Aktualne rozwiązania w zakresie czujników w akumulatorach EV / HEV

Rynek pojazdów elektrycznych rośnie dość szybko na całym świecie. Szacunki pokazują, że liczba pojazdów elektrycznych na drogach na całym świecie osiągnie 125 milionów do 2030 roku. Globalny rynek pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych. Aby kontrolować przepływ energii i optymalizować wydajność podsystemów napędowych HEV / EV, takich jak falowniki trakcyjne, ładowarki pokładowe (OBC), konwertery DC-DC i systemy zarządzania akumulatorem (BMS), niezbędny jest precyzyjny i dokładny pomiar prądu. Te podsystemy wysokiego napięcia muszą mierzyć duże prądy przy wysokich napięciach w trybie wspólnym. Ze względów technicznych i regulacyjnych obecne pomiary wymagają izolacji, a także bardzo wysokiej wydajności w trudnych warunkach motoryzacyjnych.

Typowe konfiguracje pojazdów elektrycznych w Indiach są następujące:

i) jednokołowiec

1. Napięcie akumulatora = 48 V, 72 V.
2. Silnik 1kW, 2kW

ii) trójkołowiec

1. Napięcie akumulatora = 48 V, 72 V.
2. Silnik 2kW, 4kW

iii) czterokołowiec i autobus

1. Napięcie akumulatora = 72 V, 400 V, 600 V.
2. 20kW do 300kW

Jedną z kluczowych cech zapewniających bezpieczeństwo pojazdu elektrycznego jest gromadzenie danych i podejmowanie szybkich działań zwrotnych lokalnie na podstawie tych danych. Jednym z takich punktów danych, bardzo ważnym i kluczowym dla bezpieczeństwa, jest prąd przepływający przez różne podsystemy pojazdu elektrycznego.

Możemy podzielić wykrywanie prądu w pojeździe elektrycznym ogólnie na 3 kategorie, jak pokazano poniżej:

1. Zabezpieczenie nadprądowe w czasie rzeczywistym

1. Napędy trakcyjne:
2. Obwody zabezpieczające akumulator:

2. Monitorowanie prądu i mocy w celu optymalizacji systemu

1. Pomiar baterii
2. Zużycie energii przez system
3. Wspomaganie kierownicy

3. Pomiar prądu dla obwodów zamkniętych

1. Zastosowanie napędu silnikowego:
2. Przetwornice DC / DC

Poniżej znajduje się ogólny przegląd różnych rozwiązań firmy TI do bieżących zastosowań pomiarowych. Oś Y to wspólne napięcie szyny, przez które wykrywany jest prąd, a oś X to rzeczywista amplituda mierzonego prądu.

Jak pokazano na powyższym rysunku, prąd można wykryć poprzez napięcie na małej rezystancji bocznika lub można go zmierzyć poprzez pomiar pola magnetycznego wytwarzanego przez prąd przepływający przez przewodnik. W Ti dostarczamy rozwiązania do pomiaru prądu przy użyciu obu wyżej wymienionych metod.

Listę rozwiązań dostępnych w firmie TI dla aktualnych zastosowań czujników można zobaczyć poniżej:

Przyjrzyjmy się bliżej każdemu z przypadków użycia czujnika prądu i przyjrzyjmy się niektórym odpowiednim rozwiązaniom dostępnym w TI.

1. Ochrona przed przetężeniem w czasie rzeczywistym

Ten przypadek użycia jest ogólnie postrzegany w EV z perspektywy bezpieczeństwa. Ponieważ baterie mogą rozładowywać ogromne ilości prądu podczas wystąpienia usterki, posiadanie obwodów monitorujących awarie w czasie rzeczywistym staje się bardzo ważne. Szybkość i dokładność takiego obwodu to wartość zalet wzmacniacza prądu. W niektórych przypadkach, ponieważ uC ma ograniczoną szerokość pasma, próbkowanie analogowej wartości prądu - konwersja na wartość cyfrową, a następnie porównanie wartości cyfrowej w celu wykrycia przetężenia, powoduje ogromne opóźnienie w obwodzie zabezpieczającym. Aby rozwiązać ten problem, TI wymyślił wzmacniacz z czujnikiem prądu ze zintegrowanymi komparatorami, których próg można ustawić i które mogą być bezpośrednio wprowadzone do pinu przerwania uC, powodując ogromne zmniejszenie przeciążenia uC.

Oto niektóre z rozwiązań firmy TI w zakresie ochrony nadprądowej:

Bardzo dobrym przykładem tego przypadku użycia jest użycie wzmacniacza z czujnikiem prądu jako bezpiecznika E, jak pokazano poniżej:

2. Monitorowanie prądu i mocy w celu optymalizacji systemu

Monitorowanie prądu i mocy jest zwykle wdrażane w systemach pojazdów elektrycznych w celu monitorowania całkowitego poboru prądu z akumulatora, a tym samym dostarczania kierowcy w czasie rzeczywistym informacji o stanie naładowania akumulatora pojazdu za pomocą algorytmów, takich jak zliczanie kulombów. Oprócz powyższego, monitorowanie prądu w pojazdach jest wykorzystywane w różnych podsystemach, takich jak wspomaganie kierownicy, elektryczne szyby i podobne obszary. TI ma szeroką ofertę w zakresie monitorowania prądu i mocy.

Jak wspomniano powyżej, jednym z kluczowych obszarów zainteresowania jest przyjrzenie się prądowi wpływającemu i wypływającemu z akumulatora, aby policzyć kulomby i obliczyć pozostały czas życia / naładowanie akumulatora. TI INA299 wyróżnia się takim zastosowaniem ze względu na wysoki poziom integralności w połączeniu z wysoką precyzją i niskim poborem prądu spoczynkowego. Poniżej widzimy typowy schemat blokowy wysokiego poziomu BMS z INA299. Więcej informacji i oficjalne dokumenty można znaleźć w folderze produktu INA299 na ti.com.

3. Pomiar prądu dla obwodów zamkniętych

Ze względu na obecność wielu napięć dostępnych w pojeździe elektrycznym, w drzewie zasilaczy znajduje się wiele kombinacji przetworników buck i boost. Niektóre z bardzo widocznych bloków zasilania w typowym pojeździe elektrycznym to ładowarka pokładowa, BLDC (sterowniki silników trakcyjnych), przetwornica 48 V na 12 V itp. Ponieważ pętla sterująca we wszystkich tych zasilaczach o dużej mocy jest wykonywana za pomocą uC, pomiar wysokiej dokładności, prąd o niskim opóźnieniu staje się kluczowy dla realizacji pętli sterowania prądem szczytowym. Do takich zastosowań wymagany jest czujnik prądu o bardzo dużej szerokości pasma do pomiaru prądu przełączania, prądu wyjściowego do szybkiego działania sterowania.Inną zaletą takich czujników prądu, które są używane do sterowania napędami silnikowymi, jest zdolność czujników do odrzucania szumów trybu wspólnego przy wysokiej częstotliwości (tłumienie PWM).

Na przykład INA253 wyróżnia się w tej aplikacji dzięki wiodącemu w branży 93db CMRR nawet przy 50khz. Poniżej znajduje się typowy schemat używany do wykrywania prądu w linii

Firma Texas Instruments oferuje najlepsze w swojej klasie izolowane wzmacniacze i izolowane modulatory, które pomagają osiągnąć bardzo dokładne pomiary izolowanego prądu w zależności od temperatury w połączeniu z bardzo precyzyjnymi bocznikami. Firma TI opracowała nową gamę izolowanych wzmacniaczy wykrywających prąd, nazwanych jako seria AMC, które pomagają zaprojektować pomiar prądu z dużą dokładnością z barierą izolacyjną na poziomie 2 kVrms.

Firma TI posiada bogatą kolekcję głębokich szkoleń z zakresu napędów „ Rozpoczynanie pracy ze wzmacniaczami prądu przemiennego ”, które powinny pomóc inżynierom nauczyć się maksymalizować osiągane parametry podczas pomiaru prądu za pomocą wzmacniacza z czujnikiem prądu. To seria krótkich filmów, z których każdy dotyczy innego tematu.

Ogólnie szkolenie zostanie podzielone na trzy sekcje

• Podstawy
• Zrozumienie źródeł błędów
• Zaawansowane tematy

Możesz uzyskać dostęp do wszystkich filmów szkoleniowych TI, klikając łącze.

O Autorach

Pan Shreenidhi Patil jest inżynierem aplikacji analogowych w Texas Instruments, który koncentruje się głównie na pomiarze sieci, nadchodzącym rynku EV i stacjach ładowania pojazdów elektrycznych.

Pan Mahendra Patel rozpoczął swoją karierę w branży półprzewodników w firmie Texas Instruments 6 lat temu. Jako inżynier terenowy obsługuje wielu klientów i aplikacje w branży motoryzacyjnej. Lubi pracować nad projektami związanymi z pojazdami elektrycznymi i oświetleniem samochodowym.