Estes veículos denominados “híbridos” são capazes de corresponder ou superar as expectativas dos clientes em termos de potência e capacidade de resposta, com um menor consumo de combustível e, consequentemente, uma menor emissão de gases poluentes. Os novos sistemas elétricos incorporados nestes veículos, como os sistemas de recuperação de energia de travagem, os sistemas start-stop e os motores elétricos que controlam as rodas, exigem uma medição e controlo precisos da eletricidade que flui através do veículo para otimizar o desempenho e evitar falhas catastróficas. Uma parte fundamental destes sistemas é o sensor de corrente da bateria, que mede os níveis de carga e descarga da bateria, bem como a sua saúde geral. Existem diversas tecnologias para a criação de um sensor de corrente de bateria fiável para automóveis.
O sensor shunt tem sido a opção escolhida por alguns fabricantes de automóveis, enquanto outros preferem utilizar sensores de efeito Hall ou de indução magnética nos seus projetos. Como costuma acontecer, cada tecnologia tem as suas vantagens e desvantagens.
Os sensores de corrente baseados em shunt têm sido amplamente utilizados na última década para medir a corrente da bateria, principalmente em automóveis de luxo. Estes automóveis empregam eletrónica avançada para monitorizar a capacidade de carga e a condição geral da bateria, e por vezes também algum tipo de assistência elétrica para melhorar o desempenho. O shunt é um resistor feito de materiais relativamente caros, como ligas de manganês ou níquel-cromo, cuja impedância é muito baixa, bem conhecida e caracterizada com precisão numa gama de temperaturas e tensões. Medindo a queda de tensão no resistor shunt, a corrente que o atravessa pode ser calculada através da lei de Ohm. Este resistor é colocado no caminho da corrente que vai e volta da bateria do carro, fornecendo assim informações precisas e de alta resolução sobre a tensão e a corrente (é também adicionada uma função de sensor de temperatura). Além disso, podem medir uma vasta gama de amplitudes de corrente, desde miliamperes a mais de mil amperes nos picos curtos gerados no arranque do automóvel. Os shunts apresentam um problema quando se medem correntes muito elevadas, pois devem ser dimensionados para suportar correntes elevadas e dissipar uma quantidade significativa de energia. Estas vantagens, juntamente com a falta de alternativas de desempenho equivalente na última década, fizeram delas a escolha preferida dos fabricantes de automóveis de luxo, embora a custo de uma unidade relativamente elevada.
Os sensores de corrente de efeito Hall são utilizados em aplicações industriais há várias décadas e na indústria automóvel há muitos anos. Estes sensores são sensíveis a campos magnéticos. Ao concentrar os campos magnéticos gerados pela corrente que circula através do cabo da bateria na célula Hall do sensor, por exemplo, o sensor emite um sinal proporcional à corrente. Este sinal pode depois ser processado nos domínios analógico ou digital para remover o ruído e compensar os erros inerentes à tecnologia. Uma saída analógica (tensão), ou algum tipo de sinal PWM ou SENT, pode ser fornecida aos processadores de gestão da bateria do veículo, que, por sua vez, serão integrados para determinar a carga e/ou o estado da bateria.
Uma das características dos sensores de efeito Hall que impediu alguns fabricantes de automóveis de os utilizarem nos seus sistemas de gestão de baterias, especialmente em veículos de luxo, é o erro de offset. Os erros de offset elétrico e magnético aumentam a incerteza do sinal medido. Não podem ser totalmente compensados, o que pode afetar os cálculos do nível de carga da bateria. O erro de offset também depende da temperatura, por vezes com variações significativas entre dispositivos. Os sensores baseados em shunt não sofrem destes efeitos de histerese magnética. Erros totais de 3 a 5% eram comuns nos sensores de efeito Hall há poucos anos. Os recentes avanços tecnológicos reduziram este erro para 1% ou 2% em muitos casos. Os projetos de chips ou núcleos magnéticos dos sensores de efeito Hall estão a impulsionar este progresso em grande medida. Em comparação, os sensores shunt têm uma precisão de cerca de 1%.
Os sensores de efeito Hall apresentam diversas vantagens em relação aos sensores baseados em shunt, sendo as principais o isolamento e a fiabilidade. Os sensores de efeito Hall são galvanicamente isolados da corrente primária, uma vez que estão localizados à volta do fio e capturam o campo magnético no espaço para fornecer a leitura. Podem suportar picos de corrente e tensão muito mais elevados sem sofrer danos. Além disso, a instalação dos sensores de efeito Hall não se limita ao terminal da bateria, como acontece com a maioria dos shunts, mas pode ser feita em qualquer ponto ao longo do fio ou condutor cuja corrente necessita de ser medida. Isto proporciona aos fabricantes de automóveis vantagens significativas em termos de custo, uma vez que podem adquirir um único componente padrão para diversas configurações de motor e bateria com diferentes comprimentos de fio. O fabrico de sensores de efeito Hall é geralmente muito menos dispendioso do que o de shunts equivalentes.
Os shunts utilizam grandes quantidades de materiais dispendiosos e dispositivos eletrónicos para filtrar e condicionar o sinal de saída, enquanto os sensores de efeito Hall requerem apenas pequenas quantidades de material ferroso e um circuito integrado (ASIC). Se for necessário um shunt para fornecer uma saída com isolamento galvânico, o custo do produto aumenta consideravelmente. A excelente relação custo-benefício da tecnologia de efeito Hall levou muitos fabricantes de automóveis a escolhê-la para as suas aplicações de deteção de corrente da bateria, mesmo que isso implique uma pequena redução na precisão em comparação com as alternativas baseadas em shunt.
A tecnologia de indução magnética (fluxgate) preenche a lacuna entre os sensores de efeito Hall e os shunts, oferecendo as vantagens de um sensor isolado com uma relação sinal-offset desprezável. Durante muitos anos, esta tecnologia foi utilizada em componentes industriais dispendiosos, mas os sensores de corrente por indução magnética estão agora disponíveis em soluções automóveis homologadas a custos comparáveis aos dos shunts. Tal como os sensores de efeito Hall, são sensíveis aos campos magnéticos gerados em torno do fio primário. No entanto, o seu princípio de medição é único: qualquer sinal de offset é automaticamente cancelado pelas correntes alternadas nos enrolamentos do núcleo magnético sólido. O erro de medição dos sensores de indução magnética é inferior a 0,5%, com um offset total inferior a 10 mA num produto na gama dos 400 A, o que lhes confere uma vantagem inerente (Fig. 1). Ao integrar os valores de corrente ao longo do tempo para calcular o estado de carga de um veículo, por exemplo, o efeito da precisão melhorada é multiplicado, conferindo aos sensores de indução magnética uma clara vantagem sobre os sensores de efeito Hall e até mesmo sobre as tecnologias baseadas em shunt (Fig. 2 e Fig. 3). Podem também ser posicionados em qualquer ponto do condutor, perto ou longe da bateria, oferecendo assim aos fabricantes de automóveis a flexibilidade de design necessária para reduzir os custos. Os sensores de indução magnética são ideais para veículos híbridos e elétricos, onde a medição de corrente é fundamental e as elevadas amplitudes de corrente e o isolamento do sensor representam um desafio para as alternativas baseadas em shunt.
Existem diversas tecnologias para medir a corrente da bateria nos automóveis, cada uma com as suas próprias vantagens e desvantagens. Os fabricantes de automóveis de luxo têm historicamente preferido soluções baseadas em shunt devido à sua elevada precisão e ampla gama de medição. A tecnologia de indução magnética, inicialmente reservada para aplicações industriais de altíssimo nível, evoluiu para oferecer preços competitivos para aplicações automóveis, proporcionando maior precisão do que os shunts, mantendo o isolamento galvânico. Quando o custo continua a ser a principal prioridade, os sensores de efeito Hall são a solução ideal. A sua principal desvantagem histórica (erros de offset) está a ser ultrapassada através dos avanços tecnológicos, permitindo oferecer precisão num produto de baixo custo. A crescente necessidade de medições de corrente elétrica nos automóveis representa uma oportunidade para o desenvolvimento destas diversas tecnologias, tornando-as um elemento fundamental no projeto e produção de futuros sistemas automóveis.
Autor:
Por: Ramon Portas e Gauthier Plagne, LEM
