Producenci samochodów na całym świecie koncentrują się na elektryfikacji pojazdów. Istnieje potrzeba, aby samochody ładowały się szybciej i miały większy zasięg na jednym ładowaniu. Oznacza to, że obwody elektryczne i elektroniczne w pojeździe powinny być w stanie obsłużyć ekstremalnie dużą moc i skutecznie zarządzać stratami. Istnieje zapotrzebowanie na solidne rozwiązania w zakresie zarządzania temperaturą, aby zapewnić, że aplikacje krytyczne dla bezpieczeństwa będą nadal działać.
Oprócz ciepła wytwarzanego przez sam pojazd, pomyśl tylko o całej tolerancji termicznej, jaką musi mieć Twój samochód i jego elektronika, aby radzić sobie z szerokimi zakresami temperatur otoczenia. Na przykład w najzimniejszych regionach Indii temperatura spada znacznie poniżej 0 ° C zimą, aw niektórych innych regionach może przekraczać 45 ° C latem.
Każdy podsystem w pojeździe elektrycznym (EV) wymaga monitorowania temperatury. Wbudowana ładowarka, konwerter DC / DC i sterowanie falownikiem / silnikiem wymagają bezpiecznego i wydajnego sterowania w celu ochrony wyłącznika zasilania (MOSFET / IGBT / SiC). Systemy zarządzania baterią (BMS) również wymagają dokładnej rozdzielczości pomiaru temperatury na poziomie ogniwa. Jedynym elementem, który musi być dokładny w ekstremalnych temperaturach, aby chronić system, jest bez wątpienia czujnik temperatury. Dokładne informacje o temperaturze pozwalają procesorowi na kompensację temperatury systemu, dzięki czemu moduły elektroniczne mogą optymalizować swoje działanie i maksymalizować niezawodność niezależnie od warunków jazdy. Obejmuje to wykrywanie temperatury przełączników mocy, elementów magnetycznych mocy, radiatorów, PCB itp. Dane temperaturowe pomagają również sterować układem chłodzenia w sposób kontrolowany.
Termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) i PTC (o dodatnim współczynniku temperaturowym) należą do najczęściej stosowanych urządzeń do monitorowania temperatur. NTC jest rezystorem pasywnym, a rezystancja NTC zmienia się wraz z temperaturą. Dokładniej, gdy temperatura otoczenia wokół NTC wzrasta, rezystancja NTC maleje. Inżynierowie umieszczą NTC w dzielniku napięcia, a sygnał wyjściowy dzielnika napięcia zostanie odczytany z kanału przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) mikrokontrolera (MCU).
Istnieje jednak kilka cech NTC, które mogą utrudniać stosowanie go w środowisku motoryzacyjnym. Jak wspomniano wcześniej, rezystancja NTC zmienia się odwrotnie wraz z temperaturą, ale zależność jest nieliniowa. Poniższy rysunek przedstawia przykład typowego dzielnika napięcia opartego na NTC.
Jeśli weźmie się pod uwagę ciepło wytwarzane przez różne podsystemy w EV i klimatach, które istnieją w różnych regionach świata, staje się jasne, że półprzewodnikowe elementy pojazdu będą narażone na działanie szerokiego zakresu temperatur (od -40 ° C do 150 ° C). W szerokim zakresie temperatur, nieliniowe zachowanie NTC utrudni redukcję błędów podczas przekładania odczytu napięcia na rzeczywisty pomiar temperatury. Błąd wprowadzony z nieliniowej krzywej NTC obniża dokładność dowolnego odczytu temperatury opartego na NTC.
Czujnik temperatury IC z wyjściem analogowym będzie miał bardziej liniową odpowiedź w porównaniu z NTC, jak pokazano na powyższym rysunku. MCU może z łatwością przetłumaczyć napięcie na dane temperatury z większą dokładnością i szybkością. Wreszcie, układy scalone analogowych czujników temperatury często mają wyższą czułość na temperaturę w wysokich temperaturach w porównaniu z NTC. Czujniki temperatury IC mają tę samą kategorię rynkową, co inne technologie wykrywania, takie jak termistory, rezystancyjne czujniki temperatury (RTD) i termopary, ale układy scalone mają kilka ważnych zalet, gdy wymagana jest dobra dokładność w szerokich temperaturach, takich jak zakres AEC-Q100 Grade 0 (-40 ° C do 150 ° C). Po pierwsze, granice dokładności czujnika temperatury IC są podane w stopniach Celsjusza w arkuszu danych w całym zakresie roboczym; odwrotnie,typowy termistor o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) może określać dokładność rezystancji tylko w procentach w jednym punkcie temperatury. W takim przypadku należałoby dokładnie obliczyć całkowitą dokładność systemu dla pełnego zakresu temperatur przy użyciu termistora. W rzeczywistości należy uważnie sprawdzić warunki pracy określające dokładność dowolnego czujnika.
Wybierając układ scalony, należy pamiętać, że istnieje kilka typów - o różnych zaletach do różnych zastosowań motoryzacyjnych.
- Wyjście analogowe: Urządzenia takie jak LMT87-Q1 (dostępne w AEC-Q100 Grade 0) są prostymi, trójstykowymi rozwiązaniami oferującymi wiele opcji wzmocnienia, najlepiej dopasowanych do wybranego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), co pozwala określić ogólną rozdzielczość. Zyskujesz również korzyści z niskiego zużycia energii podczas pracy, które jest porównywalnie spójne w zakresie temperatur w porównaniu z termistorem. Oznacza to, że nie musisz rezygnować z mocy za wydajność szumową.
- Wyjście cyfrowe: aby jeszcze bardziej uprościć implementację zarządzania temperaturą, TI oferuje cyfrowe czujniki temperatury, które będą bezpośrednio komunikować temperaturę przez interfejsy takie jak I²C lub Serial Peripheral Interface (SPI). Na przykład TMP102-Q1 będzie monitorować temperaturę z dokładnością ± 3,0 ° C od -40 ° C do + 125 ° C i bezpośrednio przesyłać temperaturę przez I²C do MCU. To całkowicie eliminuje potrzebę jakiejkolwiek tabeli przeglądowej lub obliczeń opartych na funkcji wielomianu. Ponadto urządzenie LMT01-Q1 jest 2-pinowym czujnikiem temperatury o wysokiej dokładności z łatwym w użyciu interfejsem pętli prądowej zliczania impulsów, dzięki czemu nadaje się do zastosowań pokładowych i zewnętrznych w motoryzacji.
- Przełącznik temperatury: Wiele przełączników TI dopuszczonych do użytku w branży motoryzacyjnej zapewnia proste i niezawodne ostrzeżenia o przegrzaniu, na przykład TMP302-Q1. Jednak posiadanie analogowej wartości temperatury daje systemowi wczesny wskaźnik, którego można użyć do skalowania z powrotem do ograniczonej pracy, zanim osiągnie krytyczną temperaturę. Podsystemy EV mogą również korzystać z programowalnych progów, bardzo szerokiego zakresu temperatur pracy i wysokiej niezawodności wynikającej z weryfikacji działania LM57-Q1 w obwodzie ze względu na trudne środowisko pracy (oba układy scalone są dostępne w klasie 0 AEC-Q100). Pełną ofertę części do czujników temperatury opartych na układach scalonych można znaleźć na stronie:
W większości podsystemów EV MCU jest odizolowane od wyłączników mocy i innych elementów, których temperatura jest wykrywana. Dane pochodzące z czujnika temperatury wyjścia cyfrowego można łatwo izolować za pomocą prostych izolatorów cyfrowych, takich jak rodzina urządzeń ISO77xx-Q1 firmy TI. Na podstawie liczby wymaganych izolowanych cyfrowych linii komunikacyjnych i izolacji odpowiednią część można wybrać tutaj:
Poniżej znajduje się schemat blokowy konstrukcji referencyjnej TIDA-00752, która zapewnia cyfrowe wyjście impulsowe przez barierę izolacyjną.
Podsumowując, termistory NTC są często używane do monitorowania temperatury, ale ich nieliniowa odpowiedź temperaturowa może okazać się problematyczna w rozwiązaniach motoryzacyjnych. Rozwiązania TI z analogowymi i cyfrowymi czujnikami temperatury umożliwiają zarówno dokładne, jak i łatwe monitorowanie temperatury wielu systemów samochodowych.
o autorze
