Desafios da Deteção de Corrente em Inversores de Tração Integrados de Alta Potência:
A crescente popularidade dos veículos elétricos (VE) impõe naturalmente maiores exigências à sua fiabilidade, especialmente à capacidade de percorrer distâncias maiores entre recargas. Para atingir este objetivo, componentes como os inversores de tração integrados de alta potência, cruciais para a autonomia da bateria do veículo e para a experiência de condução em geral, devem ser o mais compactos e eficientes possível. Um inversor de tração converte a corrente contínua (CC) da bateria do VE em corrente alternada (CA) que alimenta o sistema de propulsão do veículo. Outra função do inversor é captar a energia da travagem regenerativa e devolvê-la à bateria.
A solução para os requisitos dos inversores de tração integrados de alta potência tem sido o desenvolvimento de módulos de potência fiáveis para reduzir o espaço ocupado por componentes como condensadores, indutores, transformadores e filtros, aproveitando as vantagens dos MOSFET de carboneto de silício para uma comutação mais rápida e uma maior tensão da bateria.
Os engenheiros que trabalham no projeto de inversores de tração para VE sabem que o sensor de corrente é um componente fundamental. Para satisfazer as exigências do mercado de eletromobilidade, os sensores devem oferecer uma elevada precisão e um preço competitivo, bem como uma elevada integração e capacidade de operar em ambientes exigentes e adversos.
A integração de sensores de corrente sem núcleo em veículos elétricos ainda está numa fase inicial.
Estes sensores representam uma solução promissora para o futuro, pois permitem a utilização de componentes mais pequenos e de menor custo, mas muitos desafios ainda têm de ser ultrapassados antes que esta tecnologia possa ser amplamente adotada. Estes desafios estão a ser enfrentados pela LEM, empresa especializada em medições elétricas.
Por exemplo, a grande variação do campo magnético no espaço exige que os sensores sem núcleo sejam montados na barra de distribuição com elevada precisão e sem possibilidade de deslocamento após a montagem e calibração. Uma variação de apenas um décimo de milímetro pode rapidamente levar a um nível de erro inaceitável nos inversores de tração de alta potência. As tolerâncias de montagem, manuseamento mecânico, vibrações e expansão térmica são potenciais causas de deslocamento. Além da necessidade de superar este efeito peculiar para alcançar uma elevada largura de banda, estes fatores exigem um esforço significativo no projeto mecânico para medir a corrente de forma fiável. Além disso, à medida que os inversores de tração se tornam cada vez mais compactos, os condutores tornam-se mais próximos uns dos outros e a distribuição do campo magnético torna-se mais complexa. Os sensores sem núcleo, com as suas capacidades de medição diferencial, são imunes a campos externos homogéneos, mas não a gradientes de campo, que podem introduzir um maior grau de erro nas medições. Em resumo, as limitações significativas no design mecânico necessárias para atingir a precisão desejada, juntamente com o tempo necessário para a calibração do inversor, tornam a solução com sensores sem núcleo menos atraente... por enquanto.
Ultrapassar os Obstáculos com Sensores de Corrente de Núcleo Magnético:
Até que estas barreiras técnicas sejam ultrapassadas, os sensores de corrente de núcleo magnético totalmente calibrados continuarão a ser o método preferido para obter medições de corrente altamente precisas em inversores de tração de veículos elétricos. Esta tecnologia não só apresenta uma vantagem significativa, como também mantém um enorme potencial para o desenvolvimento e inovação.
Durante o funcionamento, o núcleo magnético concentra e amplifica o campo magnético para deteção com ruído de saída reduzido, além de proteger a medição contra interferências causadas por campos externos. Isto resulta numa elevada relação sinal-ruído (SNR) numa ampla gama de frequência. Medições fiáveis e estáveis são também possíveis mesmo em ambientes com fortes vibrações, graças ao controlo preciso do conjunto do núcleo magnético e da sua calibração, ao ASIC baseado no efeito Hall e à barra de distribuição.
O desafio reside no facto de os sensores de núcleo magnético de malha aberta tenderem a ser volumosos e a apresentarem dificuldades de integração ao nível do inversor. É por isso que a LEM concentrou os seus esforços no desenvolvimento de sensores de corrente compactos e económicos com núcleos magnéticos que oferecem uma medição de corrente fiável na mais ampla gama possível de aplicações. Estes sensores fazem parte do crescente portefólio de produtos da empresa, especificamente concebidos para utilização com inversores de tração de veículos elétricos. Isto permite aos clientes selecionar produtos altamente fiáveis para satisfazer os seus requisitos de inversores, possibilitando aos fabricantes de componentes para veículos elétricos acelerar o lançamento dos seus produtos no mercado.
Quando se tratou de resolver problemas de clientes que os sensores de corrente existentes não conseguiam resolver, o departamento de I&D da LEM apresentou uma solução sob a forma do sensor de corrente monofásico HSTDR com barramento integrado. Este sensor é significativamente mais pequeno do que qualquer sensor de corrente tradicional com abertura. Concebido para medir a tensão de ligação CC e as correntes trifásicas, bem como em conversores CC/CC, o tamanho compacto do HSTDR oferece uma flexibilidade superior para os projetistas que trabalham no espaço limitado de um armário de inversor de tração. O HSTDR também oferece proteção contra campos externos e uma elevada relação sinal-ruído (SNR) graças ao seu núcleo magnético com um pequeno entreferro.
Os barramentos são normalmente isolados do núcleo magnético nos projetos tradicionais, mas o método da LEM de posicionar o núcleo diretamente no barramento, o que representa uma restrição, permite um núcleo muito mais compacto. Os sensores de corrente típicos com abertura requerem frequentemente uma grande abertura para deslizar sobre os barramentos, o que pode ser complexo de projetar, resultando num sensor de tamanho grande. Em contrapartida, não existem limitações quanto ao local de instalação dos sensores com barramentos integrados. Isto permite minimizar a abertura do núcleo magnético, reduzindo o seu tamanho total até 40%, além de aumentar a gama de medição de corrente em 60% em comparação com a geração anterior do HSNDR. Isto proporciona aos projetistas de componentes para veículos elétricos uma maior flexibilidade, uma vez que o sensor pode ser posicionado em qualquer lugar no inversor de tração.
Um núcleo magnético mais pequeno também reduz naturalmente o peso total do sensor em cerca de 50%. Como resultado, o sensor pode tolerar vibrações até 10g, um requisito comum em ambientes automóveis. Outra vantagem de um núcleo magnético mais pequeno é a redução da quantidade de matéria-prima necessária para o fabrico do sensor, limitando os custos. São também conseguidas poupanças significativas de tempo e ganhos de produtividade graças a um sensor totalmente calibrado que integra o núcleo, o barramento e o elemento sensor num único encapsulamento.
Considerações de projeto para o novo sensor:
Ao projetar o sensor de corrente monofásico HSTDR para o mercado de inversores de tração de veículos elétricos, os engenheiros da LEM consideraram três aspetos principais. Em primeiro lugar, a restrição mencionada na barra de distribuição integrada precisava de ser suficientemente grande para garantir a estabilidade mecânica e evitar perdas adicionais de potência e dissipação de calor num ambiente já extremamente quente. Como resultado, a resistência introduzida pela restrição da barra de distribuição é desprezável, ficando abaixo dos 20 µΩ. Em segundo lugar, com o núcleo magnético montado diretamente na barra de distribuição, era importante projetar uma barreira de isolamento entre a eletrónica e o núcleo magnético para garantir as distâncias de isolamento adequadas em sistemas com uma bateria de 800 V. Por fim, era importante que, considerando que o sensor operaria em ambientes agressivos e ruidosos, a sua saída permanecesse imune a elevadas taxas de comutação (dV/dt).
Outra característica fundamental é a precisão do sensor de corrente HSTDR. Apresenta um erro global em relação à temperatura e ao longo da sua vida útil inferior a 3,5% para uma gama dinâmica até 1500 A. Além disso, uma vez que o dispositivo oferece um desempenho consistente numa vasta gama de níveis de frequência com uma variação de fase mínima entre diferentes unidades, garante um controlo preciso do binário, um fator crítico nas aplicações de acionamento de motores de veículos elétricos.
A LEM, que fabricou o seu primeiro sensor de corrente para sistemas de monitorização de baterias há mais de 20 anos, não é uma principiante no mercado automóvel e está continuamente a desenvolver novos produtos inovadores para este setor exigente. A LEM construiu um extenso portfólio de produtos, incluindo sensores para inversores de tração, conversores CC/CC e carregadores de bordo, com o objetivo de os tornar cada vez mais pequenos e mais inteligentes sempre que possível. A empresa concentra-se em resolver os problemas dos clientes, explorando as tecnologias atuais para as melhorar, bem como no desenvolvimento de soluções para o futuro, no estudo dos desafios futuros e no trabalho para os ultrapassar.
Autor: Sofiane Serbouh, Gestora de Produto para Inversores de Grande Porte, LEM
