Soluciones de diseño prácticas para mejorar la detección de corriente sin contacto en vehículos eléctricos

La industria automotriz está yendo más allá del pequeño automóvil eléctrico para pasajeros y ahora ofrece una variedad de modelos para satisfacer una gama cada vez mayor de necesidades, desde el transporte familiar hasta los deportes y la recreación. Estos vehículos suelen ser más grandes y, como resultado, más pesados ​​que los modelos EV anteriores. Estos requieren motores eléctricos más grandes que, a su vez, consumen más energía. Ya sea que el vehículo sea completamente eléctrico, híbrido enchufable o híbrido suave, los niveles de voltaje y corriente involucrados son considerables. En la mayoría de los casos, las baterías deben suministrar muchos cientos de voltios para lograr la experiencia de conducción necesaria para llevar los vehículos eléctricos al siguiente nivel de rendimiento. Debido a esto, monitorear de cerca el volumen de corriente que fluye hacia el motor se está convirtiendo en una función de importancia crítica para los fabricantes de automóviles.

El desafío de las mediciones precisas de corriente en entornos de vehículos eléctricos

El cambio de la combustión interna a los motores eléctricos plantea muchos desafíos nuevos para los ingenieros de múltiples disciplinas. Para los ingenieros de sistemas, el desafío es equilibrar la relación potencia-peso, mientras que los ingenieros eléctricos y electrónicos deben concentrarse en la administración de energía. Más potencia significa vehículos más rápidos y con mayor capacidad de respuesta, pero el uso de demasiada potencia, demasiado rápido, conduce a fuentes de energía rápidamente agotadas y una autonomía reducida. Por lo tanto, es fundamental optimizar cada parte del diseño.

La clave para la administración de energía es una medición precisa:el sensor de corriente es el EV equivalente al sensor de flujo de combustible en un vehículo convencional. La medición de corriente se puede lograr fácilmente usando una derivación o una resistencia de bajo valor. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será la derivación, por lo que medir corrientes de la magnitud requerida para motores eléctricos potentes requeriría derivaciones físicamente grandes que son pesadas y costosas.

La detección de corriente sin contacto ofrece una alternativa atractiva a la resistencia de derivación. Basado en el magnetorresistivo o efecto Hall, aprovecha los campos electromagnéticos generados cuando la corriente pasa a través de un conductor. Debido a su tamaño más pequeño, naturaleza no intrusiva y aislamiento galvánico inherente, la detección de corriente sin contacto se está convirtiendo rápidamente en el método de medición de corriente preferido por los fabricantes de vehículos eléctricos.

Tipos de sensores sin contacto para aplicaciones automotrices

El tamaño del campo magnético que rodea al conductor es proporcional a la corriente que fluye, pero incluso con grandes corrientes, la intensidad del campo sigue siendo relativamente pequeña. Aunque los elementos de detección Hall pueden ser muy sensibles, esta sensibilidad también los hace propensos a leer campos electromagnéticos dispersos o de fondo. Afortunadamente, esta distorsión se puede reducir mediante el blindaje o la aplicación de técnicas de compensación.

Sin embargo, compensar todas las formas de interferencias electromagnéticas exigiría una comprensión profunda de todas las diversas fuentes de interferencia, lo que sería un desafío. El enfoque más simple y posiblemente más sólido es seleccionar un sensor de corriente sin contacto que ofrezca cierta inmunidad inherente a los campos dispersos.

En general, existen tres enfoques para la detección de corriente sin contacto, como se muestra en la Figura 1. Estos incluyen el sensor basado en el núcleo, el sensor en forma de U y el sensor blindado "sándwich" simétrico. Si bien comparar los tres es difícil debido a la cantidad de variables que presentan las aplicaciones únicas, es útil medir el rendimiento en función de un escenario típico. En este caso, los sensores se evaluaron utilizando una barra colectora de 20 mm de ancho por 2,5 mm de espesor con una sección transversal rectangular, que soporta 1000 A.

Sensores de corriente sin contacto basados ​​en núcleo

En un sensor basado en núcleo, se coloca un concentrador de flujo alrededor del material que transporta la corriente que se va a medir. La forma circular del concentrador está interrumpida por un pequeño espacio de aire, en el que se coloca el sensor de campo magnético. El núcleo ayuda a enfocar el flujo inducido por la corriente que fluye en la barra colectora hacia el sensor.

La sensibilidad del sensor al flujo generado por el flujo de corriente depende de varios factores. El primero de ellos es el tamaño del entrehierro, ya que un entrehierro más pequeño permite que una mayor cantidad de flujo llegue al sensor. De ello se deduce, por lo tanto, que un sensor más pequeño permitiría un espacio de aire más pequeño. Como se muestra en la Figura 2, en este experimento, una corriente de 1000 A da como resultado que el sensor registre una densidad de flujo de 200 mT. En comparación, si no hubiera núcleo presente, el mismo sensor registraría una densidad de flujo de solo 20 mT. Los sensores adecuados para esta configuración incluyen el HAL 24xy de TDK.

Para medir la inmunidad de esta configuración a los campos dispersos, se llevó a cabo una simulación suponiendo un campo externo con una densidad de flujo de 5 mT. Los resultados se pueden ver en la Figura 2, que muestra cómo la forma del núcleo entrena el campo magnético para que fluya a través del sensor. Con el campo externo presente, la capacidad del sensor para detectar con precisión el campo generado por el flujo de corriente se reduce en un factor de 40. La conclusión aquí es que el sensor basado en el núcleo ofrece un buen nivel de protección contra otras fuentes de EMI, y con un nivel adecuado de acondicionamiento de la señal, sus efectos pueden mitigarse aún más. En este caso, sería razonable esperar un error de compensación de solo el 0,06 % de la escala completa.

Sin embargo, el enfoque basado en el núcleo tiene la desventaja de ser relativamente difícil de montar, ya que la barra colectora debe atravesar el núcleo, mientras que el sensor debe ubicarse en el espacio de aire. Además, para evitar la saturación de grandes flujos de corriente, el núcleo también debe ser físicamente grande. Además de esto, la cantidad de material magnéticamente sensible utilizado en el propio núcleo puede hacer que se convierta en una fuente de error e interferencia histéricos.

El sensor de corriente en forma de U soluciona muchas de estas desventajas.

El sensor de corriente blindado en forma de U

Como sugiere el nombre, el sensor en forma de U presenta un espacio de aire más grande, pero aún ofrece un grado de protección contra la EMI perdida. El sensor se beneficia de un blindaje en tres de sus lados gracias al uso de un material magnético blando. La forma del concentrador hace que el montaje sea más fácil que una configuración basada en núcleo, ya que el sensor mismo se puede colocar sobre la barra colectora, montado en una pequeña placa de circuito impreso.

Este estilo de sensor blindado tendrá una sensibilidad más baja que un enfoque basado en el núcleo, que es una de las ventajas y desventajas que los ingenieros deben tener en cuenta al seleccionar el diseño más apropiado para su aplicación. Como se muestra en la Figura 3, con 1000 A fluyendo a través de la barra colectora, el sensor detectó una densidad de flujo magnético de 50 mT, correspondiente a una ganancia de 2.

Sin embargo, la baja ganancia tiene sus ventajas. Significa que se puede utilizar casi cualquier sensor, como el HAL 24xy o el sensor de circuito cerrado CUR 423x basado en la magneto resistencia de túnel (TMR) de TDK. Además, debido a que hay una menor concentración del campo magnético, el grosor del material de protección puede optimizarse en función del espacio, el peso y el costo.

Como muestra la figura 3, el campo se dirige una vez más alrededor del blindaje; sin embargo, en esta configuración, el error de compensación causado por el campo errante es del 0,55 % de la escala completa. Ajustar la forma del blindaje y el espacio alrededor del sensor puede mejorar este error de compensación.

La solución basada en el núcleo es simétrica en términos de susceptibilidad, mientras que la configuración en forma de U es asimétrica. Esto significa que la forma de U es más susceptible a campos orientados verticalmente que a campos horizontales. Este es otro factor a tener en cuenta al seleccionar y ubicar un sensor de corriente sin contacto. Sin embargo, a su favor, esta configuración tiene un error histerético más bajo que el sensor basado en el núcleo, ya que hay menos material magnético presente. Por el contrario, el tamaño y la forma del sensor aún se rigen en gran medida por el nivel de protección necesario.

El sensor blindado simétricamente ofrece otra opción más, brindando beneficios tanto en tamaño como en capacidad de blindaje.

Sensores de corriente con blindaje simétrico

Para aplicaciones que requieren un mayor nivel de protección a costa de la sensibilidad, la configuración de sándwich con protección simétrica puede ser la más adecuada. En este enfoque, el sensor está ubicado en el centro sobre la barra colectora, como en el enfoque en forma de U. Sin embargo, en esta configuración, el sensor está protegido con dos piezas de material magnético blando; una pieza se asienta sobre el sensor mientras que la segunda se coloca debajo de la barra colectora. De esta manera, los campos generados por la barra colectora y cualquier EMI perdido se dirigen a través del plano de medición del sensor.

Esto da como resultado una ganancia de 0,3, como se muestra en los resultados de la simulación en la Figura 4, lo que significa que para la misma corriente de 1000 A, el sensor mide solo 7,8 mT. Esto indica una atenuación del 70%. Debido a esto, solo se pueden usar sensores con un alto nivel de sensibilidad, como el sensor TMR CUR 423x de TDK.

El principal beneficio de esta configuración son los niveles relativamente altos de blindaje que ofrece en comparación con las configuraciones basadas en núcleo y en forma de U. Además, aunque la señal se atenúa y se combina con la EMI perdida, el resultado sigue siendo un error de compensación de solo 0,51 % FS, que es comparable al enfoque en forma de U pero sin las desventajas que trae la configuración.

La mayor ventaja de la configuración de blindaje simétrico es que el error histerético puede compensarse por completo. Esto se debe a que los campos en cada uno de los dos materiales magnéticos blandos utilizados en el blindaje tienen orientaciones de campo opuestas. Con un diseño cuidadoso, los dos escudos pueden cancelar efectivamente cualquier campo magnético residual creado por los flujos de corriente.

Otro beneficio importante de este enfoque es su tamaño. El tamaño de la implementación completa del sensor ya no está dictado por el tamaño del concentrador de flujo o el blindaje. Esto significa que el enfoque con blindaje simétrico se puede optimizar en cuanto a tamaño, peso y costo, independientemente del tamaño de la barra colectora o la corriente que se mida.

Conclusión

Si bien las tres soluciones presentadas aquí tienen sus beneficios relativos, la aplicación influirá en última instancia en la elección. Si se necesitan altos niveles de inmunidad, el diseño basado en el núcleo es difícil de superar. Si el error de histéresis bajo y el tamaño pequeño son factores determinantes, es probable que se favorezca la configuración del sensor blindado simétricamente. Los resultados presentados en la Tabla 1 brindan una buena instantánea de la discusión.

La demanda de detección de corriente sin contacto robusta, rentable y confiable en vehículos eléctricos está aumentando. A medida que más fabricantes amplían sus ofertas de productos en esta área, los consumidores pueden disfrutar de los beneficios que brindan los trenes motrices total o parcialmente eléctricos.

Este artículo fue escrito por Lukas Klar, ingeniero de aplicaciones, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Alemania). Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Klar en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita habilitar JavaScript para verlo. o visita aquí .