Улучшение бесконтактного измерения тока в электромобилях: практические конструктивные решения

Автомобильная промышленность выходит за рамки компактных городских электромобилей и теперь предлагает разнообразные модели для удовлетворения растущего спектра потребностей — от семейного транспорта до спортивных и рекреационных авто. Эти автомобили, как правило, крупнее и, следовательно, тяжелее ранних моделей EV. Им требуются более крупные электродвигатели, которые, в свою очередь, потребляют больше энергии. Будь то полностью электрический, плагин-гибридный или мягкий гибрид, уровни напряжения и тока весьма значительны. В большинстве случаев аккумуляторы должны обеспечивать многие сотни вольт для достижения динамических характеристик, необходимых для перевода электромобилей на новый уровень производительности. Из-за этого тщательный мониторинг тока, текущего к двигателю, становится критически важной функцией для автопроизводителей.

Проблема точных измерений тока в среде EV

Переход от двигателей внутреннего сгорания к электрическим приводам поднимает множество новых вызовов для инженеров разных специальностей. Для системных инженеров вызов — балансировка соотношения мощность/вес, в то время как электроники и электронщики должны сосредоточиться на управлении энергией. Больше мощность — значит более быстрые и отзывчивые автомобили — но использование слишком большой мощности слишком быстро приводит к быстрому истощению источников питания и снижению пробега. Поэтому критически важно, чтобы каждая часть дизайна была оптимизирована.

Ключ к управлению энергией — точное измерение — токовый датчик в EV является эквивалентом датчика расхода топлива в обычном автомобиле. Измерение тока легко достичь с помощью шунта или резистора с низким сопротивлением. Чем выше ток, тем больше шунт, поэтому измерение токов величины, требуемой для мощных электродвигателей, потребовало бы физически крупных шунтов, которые тяжелы и дороги.

Бесконтактное измерение тока предоставляет привлекательную альтернативу шунтирующему резистору. Основанное на магниторезистивном или Холловом эффекте, оно использует электромагнитные поля, генерируемые при прохождении тока через проводник. Благодаря меньшим размерам, неинвазивной природе и гальванической изоляции, бесконтактное измерение тока быстро становится предпочтительным подходом для измерения тока у производителей электромобилей.

Типы бесконтактных датчиков для автомобильных применений

Размер магнитного поля вокруг проводника пропорционален текущему току, но даже при больших токах сила поля все равно относительно мала. Хотя Холловские чувствительные элементы могут быть очень чувствительными, эта чувствительность также делает их подверженными считыванию случайных или фоновых электромагнитных полей. К счастью, это искажение можно уменьшить с помощью экранирования или применения компенсирующих техник.

Однако компенсация всех форм паразитных ЭМИ потребовала бы глубокого понимания всех различных источников помех, что было бы сложно. Простейший и, пожалуй, более надежный подход — выбрать бесконтактный токовый датчик, обладающий некоторой врожденной иммунностью к паразитным полям.

В общем, 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 «сэндвич» датчик. Хотя сравнение всех трех затруднено из-за количества переменных, представленных уникальными приложениями, полезно оценить производительность на основе типичного сценария. В данном случае датчики оценивались с использованием шины шириной 20 мм и толщиной 2,5 мм с прямоугольным сечением, пропускающей 1000 А.

Бесконтактные токовые датчики на основе сердечника

В датчике на основе сердечника флюс-концентратор позиционируется вокруг материала, переносящего измеряемый ток. Круговая форма концентратора прерывается небольшим воздушным зазором, в который помещается магнитный датчик. Сердечник помогает сфокусировать флюс, индуцированный током, текущим в шине, на датчик.

Чувствительность датчика к флюсу, генерируемому током, зависит от нескольких факторов. Первым из них является размер воздушного зазора, так как меньший зазор позволяет большему количеству флюса достичь датчика. Следовательно, меньший датчик позволил бы сделать меньший воздушный зазор. Как показано на рисунке 2, в этом эксперименте ток 1000 А приводит к тому, что датчик регистрирует плотность флюса 200 мТ. Для сравнения, если сердечник отсутствует, тот же датчик зарегистрировал бы плотность флюса всего 20 мТ. Датчики, подходящие для этой конфигурации, включают HAL 24xy от TDK.

Для измерения иммунитета этой конфигурации к паразитным полям было проведено моделирование с предположением внешнего поля с плотностью флюса 5 мТ. Результаты видно на рисунке 2, показывающем, как магнитное поле направляется формой сердечника через датчик. При наличии внешнего поля способность датчика точно детектировать поле, генерируемое током, снижается в 40 раз. Вывод: датчик на основе сердечника обеспечивает хороший уровень экранирования от других источников ЭМИ, и с соответствующим уровнем сигнальной обработки его эффекты можно еще больше смягчить. В этом случае можно ожидать ошибку смещения всего 0,06% от полной шкалы.

Однако подход на основе сердечника имеет недостаток — относительно сложный монтаж, так как шина должна проходить через сердечник, а датчик должен находиться в воздушном зазоре. Кроме того, чтобы избежать насыщения от больших токов, сердечник также должен быть физически большим. Помимо этого, количество магниточувствительного материала, используемого в самом сердечнике, может привести к тому, что он станет источником гистерезисной ошибки и помех.

U-образный токовый датчик устраняет многие из этих недостатков.

U-образный экранированный токовый датчик

Как следует из названия, U-образный датчик имеет более большой воздушный зазор, но все равно предлагает степень экранирования от паразитных ЭМИ. Датчик получает экранирование на трех своих сторонах благодаря использованию мягкого магнитного материала. Форма концентратора упрощает монтаж по сравнению с конфигурацией на основе сердечника, так как сам датчик может быть расположен над шиной, смонтирован на небольшой печатной плате.

Этот стиль экранированного датчика будет иметь меньшую чувствительность, чем подход на основе сердечника, что является одной из компромиссов, которые инженеры должны учитывать при выборе наиболее подходящего дизайна для своего приложения. Как показано на рисунке 3, при токе 1000 А, текущем через шину, датчик обнаружил плотность магнитного флюса 50 мТ, соответствующую коэффициенту усиления 2.

Низкое усиление имеет свои преимущества. Это означает, что можно использовать практически любой датчик, такой как HAL 24xy или замкнутый датчик CUR 423x на основе туннельного магнитосопротивления (TMR) от TDK. Также, поскольку концентрация магнитного поля меньше, толщину экранирующего материала можно оптимизировать по пространству, весу и стоимости.

Как показывает рисунок 3, поле снова направляется вокруг экранирования; однако в этой конфигурации ошибка смещения, вызванная паразитным полем, составляет 0,55% от полной шкалы. Изменение формы экранирования и пространства вокруг датчика может улучшить эту ошибку смещения.

Решение на основе сердечника симметрично в плане восприимчивости, в то время как U-образная конфигурация асимметрична. Это означает, что U-форма более восприимчива к вертикально ориентированным полям, чем к горизонтальным. Это еще один фактор, который нужно учитывать при выборе и размещении бесконтактного токового датчика. В его пользу, однако, эта конфигурация имеет меньшую гистерезисную ошибку, чем датчик на основе сердечника, так как присутствует меньше магнитного материала. И наоборот, размер и форма датчика все еще во многом определяются уровнем необходимого экранирования.

Симметрично экранированный датчик предоставляет еще один вариант, приносящий преимущества как в размере, так и в способности к экранированию.

Токовые датчики с симметричным экранированием

Для приложений, требующих более высокого уровня экранирования ценой чувствительности, симметрично экранированная — «сэндвич» — конфигурация может быть наиболее подходящей. В этом подходе датчик расположен центрально над шиной, как и в U-образном подходе. Однако в этой конфигурации датчик экранируется с помощью двух кусков мягкого магнитного материала; один кусок находится над датчиком, а второй — под шиной. Таким образом, поля, генерируемые шиной и любыми паразитными ЭМИ, оба направляются через плоскость измерения датчика.

Это приводит к коэффициенту усиления 0,3, как показано в результатах моделирования на рисунке 4, что означает, что при том же токе 1000 А датчик измеряет всего 7,8 мТ. Это указывает на затухание 70%. Из-за этого можно использовать только датчики с высоким уровнем чувствительности, такие как TMR-датчик CUR 423x от TDK.

Главное преимущество этой конфигурации — относительно высокие уровни экранирования по сравнению с конфигурациями на основе сердечника и U-образными. Также, хотя сигнал затухает и комбинируется с паразитными ЭМИ, результат все равно составляет ошибку смещения всего 0,51% FS, что сравнимо с U-образным подходом, но без недостатков, которые он несет.

Самое большое преимущество конфигурации с симметричным экранированием заключается в том, что гистерезисная ошибка может быть полностью скомпенсирована. Это связано с тем, что поля в каждом из двух мягких магнитных материалов, используемых для экранирования, имеют противоположные ориентации поля. При тщательном проектировании два экрана могут эффективно компенсировать любое остаточное магнитное поле, создаваемое токами.

Еще одно главное преимущество этого подхода — его размер. Размер полной реализации датчика больше не диктуется размером флюс-концентратора или экранирования. Это означает, что симметрично экранированный подход может быть оптимизирован по размеру, весу и стоимости, независимо от размера шины или измеряемого тока.

Заключение

Хотя все три представленных решения имеют свои относительные преимущества, приложение в конечном счете определит выбор. Если нужны высокие уровни иммунитета, дизайн на основе сердечника трудно превзойти. Если низкая гистерезисная ошибка и малый размер являются определяющими факторами, то конфигурация симметрично экранированного датчика, вероятно, будет предпочтена. Результаты, представленные в Таблице 1, дают хороший снимок обсуждения.

Спрос на надежные, экономичные и надежные бесконтактные датчики тока в электромобилях растет. По мере того как больше производителей расширяют свои предложения в этой области, потребители смогут наслаждаться преимуществами полностью или частично электрических приводов.

Статью написал Лукас Клар, инженер-прикладник, TDK Micronas (Фрайбург им Брайсгау, Германия). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Кларом по адресу (защищенный от спам-ботов email) или посетите сайт .