Praktische Designlösungen zur Verbesserung der kontaktlosen Strommessung in Elektrofahrzeugen

Die Automobilindustrie geht über den kleinen Elektro-Pendler hinaus und bietet jetzt eine Vielzahl von Modellen an, um eine wachsende Bandbreite von Bedürfnissen zu erfüllen, vom Familientransport bis hin zu Sport und Freizeit. Diese Fahrzeuge sind typischerweise größer und folglich schwerer als frühere EV-Modelle. Diese erfordern größere Elektromotoren, die wiederum mehr Strom verbrauchen. Unabhängig davon, ob es sich um ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Plug-in-Hybrid oder einen Mild-Hybrid handelt, sind die beteiligten Spannungs- und Strompegel beträchtlich. In den meisten Fällen müssen die Batterien viele hundert Volt liefern, um das Fahrerlebnis zu erreichen, das notwendig ist, um Elektrofahrzeuge auf die nächste Leistungsstufe zu heben. Aus diesem Grund wird die genaue Überwachung der zum Motor fließenden Strommenge zu einer äußerst wichtigen Funktion für Automobilhersteller.

Die Herausforderung genauer Strommessungen in EV-Umgebungen

Die Verlagerung weg vom Verbrennungsmotor hin zu elektrischen Antriebssträngen bringt viele neue Herausforderungen für Ingenieure aus verschiedenen Disziplinen mit sich. Für Systemingenieure besteht die Herausforderung darin, das Leistungsgewicht auszugleichen, während Elektro- und Elektronikingenieure sich auf das Energiemanagement konzentrieren müssen. Mehr Leistung bedeutet schnellere und reaktionsschnellere Fahrzeuge – aber der zu schnelle Verbrauch von zu viel Leistung führt zu schnell erschöpften Energiequellen und einer verringerten Reichweite. Es ist daher entscheidend, dass jeder Teil des Designs optimiert werden muss.

Der Schlüssel zum Energiemanagement ist eine genaue Messung – der Stromsensor ist das EV-Äquivalent zum Kraftstoffdurchflusssensor in einem herkömmlichen Fahrzeug. Die Strommessung kann einfach mit einem Shunt oder einem niederohmigen Widerstand erreicht werden. Je höher der Strom, desto größer der Shunt, sodass das Messen von Strömen in der Größenordnung, die für leistungsstarke Elektromotoren erforderlich sind, physisch große Shunts erfordern würde, die schwer und teuer sind.

Die kontaktlose Strommessung bietet eine attraktive Alternative zum Shunt-Widerstand. Basierend auf dem magnetoresistiven oder Hall-Effekt nutzt es die elektromagnetischen Felder aus, die erzeugt werden, wenn Strom durch einen Leiter fließt. Aufgrund ihrer geringeren Größe, ihrer nicht-intrusiven Natur und der inhärenten galvanischen Trennung wird die kontaktlose Strommessung schnell zum bevorzugten Strommessansatz für Hersteller von Elektrofahrzeugen.

Kontaktlose Sensortypen für Automobilanwendungen

Die Größe des den Leiter umgebenden Magnetfeldes ist proportional zum fließenden Strom, aber selbst bei großen Strömen ist die Feldstärke noch relativ klein. Obwohl Hall-Sensorelemente sehr empfindlich sein können, macht diese Empfindlichkeit sie auch anfällig für das Lesen von elektromagnetischen Streu- oder Hintergrundfeldern. Glücklicherweise kann diese Verzerrung durch Abschirmung oder Anwendung von Kompensationstechniken reduziert werden.

Die Kompensation aller Formen von Streu-EMI würde jedoch ein tiefes Verständnis aller verschiedenen Störquellen erfordern, was eine Herausforderung wäre. Der einfachste und wohl robustere Ansatz besteht darin, einen kontaktlosen Stromsensor auszuwählen, der eine gewisse inhärente Immunität gegenüber Streufeldern bietet.

Im Allgemeinen gibt es drei Ansätze für die kontaktlose Strommessung, wie in Abbildung 1 dargestellt. Dazu gehören der kernbasierte Sensor, der U-förmige Sensor und der symmetrische abgeschirmte „Sandwich“-Sensor. Während ein Vergleich aller drei aufgrund der Anzahl von Variablen, die von einzelnen Anwendungen präsentiert werden, schwierig ist, ist es nützlich, die Leistung basierend auf einem typischen Szenario zu messen. In diesem Fall wurden die Sensoren unter Verwendung einer 20 mm breiten und 2,5 mm dicken Sammelschiene mit rechteckigem Querschnitt, die 1000 A führt, bewertet.

Kernbasierte kontaktlose Stromsensoren

Bei einem kernbasierten Sensor wird ein Flusskonzentrator um das Material positioniert, das den zu messenden Strom führt. Die Kreisform des Konzentrators wird durch einen kleinen Luftspalt unterbrochen, in dem der Magnetfeldsensor platziert ist. Der Kern hilft dabei, den Fluss, der durch den in der Sammelschiene fließenden Strom induziert wird, auf den Sensor zu fokussieren.

Die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber dem durch den Stromfluss erzeugten Fluss ist von mehreren Faktoren abhängig. Der erste davon ist die Größe des Luftspalts, da ein kleinerer Luftspalt es ermöglicht, dass eine größere Flussmenge den Sensor erreicht. Daraus folgt, dass ein kleinerer Sensor einen kleineren Luftspalt ermöglichen würde. Wie in Abbildung 2 gezeigt, führt in diesem Experiment ein Strom von 1000 A dazu, dass der Sensor eine Flussdichte von 200 mT registriert. Zum Vergleich:Wenn kein Kern vorhanden wäre, würde der gleiche Sensor eine Flussdichte von nur 20 mT registrieren. Zu den für diese Konfiguration geeigneten Sensoren gehört der HAL 24xy von TDK.

Um die Immunität dieser Konfiguration gegenüber Streufeldern zu messen, wurde eine Simulation durchgeführt, bei der ein externes Feld mit einer Flussdichte von 5 mT angenommen wurde. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 zu sehen, die zeigt, wie das Magnetfeld durch die Form des Kerns trainiert wird, um durch den Sensor zu fließen. Wenn das externe Feld vorhanden ist, wird die Fähigkeit des Sensors, das durch den Stromfluss erzeugte Feld genau zu erkennen, um den Faktor 40 reduziert. Die Schlussfolgerung hieraus ist, dass der kernbasierte Sensor ein gutes Maß an Abschirmung von anderen EMI-Quellen bietet und mit einem Durch eine angemessene Signalkonditionierung können deren Auswirkungen weiter gemildert werden. In diesem Fall wäre es vernünftig, einen Offset-Fehler von nur 0,06 % des Skalenendwerts zu erwarten.

Der kernbasierte Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass er relativ schwierig zu montieren ist, da die Stromschiene durch den Kern geführt werden muss, während der Sensor im Luftspalt angeordnet sein muss. Darüber hinaus muss der Kern auch physisch groß sein, um eine Sättigung durch große Stromflüsse zu vermeiden. Darüber hinaus kann die Menge an magnetisch empfindlichem Material, das im Kern selbst verwendet wird, dazu führen, dass dieser zu einer Quelle von Hysteresefehlern und Interferenzen wird.

Der U-förmige Stromsensor behebt viele dieser Nachteile.

Der U-förmige abgeschirmte Stromsensor

Wie der Name schon sagt, verfügt der U-förmige Sensor über einen größeren Luftspalt, bietet aber dennoch eine gewisse Abschirmung vor Streu-EMI. Durch die Verwendung eines weichmagnetischen Materials profitiert der Sensor von einer dreiseitigen Abschirmung. Die Form des Konzentrators macht die Montage einfacher als eine kernbasierte Konfiguration, da der Sensor selbst über der Sammelschiene positioniert werden kann, montiert auf einer kleinen Leiterplatte.

Diese Art von abgeschirmten Sensoren hat eine geringere Empfindlichkeit als ein kernbasierter Ansatz, was einer der Kompromisse ist, die Ingenieure bei der Auswahl des am besten geeigneten Designs für ihre Anwendung berücksichtigen müssen. Wie in Abbildung 3 gezeigt, erfasste der Sensor bei 1000 A, die durch die Sammelschiene flossen, eine magnetische Flussdichte von 50 mT, was einer Verstärkung von 2, entspricht.

Der geringe Gewinn hat jedoch seine Vorteile. Dadurch kann nahezu jeder Sensor verwendet werden, wie z. B. der HAL 24xy oder der Closed-Loop-Sensor CUR 423x auf Basis des Tunnel-Magneto-Widerstands (TMR) von TDK. Da das Magnetfeld weniger konzentriert ist, kann die Dicke des Abschirmmaterials außerdem hinsichtlich Platzbedarf, Gewicht und Kosten optimiert werden.

Wie Bild 3 zeigt, wird das Feld wieder um die Abschirmung herum gelenkt; bei dieser Konfiguration beträgt der durch das Streufeld verursachte Offset-Fehler jedoch 0,55 % des Skalenendwerts. Durch Anpassen der Form der Abschirmung und des Abstands um den Sensor kann dieser Offset-Fehler verbessert werden.

Die kernbasierte Lösung ist hinsichtlich der Störanfälligkeit symmetrisch, während die U-förmige Konfiguration asymmetrisch ist. Dadurch ist die U-Form anfälliger für vertikal orientierte Felder als für horizontale Felder. Dies ist ein weiterer Faktor, der bei der Auswahl und Platzierung eines kontaktlosen Stromsensors berücksichtigt werden muss. Diese Konfiguration hat jedoch zu ihren Gunsten einen geringeren Hysteresefehler als der kernbasierte Sensor, da weniger magnetisches Material vorhanden ist. Umgekehrt werden Größe und Form des Sensors immer noch weitgehend von der erforderlichen Abschirmung bestimmt.

Der symmetrisch abgeschirmte Sensor bietet noch eine weitere Option, die sowohl hinsichtlich der Größe als auch der Abschirmfähigkeit Vorteile bringt.

Stromsensoren mit symmetrischer Abschirmung

Für Anwendungen, die ein höheres Maß an Abschirmung auf Kosten der Empfindlichkeit erfordern, ist die symmetrisch abgeschirmte Sandwich-Konfiguration möglicherweise am besten geeignet. Bei diesem Ansatz befindet sich der Sensor wie beim U-förmigen Ansatz mittig über der Stromschiene. In dieser Konfiguration ist der Sensor jedoch unter Verwendung von zwei Stücken aus weichmagnetischem Material abgeschirmt; Ein Stück sitzt über dem Sensor, während das zweite unter der Sammelschiene platziert wird. Auf diese Weise werden sowohl von der Sammelschiene erzeugte Felder als auch Streu-EMI über die Messebene des Sensors geleitet.

Daraus ergibt sich eine Verstärkung von 0,3, wie die Simulationsergebnisse in Bild 4 zeigen, was bedeutet, dass der Sensor für denselben Strom von 1000 A nur 7,8 mT misst. Dies zeigt eine Dämpfung von 70 % an. Aus diesem Grund können nur Sensoren mit hoher Empfindlichkeit verwendet werden, wie z. B. der TMR-Sensor CUR 423x von TDK.

Der Hauptvorteil dieser Konfiguration ist die relativ hohe Abschirmung, die sie im Vergleich zu den kernbasierten und U-förmigen Konfigurationen bietet. Auch wenn das Signal gedämpft und mit der Streu-EMI kombiniert wird, ist das Ergebnis immer noch ein Offset-Fehler von nur 0,51 % FS, was mit dem U-förmigen Ansatz vergleichbar ist, aber ohne die Nachteile, die diese Konfiguration mit sich bringt.

Der größte Vorteil des symmetrischen Schirmaufbaus besteht darin, dass der Hysteresefehler vollständig kompensiert werden kann. Dies liegt daran, dass die Felder in jedem der beiden weichmagnetischen Materialien, die in der Abschirmung verwendet werden, entgegengesetzte Feldorientierungen haben. Durch sorgfältiges Design können die beiden Abschirmungen jedes durch die Stromflüsse erzeugte Restmagnetfeld effektiv aufheben.

Ein weiterer großer Vorteil dieses Ansatzes ist seine Größe. Die Größe der kompletten Sensorimplementierung wird nicht länger durch die Größe des Flusskonzentrators oder der Abschirmung bestimmt. Das bedeutet, dass der symmetrisch geschirmte Ansatz für Größe, Gewicht und Kosten optimiert werden kann, unabhängig von der Größe der Sammelschiene oder dem zu messenden Strom.

Schlussfolgerung

Obwohl alle drei hier vorgestellten Lösungen ihre relativen Vorteile haben, wird letztendlich die Anwendung die Wahl beeinflussen. Wenn ein hohes Maß an Immunität erforderlich ist, ist das Core-basierte Design kaum zu übertreffen. Wenn ein geringer Hysteresefehler und eine geringe Größe treibende Faktoren sind, dann wird wahrscheinlich die symmetrisch abgeschirmte Sensorkonfiguration bevorzugt. Die in Tabelle 1 präsentierten Ergebnisse bieten eine gute Momentaufnahme der Diskussion.

Die Nachfrage nach robuster, kostengünstiger und zuverlässiger kontaktloser Strommessung in Elektrofahrzeugen steigt. Da immer mehr Hersteller ihr Produktangebot in diesem Bereich erweitern, können Verbraucher die Vorteile genießen, die vollständig oder teilweise elektrische Antriebsstränge bieten.

Dieser Artikel wurde von Lukas Klar, Anwendungstechniker, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Deutschland) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Herrn Klar unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .