Sfide del rilevamento di corrente negli inverter di trazione integrati ad alta potenza:
la crescente popolarità dei veicoli elettrici (EV) impone naturalmente maggiori esigenze in termini di affidabilità, soprattutto per quanto riguarda l'autonomia. Per raggiungere questo obiettivo, componenti come gli inverter di trazione integrati ad alta potenza, cruciali per l'autonomia della batteria e per l'esperienza di guida complessiva, devono essere il più compatti ed efficienti possibile. Un inverter di trazione converte la corrente continua (CC) della batteria del veicolo elettrico in corrente alternata (CA) che alimenta il sistema di propulsione. Un'altra funzione dell'inverter è quella di recuperare l'energia dalla frenata rigenerativa e restituirla alla batteria.
La soluzione ai requisiti degli inverter di trazione integrati ad alta potenza è stata lo sviluppo di moduli di potenza affidabili per ridurre lo spazio occupato da componenti come condensatori, induttori, trasformatori e filtri, sfruttando al contempo i vantaggi dei MOSFET al carburo di silicio per una commutazione più rapida e una maggiore tensione della batteria.
Gli ingegneri che lavorano alla progettazione di inverter di trazione per veicoli elettrici sanno che il sensore di corrente è un componente chiave. Per soddisfare le esigenze del mercato dell'elettromobilità, i sensori di corrente senza nucleo devono offrire elevata precisione e un prezzo competitivo, oltre a un'elevata integrazione e alla capacità di operare in ambienti difficili e ostili.
L'integrazione di sensori di corrente senza nucleo nei veicoli elettrici è ancora nelle fasi iniziali.
I sensori di corrente senza nucleo rappresentano una soluzione promettente per il futuro perché consentono l'utilizzo di componenti più piccoli e meno costosi, ma molte sfide restano da affrontare prima che questa tecnologia possa essere ampiamente adottata. Queste sfide vengono affrontate da LEM, un'azienda specializzata in misurazioni elettriche.
Ad esempio, l'ampia variazione del campo magnetico nello spazio richiede che i sensori senza nucleo siano montati sulla barra conduttrice con elevata precisione e senza possibilità di movimento dopo l'assemblaggio e la calibrazione. Una variazione di appena un decimo di millimetro può rapidamente portare a un livello di errore inaccettabile negli inverter di trazione ad alta potenza. Tolleranze di montaggio, movimentazione meccanica, vibrazioni ed espansione termica sono tutte potenziali cause di spostamento. Insieme alla necessità di superare l'effetto peculiare per ottenere un'elevata larghezza di banda, questi fattori richiedono un notevole impegno nella progettazione meccanica per misurare la corrente in modo affidabile. Inoltre, con la crescente compattezza degli inverter di trazione, i conduttori si avvicinano sempre di più e la distribuzione del campo magnetico diventa più complessa. I sensori senza nucleo, grazie alle loro capacità di misurazione differenziale, sono immuni ai campi esterni omogenei, ma non ai gradienti di campo, che possono introdurre un maggiore margine di errore nelle misurazioni. In breve, le significative limitazioni di progettazione meccanica necessarie per raggiungere la precisione desiderata, unite al tempo necessario per la calibrazione dell'inverter, rendono la soluzione con sensori senza nucleo meno attraente... almeno per il momento.
Superare gli ostacoli con i sensori di corrente a nucleo magnetico:
fino a quando queste barriere tecniche non saranno superate, i sensori di corrente a nucleo magnetico completamente calibrati rimarranno il metodo preferito per ottenere misurazioni di corrente altamente accurate negli inverter di trazione dei veicoli elettrici. Questa tecnologia non solo vanta un vantaggio significativo, ma conserva anche un enorme potenziale di sviluppo e innovazione.
Durante il funzionamento, il nucleo magnetico concentra e amplifica il campo magnetico per il rilevamento con rumore di uscita ridotto, proteggendo al contempo la misurazione dalle interferenze causate da campi esterni. Ciò si traduce in un elevato rapporto segnale/rumore (SNR) su un'ampia banda passante. Misurazioni affidabili e stabili sono possibili anche in ambienti con forti vibrazioni grazie al controllo preciso dell'assemblaggio e della calibrazione del nucleo magnetico, dell'ASIC basato sull'effetto Hall e della barra conduttrice.
La sfida è che i sensori a nucleo magnetico ad anello aperto tendono ad essere ingombranti e presentano difficoltà di integrazione a livello di inverter. Per questo motivo LEM ha concentrato i suoi sforzi sullo sviluppo di sensori di corrente compatti ed economici con nucleo magnetico che offrono misurazioni di corrente affidabili nella più ampia gamma possibile di applicazioni. Questi sensori fanno parte del crescente portafoglio prodotti dell'azienda, specificamente progettato per l'utilizzo con gli inverter di trazione dei veicoli elettrici. Ciò consente ai clienti di selezionare prodotti altamente affidabili per soddisfare i requisiti dei loro inverter, permettendo ai produttori di componenti per veicoli elettrici di accelerare i tempi di immissione sul mercato.
Quando si è trattato di risolvere i problemi dei clienti che i sensori di corrente esistenti non erano in grado di affrontare, il reparto R&D di LEM ha fornito una soluzione sotto forma del sensore di corrente monofase HSTDR con sbarra conduttrice integrata. Questo sensore è significativamente più piccolo di qualsiasi sensore di corrente tradizionale con apertura. Progettato per misurare la tensione di connessione CC e le correnti trifase, nonché nei convertitori CC/CC, le dimensioni compatte dell'HSTDR offrono una flessibilità superiore ai progettisti che lavorano nello spazio limitato di un involucro di un inverter di trazione. L'HSTDR offre anche protezione contro i campi esterni e un elevato rapporto segnale/rumore (SNR) grazie al suo nucleo magnetico con un piccolo traferro.
Le sbarre conduttrici sono in genere isolate dal nucleo magnetico nei progetti tradizionali, ma il metodo di LEM di posizionare il nucleo direttamente sulla sbarra conduttrice, che presenta un vincolo, consente di ottenere un nucleo molto più compatto. I tipici sensori di corrente con apertura richiedono solitamente un'ampia apertura per scorrere sulle sbarre conduttrici, la cui progettazione può risultare complessa, con conseguente aumento delle dimensioni del sensore. Al contrario, non ci sono limitazioni sul punto di installazione dei sensori con sbarre conduttrici integrate. Ciò consente di ridurre al minimo l'apertura del nucleo magnetico, diminuendo così le dimensioni complessive del nucleo fino al 40%, e al contempo di aumentare il campo di misura della corrente del 60% rispetto alla precedente generazione di HSNDR. Questo offre ai progettisti di componenti per veicoli elettrici una maggiore flessibilità, poiché il sensore può essere posizionato in qualsiasi punto dell'inverter di trazione.
Un nucleo magnetico più piccolo riduce inoltre naturalmente il peso complessivo del sensore di circa il 50%. Di conseguenza, il sensore può tollerare vibrazioni fino a 10 g, un requisito comune negli ambienti automobilistici. Un ulteriore vantaggio di un nucleo magnetico più piccolo è la riduzione della quantità di materie prime necessarie per la produzione del sensore, con conseguente limitazione dei costi. Si ottengono inoltre significativi risparmi di tempo e aumenti di produttività grazie a un sensore completamente calibrato che integra nucleo, barra conduttrice ed elemento sensibile in un unico pacchetto.
Considerazioni di progettazione per il nuovo sensore:
Quando gli ingegneri LEM hanno progettato il sensore di corrente monofase HSTDR pensando al mercato degli inverter di trazione per veicoli elettrici, hanno considerato tre aspetti chiave. In primo luogo, la già citata restrizione sulla barra conduttrice integrata doveva essere sufficientemente ampia da garantire la stabilità meccanica e prevenire ulteriori perdite di potenza e dissipazione di calore in un ambiente già estremamente caldo. Di conseguenza, la resistenza introdotta dalla restrizione della barra conduttrice è trascurabile, inferiore a 20 µΩ. In secondo luogo, con il nucleo magnetico montato direttamente sulla barra conduttrice, era importante progettare una barriera di isolamento tra l'elettronica e il nucleo magnetico per garantire le distanze di isolamento e le distanze di dispersione in sistemi con una batteria da 800 V. Infine, era importante che, dato che il sensore avrebbe operato in ambienti difficili e rumorosi, la sua uscita rimanesse immune alle elevate velocità di commutazione (dV/dt).
Un'altra caratteristica fondamentale del sensore di corrente HSTDR è la sua precisione. Vanta un errore complessivo, in funzione della temperatura e per tutta la sua durata, inferiore al 3,5% per un intervallo dinamico fino a 1500 A. Inoltre, grazie alle prestazioni costanti su un'ampia gamma di frequenze e alla minima variazione di fase tra le diverse unità, garantisce un controllo preciso della coppia, un fattore critico nelle applicazioni di azionamento dei motori elettrici.
LEM, che ha prodotto il suo primo sensore di corrente per sistemi di monitoraggio delle batterie oltre 20 anni fa, non è nuova al mercato automobilistico e continua a sviluppare prodotti innovativi per questo settore esigente. LEM ha creato un ampio portafoglio di tali prodotti, tra cui sensori per inverter di trazione, convertitori DC/DC e caricabatterie di bordo, con l'obiettivo di renderli sempre più piccoli e intelligenti, ove possibile. L'azienda si concentra sulla risoluzione dei problemi dei clienti, esplorando le tecnologie attuali per migliorarle ulteriormente, e sullo sviluppo di soluzioni per il futuro, studiando le sfide future e lavorando per superarle.
Autore: Sofiane Serbouh, Product Manager per le unità di grandi dimensioni, LEM
