Mejora de la detección de corriente sin contacto en VE: Soluciones de diseño prácticas

La industria automotriz ha ido más allá del pequeño coche eléctrico de pasajeros y ahora ofrece una variedad de modelos para satisfacer una gama creciente de necesidades, desde transporte familiar hasta deportes y recreación. Estos vehículos son típicamente más grandes y, como resultado, más pesados que los modelos EV anteriores. Requieren motores eléctricos más grandes que, a su vez, consumen más energía. Ya sea que el vehículo sea totalmente 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 al motor se está convirtiendo en una función críticamente importante para los fabricantes automotrices.

El desafío de las mediciones de corriente precisas en entornos VE

El cambio de la combustión interna hacia trenes de tracción eléctricos plantea muchos nuevos desafíos para 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 enfocarse en la gestión de energía. Más potencia significa vehículos más rápidos y receptivos — pero usar demasiada potencia demasiado rápido conduce a fuentes de energía rápidamente agotadas y alcance reducido. Por lo tanto, es crítico que cada parte del diseño debe optimizarse.

La clave de la gestión de energía es la medición precisa — el sensor de corriente es el equivalente VE al sensor de flujo de combustible en un vehículo convencional. La medición de corriente puede lograrse fácilmente usando un shunt, o resistencia de bajo valor. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será el shunt, por lo que medir corrientes de la magnitud requerida para motores eléctricos potentes demandaría shunts físicamente grandes que son pesados y costosos.

La detección de corriente sin contacto proporciona una alternativa atractiva al resistor shunt. Basada en el efecto magneto-resistivo o 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 enfoque de medición de corriente preferido para 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 fuerza 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 parásitos o de fondo. Afortunadamente, esta distorsión puede reducirse mediante blindaje o aplicando técnicas de compensación.

Sin embargo, compensar todas las formas de EMI parásita demandaría una comprensión profunda de todas las diversas fuentes de interferencia, lo cual sería un desafío. El enfoque más simple y argumentablemente más robusto es seleccionar un sensor de corriente sin contacto que ofrezca cierta inmunidad inherente a campos parásitos.

En general, hay tres enfoques para la detección de corriente sin contacto, como se muestra en la Figura 1. Estos incluyen el sensor basado en núcleo, el sensor en forma de U y el sensor blindado simétrico "sándwich". Si bien comparar los tres es difícil debido al número de variables presentadas por aplicaciones únicas, es útil medir el rendimiento basado en un escenario típico. En esta instancia, los sensores se evaluaron usando una barra colectora de 20 mm de ancho por 2.5 mm de espesor con sección transversal rectangular, transportando 1000 A.

Sensores de corriente sin contacto basados en núcleo

En un sensor basado en núcleo, un concentrador de flujo se posiciona alrededor del material que transporta la corriente a medir. La forma circular del concentrador es interrumpida por un pequeño entrehierro, en el cual 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 es el tamaño del entrehierro, ya que un entrehierro menor permite que una mayor cantidad de flujo llegue al sensor. Se deduce, por tanto, que un sensor más pequeño permitiría un entrehierro más pequeño. Como se muestra en la Figura 2, en este experimento, una corriente de 1000 A resulta en que el sensor registre una densidad de flujo de 200 mT. Por comparación, si no hubiera núcleo presente, el mismo sensor registraría una densidad de flujo de solo 20 mT. Sensores adecuados para esta configuración incluyen el HAL 24xy de TDK.

Para medir la inmunidad de esta configuración a campos parásitos, se realizó una simulación asumiendo un campo externo con una densidad de flujo de 5 mT. Los resultados se pueden ver en la Figura 2, mostrando cómo el campo magnético es guiado por la forma del núcleo para fluir 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 núcleo ofrece un buen nivel de blindaje contra otras fuentes de EMI, y con un nivel apropiado de acondicionamiento de señal, sus efectos pueden mitigarse aún más. En este caso, sería razonable esperar un error de offset de solo 0.06% a escala completa.

Sin embargo, el enfoque basado en núcleo tiene la desventaja de ser relativamente difícil de montar, ya que la barra colectora necesita pasar a través del núcleo, mientras que el sensor debe ubicarse en el entrehierro. Además, para evitar saturación por grandes flujos de corriente, el núcleo también necesita ser físicamente grande. Además, la cantidad de material magnéticamente sensible utilizado en el propio núcleo puede resultar en que este se convierta en una fuente de error histérico e interferencia.

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

El sensor de corriente blindado en forma de U

Como su nombre sugiere, el sensor en forma de U presenta un entrehierro mayor, pero aún ofrece un grado de blindaje contra EMI parásita. El sensor se beneficia del blindaje en tres de sus lados gracias al uso de un material magnético blando. La forma del concentrador hace que el ensamblaje sea más fácil que una configuración basada en núcleo, ya que el sensor en sí puede posicionarse sobre la barra colectora, montado en una pequeña placa de circuito impreso.

Este estilo de sensor blindado tendrá menor sensibilidad que un enfoque basado en núcleo, lo cual es una de las compensaciones que los ingenieros deben considerar 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.

La baja ganancia tiene sus beneficios, sin embargo. Significa que casi cualquier sensor puede usarse, como el HAL 24xy, o el sensor de lazo cerrado CUR 423x basado en resistencia magneto-túnel (TMR) de TDK. Además, debido a que hay menos concentración del campo magnético, el espesor del material de blindaje puede optimizarse para espacio, peso y costo.

Como muestra la Figura 3, el campo es nuevamente dirigido alrededor del blindaje; sin embargo, en esta configuración, el error de offset causado por el campo parásito es 0.55% a escala completa. Ajustar la forma del blindaje y el espacio alrededor del sensor puede mejorar este error de offset.

La solución basada en núcleo es simétrica en términos de susceptibilidad, mientras que la configuración en forma de U es asimétrica. Esto significa que la forma en 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. A su favor, sin embargo, esta configuración tiene menor error histérico que el sensor basado en núcleo, ya que hay menos material magnético presente. Por el contrario, el tamaño y forma del sensor aún están largely gobernados por el nivel de blindaje necesario.

El sensor blindado simétricamente proporciona otra opción, aportando beneficios tanto en tamaño como en capacidad de blindaje.

Sensores de corriente con blindaje simétrico

Para aplicaciones que requieren un nivel más alto de blindaje a costa de sensibilidad, la configuración blindada simétricamente — sándwich — puede ser la más apropiada. En este enfoque, el sensor se ubica centralmente sobre la barra colectora, como con el enfoque en forma de U. Sin embargo, en esta configuración, el sensor está blindado usando dos piezas de material magnético blando; una pieza se sitúa 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 parásita son dirigidos a través del plano de medición del sensor.

Esto resulta en una ganancia de 0.3, como se muestra en los resultados de 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 atenuación del 70%. Debido a esto, solo sensores con un nivel de alta sensibilidad, como el sensor TMR CUR 423x de TDK, pueden usarse.

El principal beneficio de esta configuración es 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 parásita, el resultado sigue siendo un error de offset de solo 0.51% FE, que es comparable al enfoque en forma de U pero sin las desventajas que esta configuración trae.

La mayor ventaja de la configuración de blindaje simétrico es que el error histérico puede compensarse completamente. Esto es porque los campos en cada uno de los dos materiales magnéticos blandos utilizados en el blindaje tienen orientaciones de campo opuestas. Por diseño cuidadoso, los dos blindajes 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 blindaje. Esto significa que el enfoque blindado simétricamente puede optimizarse para tamaño, peso y costo, sea cual sea el tamaño de la barra colectora o la corriente medida.

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 núcleo es difícil de superar. Si el bajo error histérico y el tamaño pequeño son factores determinantes, entonces la configuración de sensor blindado simétricamente es probable que sea favorecida. Los resultados presentados en la Tabla 1 proporcionan 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 proporcionan los trenes de tracción totalmente o parcialmente eléctricos.

Este artículo fue escrito por Lukas Klar, Ingeniero de Aplicaciones, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Alemania). Para más información, contacte al Sr. Klar en [dirección de correo protegida] o visite .