, что было бы непросто. Самый простой и, возможно, более надежный подход — это выбрать бесконтактный датчик тока, который обладает некоторой естественной невосприимчивостью к полям рассеяния.

Как правило, существует три подхода к бесконтактному измерению тока, как показано на рисунке 1. К ним относятся датчик на основе сердечника, U-образный датчик и симметричный экранированный датчик типа «сэндвич». Хотя сравнивать все три сложно из-за количества переменных, представленных уникальными приложениями, полезно измерять производительность на основе типичного сценария. В этом случае датчики оценивались с использованием шины шириной 20 мм и толщиной 2,5 мм с прямоугольным поперечным сечением, пропускающей 1000 А.

Бесконтактные датчики тока на базе ядра

В датчике на основе сердечника концентратор потока расположен вокруг материала, по которому проходит измеряемый ток. Круглая форма концентратора прерывается небольшим воздушным зазором, в который помещается датчик магнитного поля. Сердечник помогает сфокусировать поток, вызванный током, протекающим по шине, на датчик.

Чувствительность датчика к потоку, создаваемому потоком тока, зависит от нескольких факторов. Первым из них является размер воздушного зазора, так как меньший воздушный зазор позволяет большему потоку достигать датчика. Из этого следует, что датчик меньшего размера позволит уменьшить воздушный зазор. Как показано на рисунке 2, в этом эксперименте ток 1000 А приводит к тому, что датчик регистрирует плотность потока 200 мТл. Для сравнения, если бы не было ядра, тот же датчик зарегистрировал бы плотность потока всего 20 мТл. Датчики, подходящие для этой конфигурации, включают HAL 24xy от TDK.

Для измерения невосприимчивости этой конфигурации к полям рассеяния было проведено моделирование с учетом внешнего поля с плотностью потока 5 мТл. Результаты можно увидеть на рис. 2, показывающем, как магнитное поле настраивается формой сердечника для протекания через датчик. При наличии внешнего поля способность датчика точно обнаруживать поле, создаваемое протекающим током, снижается в 40 раз. Здесь можно сделать вывод, что датчик на основе сердечника обеспечивает хороший уровень экранирования от других источников электромагнитных помех, а также соответствующий уровень обработки сигнала, его последствия могут быть дополнительно смягчены. В этом случае было бы разумно ожидать, что ошибка смещения составит всего 0,06 % от полной шкалы.

Однако недостатком подхода на основе сердечника является то, что его относительно сложно установить, поскольку шина должна проходить через сердечник, а датчик должен располагаться в воздушном зазоре. Кроме того, чтобы избежать насыщения из-за больших токов, сердечник также должен быть физически большим. В дополнение к этому количество магниточувствительного материала, используемого в самом сердечнике, может привести к тому, что он станет источником гистерезисной ошибки и помех.

U-образный датчик тока устраняет многие из этих недостатков.

U-образный экранированный датчик тока

Как следует из названия, U-образный датчик имеет больший воздушный зазор, но все же обеспечивает определенную степень защиты от паразитных электромагнитных помех. Датчик имеет экранирование с трех сторон благодаря использованию магнитомягкого материала. Форма концентратора упрощает сборку по сравнению с сердечником, поскольку сам датчик можно расположить над сборной шиной на небольшой печатной плате.

Этот тип экранированного датчика будет иметь более низкую чувствительность, чем подход на основе ядра, что является одним из компромиссов, которые инженеры должны учитывать при выборе наиболее подходящей конструкции для своего приложения. Как показано на рисунке 3, при токе 1000 А через шину датчик обнаружил плотность магнитного потока 50 мТл, что соответствует коэффициенту усиления 2.

Однако у низкого коэффициента усиления есть свои преимущества. Это означает, что можно использовать практически любой датчик, например, HAL 24xy или датчик замкнутого контура CUR 423x на основе сопротивления туннельного магнита (TMR) от TDK. Кроме того, из-за меньшей концентрации магнитного поля толщина экранирующего материала может быть оптимизирована с точки зрения занимаемого места, веса и стоимости.

Как видно из рис. 3, поле снова направлено вокруг экрана; однако в этой конфигурации ошибка смещения, вызванная полем рассеяния, составляет 0,55% полной шкалы. Изменение формы экрана и пространства вокруг датчика может уменьшить эту ошибку смещения.

Решение на базе сердечника симметрично с точки зрения восприимчивости, тогда как U-образная конфигурация асимметрична. Это означает, что U-образная форма более чувствительна к вертикальным полям, чем к горизонтальным. Это еще один фактор, который следует учитывать при выборе и размещении бесконтактного датчика тока. Однако в свою пользу эта конфигурация имеет меньшую гистерезисную ошибку, чем датчик на основе сердечника, поскольку присутствует меньше магнитного материала. И наоборот, размер и форма сенсора по-прежнему во многом определяются уровнем необходимого экранирования.

Сенсор с симметричным экраном представляет собой еще один вариант, обеспечивающий преимущества как в размере, так и в способности экранирования.

Датчики тока с симметричным экраном

Для приложений, требующих более высокого уровня экранирования за счет снижения чувствительности, наиболее подходящей может быть конфигурация с симметричным экраном — многослойная конфигурация. При таком подходе датчик располагается по центру над сборной шиной, как и при U-образном подходе. Однако в этой конфигурации датчик защищен двумя кусками магнитомягкого материала; одна часть находится над датчиком, а вторая - под шиной. Таким образом, поля, генерируемые шиной, и любые паразитные электромагнитные помехи направлены поперек плоскости измерения датчика.

Это приводит к усилению 0,3, как показано в результатах моделирования на рис. 4, а это означает, что при том же токе в 1000 А датчик измеряет всего 7,8 мТл. Это указывает на затухание 70%. По этой причине можно использовать только датчики с высоким уровнем чувствительности, такие как датчик TDK CUR 423x TMR.

Основным преимуществом этой конфигурации является относительно высокий уровень экранирования, который она предлагает, по сравнению с сердечником и U-образной конфигурацией. Кроме того, несмотря на то, что сигнал ослабляется и комбинируется с паразитными электромагнитными помехами, в результате погрешность смещения по-прежнему составляет всего 0,51% полной шкалы, что сравнимо с U-образным подходом, но без недостатков, связанных с конфигурацией.

Самым большим преимуществом симметричной конфигурации экранирования является то, что гистерезисная ошибка может быть полностью компенсирована. Это связано с тем, что поля в каждом из двух магнитомягких материалов, используемых в экранировании, имеют противоположную ориентацию поля. Благодаря продуманному дизайну два экрана могут эффективно нейтрализовать любое остаточное магнитное поле, создаваемое протекающими токами.

Еще одним важным преимуществом этого подхода является его размер. Размер полной реализации датчика больше не определяется размером концентратора потока или экрана. Это означает, что подход с симметричным экранированием может быть оптимизирован по размеру, весу и стоимости независимо от размера шины или измеряемого тока.

Заключение

Хотя все три представленных здесь решения имеют свои относительные преимущества, в конечном итоге на выбор будет влиять приложение. Если требуются высокие уровни помехоустойчивости, конструкцию на основе ядра трудно превзойти. Если движущими факторами являются низкая гистерезисная погрешность и малый размер, то предпочтение, скорее всего, отдается конфигурации датчика с симметричным экраном. Результаты, представленные в таблице 1, дают хорошее представление об обсуждении.

Спрос на надежные, экономичные и надежные бесконтактные датчики тока в электромобилях растет. Поскольку все больше производителей расширяют ассортимент своей продукции в этой области, потребители могут пользоваться преимуществами полностью или частично электрических трансмиссий.

Эта статья была написана Лукасом Кларом, инженером по применению, TDK Micronas (Фрайбург-им-Брайсгау, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Кларом по этому адресу электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или посетите здесь .