Проблемы измерения тока в мощных интегрированных тяговых инверторах:
Рост популярности электромобилей, естественно, предъявляет более высокие требования к их надежности, особенно к способности преодолевать большие расстояния между зарядками. Для достижения этой цели такие компоненты, как мощные интегрированные тяговые инверторы, которые имеют решающее значение для запаса хода батареи автомобиля и общего качества вождения, должны быть максимально компактными и эффективными. Тяговый инвертор преобразует постоянный ток от батареи электромобиля в переменный ток, который питает силовую установку автомобиля. Еще одна функция инвертора — улавливание энергии рекуперативного торможения и возврат ее в батарею.
Решением требований к мощным интегрированным тяговым инверторам стала разработка надежных силовых модулей, позволяющих уменьшить пространство, занимаемое такими компонентами, как конденсаторы, индукторы, трансформаторы и фильтры, одновременно используя преимущества MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния для более быстрого переключения и повышения напряжения батареи.
Инженеры, работающие над проектированием тяговых инверторов для электромобилей, знают, что датчик тока является ключевым компонентом. Для удовлетворения требований рынка электромобильности необходимо обеспечить высокую точность и конкурентоспособную цену, а также высокую степень интеграции и возможность работы в сложных и неблагоприятных условиях.
Интеграция бесколлекторных датчиков тока в электромобили все еще находится на ранней стадии.
Бесколлекторные датчики тока представляют собой перспективное решение на будущее, поскольку позволяют использовать более компактные и дешевые компоненты, но до широкого внедрения этой технологии остается множество проблем. Эти проблемы решаются компанией LEM, специализирующейся на электрических измерениях.
Например, большие колебания магнитного поля в пространстве требуют высокоточной установки бесколлекторных датчиков на шину без возможности смещения после сборки и калибровки. Отклонение всего на одну десятую миллиметра может быстро привести к неприемлемому уровню погрешности в мощных тяговых инверторах. Допуски при монтаже, механическая обработка, вибрации и тепловое расширение — все это потенциальные причины смещения. Наряду с необходимостью преодоления специфических эффектов для достижения высокой полосы пропускания, эти факторы требуют значительных усилий в механической конструкции для надежного измерения тока. Кроме того, по мере того, как тяговые инверторы становятся все более компактными, проводники располагаются все ближе друг к другу, а распределение магнитного поля становится все более сложным. Бесколлекторные датчики с их возможностями дифференциального измерения невосприимчивы к однородным внешним полям, но не к градиентам поля, которые могут вносить большую погрешность в измерения. Короче говоря, существенные ограничения на механическую конструкцию, необходимые для достижения желаемой точности, в сочетании со временем, необходимым для калибровки инвертора, делают решение с бесколлекторными датчиками менее привлекательным… на данный момент.
Преодоление препятствий с помощью датчиков тока с магнитным сердечником:
Пока эти технические барьеры не будут преодолены, полностью откалиброванные датчики тока с магнитным сердечником останутся предпочтительным методом получения высокоточных измерений тока в тяговых инверторах электромобилей. Эта технология не только имеет значительное преимущество, но и обладает огромным потенциалом для развития и инноваций.
Во время работы магнитный сердечник концентрирует и усиливает магнитное поле для обнаружения с уменьшенным выходным шумом, а также защищает измерение от помех, вызванных внешними полями. Это приводит к высокому отношению сигнал/шум (SNR) в широком диапазоне частот. Надежные и стабильные измерения возможны даже в условиях сильных вибраций благодаря точному контролю сборки магнитного сердечника и калибровке, ASIC на основе эффекта Холла и шине.
Проблема заключается в том, что датчики на основе магнитного сердечника с разомкнутым контуром, как правило, громоздки и создают трудности интеграции на уровне инвертора. Именно поэтому компания LEM сосредоточила свои усилия на разработке компактных и экономичных датчиков тока с магнитными сердечниками, которые обеспечивают надежное измерение тока в самом широком диапазоне применений. Эти датчики являются частью постоянно расширяющегося ассортимента продукции компании, специально разработанной для использования с тяговыми инверторами для электромобилей. Это позволяет клиентам выбирать высоконадежные продукты, отвечающие требованиям их инверторов, что дает производителям компонентов для электромобилей возможность ускорить вывод своей продукции на рынок.
Когда дело дошло до решения проблем клиентов, которые не могли быть решены существующими датчиками тока, отдел исследований и разработок LEM предложил решение в виде однофазного датчика тока HSTDR со встроенной шиной. Этот датчик значительно меньше любого традиционного датчика тока с апертурой. Разработанный для измерения напряжения постоянного тока и трехфазных токов, а также для использования в преобразователях постоянного тока, компактный размер HSTDR обеспечивает превосходную гибкость для разработчиков, работающих в ограниченном пространстве корпуса тягового инвертора. HSTDR также обеспечивает защиту от внешних полей и высокое отношение сигнал/шум (SNR) благодаря своему магнитному сердечнику с небольшим воздушным зазором.
В традиционных конструкциях шины обычно изолированы от магнитного сердечника, но метод LEM, заключающийся в размещении сердечника непосредственно на шине, что является ограничением, позволяет создать гораздо более компактный сердечник. Типичные датчики тока с апертурой обычно требуют большого отверстия для установки на шины, что может быть сложным в проектировании и приводит к большим размерам датчика. В отличие от них, датчики со встроенными шинами не имеют ограничений по месту установки. Это позволяет минимизировать отверстие магнитного сердечника, тем самым уменьшая общий размер сердечника до 40%, а также увеличивая диапазон измерения тока на 60% по сравнению с предыдущим поколением HSNDR. Это, в свою очередь, предоставляет разработчикам компонентов для электромобилей большую гибкость, поскольку датчик может быть размещен в любом месте тягового инвертора.
Меньший магнитный сердечник также естественным образом снижает общий вес датчика примерно на 50%. В результате датчик может выдерживать вибрации до 10g, что является распространенным требованием в автомобильной среде. Еще одним преимуществом меньшего магнитного сердечника является то, что он уменьшает количество сырья, необходимого для производства датчика, тем самым ограничивая затраты. Значительная экономия времени и повышение производительности также достигаются благодаря полностью откалиброванному датчику, который объединяет сердечник, шину и чувствительный элемент в одном корпусе.
Конструктивные соображения для нового датчика:
При разработке однофазного датчика тока HSTDR для рынка тяговых инверторов электромобилей инженеры LEM учли три ключевых аспекта. Во-первых, упомянутое выше ограничение на встроенную шину должно было быть достаточно большим, чтобы обеспечить механическую стабильность и предотвратить дополнительные потери мощности и тепловыделение в и без того чрезвычайно жаркой среде. В результате сопротивление, вносимое ограничением на шину, пренебрежимо мало и составляет менее 20 мкОм. Во-вторых, поскольку магнитный сердечник установлен непосредственно на шине, было важно разработать изоляционный барьер между электроникой и магнитным сердечником, чтобы гарантировать воздушные зазоры и расстояния утечки в системах с батареей на 800 В. Наконец, было важно, чтобы, учитывая работу датчика в суровых и шумных условиях, его выходной сигнал оставался невосприимчивым к высоким скоростям переключения (dV/dt).
Еще одной ключевой особенностью является точность датчика тока HSTDR. Он может похвастаться общей погрешностью относительно температуры и на протяжении всего срока службы менее 3,5% для динамического диапазона до 1500 А. Кроме того, поскольку устройство обеспечивает стабильную работу в диапазоне частот с минимальными фазовыми колебаниями между различными блоками, оно гарантирует точное управление крутящим моментом, что является критически важным фактором в системах управления электродвигателями электромобилей.
Компания LEM, которая более 20 лет назад выпустила свой первый датчик тока для систем мониторинга батарей, не является новичком на автомобильном рынке и постоянно разрабатывает инновационные новые продукты для этого требовательного сектора. LEM создала обширный портфель таких продуктов, включая датчики для тяговых инверторов, преобразователей постоянного тока и бортовых зарядных устройств, стремясь сделать их все более компактными и интеллектуальными, где это возможно. Компания фокусируется на решении проблем клиентов, изучая существующие технологии для их дальнейшего развития, а также разрабатывая решения для будущего, изучая будущие вызовы и работая над их преодолением.
Автор: Софиан Сербу, менеджер по продукции для крупногабаритных приводов, LEM.
