Эти так называемые «гибридные» автомобили способны соответствовать или превосходить ожидания клиентов в отношении мощности и отзывчивости при более низком расходе топлива и, следовательно, меньшем количестве выхлопных газов. Новые электрические системы, встроенные в эти автомобили, такие как системы рекуперации энергии торможения, система старт-стоп и электродвигатели, управляющие колесами, требуют точного измерения и контроля тока, протекающего через автомобиль, для оптимизации производительности и предотвращения катастрофических отказов. Фундаментальной частью этих систем является датчик тока батареи, который измеряет уровни заряда и разряда батареи, а также ее общее состояние. Существует несколько технологий для создания надежного датчика тока батареи для автомобилей.
Некоторые автопроизводители выбирают шунтирующий датчик, в то время как другие предпочитают использовать в своих конструкциях датчики Холла или магнитной индукции. Как это часто бывает, каждая технология имеет свои преимущества и недостатки.
Шунтирующие датчики тока широко используются в течение последнего десятилетия для измерения тока батареи, особенно в автомобилях высокого класса. В этих автомобилях применяется передовая электроника для контроля емкости зарядки батареи и ее общего состояния, а иногда и для повышения производительности с помощью электрической поддержки. Шунт представляет собой резистор, изготовленный из относительно дорогих материалов, таких как марганец или никель-хромовые сплавы, импеданс которого очень низок, хорошо известен и точно определен в диапазоне температур и напряжений. Измеряя падение напряжения на шунтирующем резисторе, можно рассчитать ток, протекающий через резистор, используя закон Ома. Этот резистор размещается на пути протекания тока к батарее автомобиля и от нее, обеспечивая таким образом точную информацию о напряжении и токе с высоким разрешением (также добавляется функция измерения температуры). Кроме того, они могут измерять широкий диапазон амплитуд тока, от миллиампер до более тысячи ампер в коротких импульсах, возникающих при запуске автомобиля. Шунтирующие датчики имеют проблему при измерении очень высоких токов, поскольку их размеры должны быть рассчитаны на большие токи и рассеивание значительного количества энергии. Эти преимущества, наряду с отсутствием эквивалентных по характеристикам альтернатив в течение последнего десятилетия, сделали их предпочтительным выбором для производителей автомобилей высокого класса, хотя и ценой относительно высокой стоимости единицы продукции.
Датчики тока на основе эффекта Холла используются в промышленности уже несколько десятилетий, а в автомобильной промышленности — много лет. Датчики Холла чувствительны к магнитным полям. Например, концентрируя магнитные поля, создаваемые токами, протекающими по кабелю аккумулятора, на элементе Холла датчика, датчик выдает сигнал, пропорциональный току. Затем этот сигнал может быть обработан в аналоговой или цифровой области для удаления шума и компенсации ошибок, присущих данной технологии. Аналоговый выход (напряжение) или какой-либо ШИМ-сигнал или сигнал SENT могут подаваться на процессоры управления аккумулятором автомобиля, которые, в свою очередь, будут интегрированы для определения заряда и/или состояния аккумулятора.
Одной из особенностей датчиков Холла, которая препятствует их использованию некоторыми автопроизводителями в системах управления батареями, особенно в автомобилях высокого класса, является погрешность смещения. Электрические и магнитные погрешности смещения увеличивают неопределенность измеряемого сигнала. Их невозможно полностью компенсировать, что может повлиять на расчеты уровня заряда батареи. Погрешность смещения также зависит от температуры, иногда со значительными различиями между устройствами. Шунтирующие датчики не испытывают этих эффектов магнитного гистерезиса. Всего несколько лет назад общие погрешности в 3-5% были обычным явлением для датчиков Холла. Недавние технологические достижения во многих случаях снизили эту погрешность до 1-2%. Прогресс в значительной степени обусловлен использованием чиповых или магнитных сердечников в датчиках Холла. Для сравнения, точность шунтирующих датчиков составляет около 1%.
Датчики Холла имеют ряд преимуществ перед шунтирующими датчиками, главными из которых являются изоляция и надежность. Датчики Холла гальванически изолированы от первичного тока, поскольку они расположены вокруг провода и улавливают магнитное поле в пространстве для получения показаний. Они могут выдерживать гораздо более высокие скачки тока и напряжения без повреждений. Кроме того, размещение датчиков Холла не ограничивается клеммой аккумулятора, как в случае с большинством шунтов, а может быть установлено в любой точке вдоль провода или проводника, ток которого необходимо измерить. Это дает автопроизводителям значительные экономические преимущества, поскольку они могут приобрести единый стандартный компонент для различных конфигураций двигателя и аккумулятора с разной длиной провода. Производство датчиков Холла, как правило, намного дешевле, чем производство аналогичных шунтов.
Шунтирующие датчики используют большое количество дорогостоящих материалов и электронных устройств для фильтрации и обработки выходного сигнала, тогда как датчики Холла требуют лишь небольшого количества ферромагнитного материала и интегральной схемы (ASIC). Если для обеспечения гальванически изолированного выходного сигнала требуется шунт, это значительно увеличивает стоимость изделия. Убедительное соотношение цены и качества технологии Холла побудило многих автопроизводителей выбрать её для своих систем измерения тока батареи, ценой небольшого снижения точности по сравнению с шунтирующими альтернативами.
Технология магнитной индукции (магнитоизмерительных ферромагнитных датчиков) заполняет пробел между датчиками Холла и шунтами, предлагая преимущества изолированного датчика с пренебрежимо малым отношением сигнала к смещению. В течение многих лет эта технология использовалась в дорогостоящих промышленных компонентах, но теперь датчики тока магнитной индукции доступны в одобренных автомобильных решениях по ценам, сопоставимым с шунтами. Подобно датчикам Холла, они чувствительны к магнитным полям, генерируемым вокруг первичного провода. Однако их принцип измерения уникален: любой сигнал смещения автоматически компенсируется переменными токами в обмотках твердого магнитного сердечника. Погрешность измерения датчиков магнитной индукции составляет менее 0,5%, а общее смещение — менее 10 мА в изделии с диапазоном 400 А, что дает им неоспоримое преимущество (рис. 1). Интегрирование текущих значений во времени для расчета уровня заряда в автомобиле, например, многократно увеличивает эффект повышения точности, что дает датчикам магнитной индукции явное преимущество перед датчиками Холла и даже технологиями на основе шунта (рис. 2 и рис. 3). Они также могут быть расположены в любом месте вдоль проводника, близко или далеко от батареи, что обеспечивает автопроизводителям необходимую гибкость в проектировании для снижения затрат. Датчики магнитной индукции идеально подходят для гибридных и электромобилей, где измерение тока имеет решающее значение, а высокие амплитуды тока и изоляция датчиков представляют собой проблему для альтернативных решений на основе шунта.
Существует несколько технологий измерения тока в автомобильных батареях, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Производители автомобилей премиум-класса исторически отдавали предпочтение решениям на основе шунтов из-за их высокой точности и широкого диапазона измерений. Технология магнитной индукции, первоначально предназначенная для очень сложных промышленных применений, со временем стала конкурентоспособной по цене для автомобильной промышленности, предлагая более высокую точность, чем шунты, при сохранении гальванической изоляции. Когда стоимость остается главным приоритетом, датчики Холла являются идеальным решением. Их основной исторический недостаток (ошибки смещения) устраняется благодаря технологическим достижениям, обеспечивающим точность в недорогом продукте. Растущая потребность в измерении электрического тока в автомобилях открывает возможности для дальнейшего развития этих различных технологий, делая их фундаментальным элементом в проектировании и производстве будущих автомобильных систем.
Автор:
Авторы: Рамон Портас и Готье Планье, LEM
