Soluções práticas de design para melhorar a detecção de corrente sem contato em veículos elétricos

A indústria automotiva está indo além do pequeno carro elétrico de passageiros e agora oferece uma variedade de modelos para atender a uma gama crescente de necessidades, desde transporte familiar até esportes e recreação. Esses veículos são geralmente maiores e, como resultado, mais pesados ​​do que os modelos EV anteriores. Estes requerem motores elétricos maiores que, por sua vez, consomem mais energia. Seja o veículo totalmente elétrico, híbrido plug-in ou híbrido leve, os níveis de tensão e corrente envolvidos são consideráveis. Na maioria dos casos, as baterias devem fornecer muitas centenas de volts para alcançar a experiência de condução necessária para levar os veículos elétricos ao próximo nível de desempenho. Por causa disso, monitorar de perto o volume de corrente que flui para o motor está se tornando uma função extremamente importante para os fabricantes automotivos.

O desafio de medições de corrente precisas em ambientes EV

A mudança da combustão interna para as transmissões elétricas levanta muitos novos desafios para engenheiros de várias disciplinas. Para os engenheiros de sistema, o desafio é equilibrar a relação potência/peso, enquanto os engenheiros elétricos e eletrônicos precisam se concentrar no gerenciamento de energia. Mais potência significa veículos mais rápidos e responsivos – mas usar muita potência, muito rapidamente, leva a fontes de energia rapidamente esgotadas e alcance reduzido. Portanto, é fundamental que cada parte do projeto seja otimizada.

A chave para o gerenciamento de energia é a medição precisa - o sensor de corrente é o EV equivalente ao sensor de fluxo de combustível em um veículo convencional. A medição de corrente pode ser facilmente obtida usando um resistor shunt ou de baixo valor. Quanto maior a corrente, maior o shunt, portanto, medir correntes da magnitude necessária para motores elétricos potentes exigiria shunts fisicamente grandes, pesados ​​e caros.

A detecção de corrente sem contato fornece uma alternativa atraente ao resistor de derivação. Com base no magneto-resistivo, ou efeito Hall, ele aproveita os campos eletromagnéticos gerados à medida que a corrente passa por um condutor. Devido ao seu tamanho menor, natureza não intrusiva e isolamento galvânico inerente, a detecção de corrente sem contato está rapidamente se tornando a abordagem de medição de corrente preferida para fabricantes de veículos elétricos.

Tipos de sensores sem contato para aplicações automotivas

O tamanho do campo magnético ao redor do condutor é proporcional à corrente que flui, mas mesmo com grandes correntes, a intensidade do campo ainda é relativamente pequena. Embora os elementos de detecção Hall possam ser muito sensíveis, essa sensibilidade também os torna propensos a ler campos eletromagnéticos dispersos ou de fundo. Felizmente, essa distorção pode ser reduzida por meio de blindagem ou aplicação de técnicas de compensação.

No entanto, compensar todas as formas de EMI perdidas exigiria uma compreensão profunda de todas as várias fontes de interferência, o que seria um desafio. A abordagem mais simples e sem dúvida mais robusta é selecionar um sensor de corrente sem contato que ofereça alguma imunidade inerente a campos dispersos.

Em geral, existem três abordagens para detecção de corrente sem contato, conforme mostrado na Figura 1. Elas incluem o sensor baseado em núcleo, o sensor em forma de U e o sensor blindado simétrico em "sanduíche". Embora a comparação dos três seja difícil devido ao número de variáveis ​​apresentadas por aplicativos exclusivos, é útil medir o desempenho com base em um cenário típico. Neste caso, os sensores foram avaliados usando um barramento de 20 mm de largura por 2,5 mm de espessura com seção transversal retangular, transportando 1000 A.

Sensores de corrente sem contato baseados em núcleo

Em um sensor baseado em núcleo, um concentrador de fluxo é posicionado em torno do material que transporta a corrente a ser medida. A forma circular do concentrador é interrompida por um pequeno entreferro, no qual é colocado o sensor de campo magnético. O núcleo ajuda a focar o fluxo induzido pela corrente que flui no barramento para o sensor.

A sensibilidade do sensor ao fluxo gerado pelo fluxo de corrente depende de vários fatores. A primeira delas é o tamanho do entreferro, pois um entreferro menor permite que uma quantidade maior de fluxo chegue ao sensor. Segue-se, portanto, que um sensor menor permitiria um entreferro menor. Conforme mostrado na Figura 2, neste experimento, uma corrente de 1000 A resulta no sensor registrando uma densidade de fluxo de 200 mT. Em comparação, se nenhum núcleo estivesse presente, o mesmo sensor registraria uma densidade de fluxo de apenas 20 mT. Os sensores adequados para esta configuração incluem o HAL 24xy da TDK.

Para medir a imunidade desta configuração a campos dispersos, foi realizada uma simulação assumindo um campo externo com densidade de fluxo de 5 mT. Os resultados podem ser vistos na Figura 2, mostrando como o campo magnético é treinado pela forma do núcleo para fluir através do sensor. Com o campo externo presente, a capacidade do sensor de detectar com precisão o campo gerado pelo fluxo de corrente é reduzida em um fator de 40. A conclusão aqui é que o sensor baseado em núcleo oferece um bom nível de blindagem de outras fontes de EMI, e com uma adequado de condicionamento de sinal, seus efeitos podem ser ainda mais mitigados. Nesse caso, seria razoável esperar um erro de compensação de apenas 0,06% da escala total.

No entanto, a abordagem baseada no núcleo tem a desvantagem de ser relativamente difícil de montar, pois o barramento precisa passar pelo núcleo, enquanto o sensor deve estar localizado no entreferro. Além disso, para evitar a saturação de grandes fluxos de corrente, o núcleo também precisa ser fisicamente grande. Além disso, a quantidade de material magneticamente sensível usado no próprio núcleo pode fazer com que ele se torne uma fonte de erros e interferências histeréticas.

O sensor de corrente em forma de U aborda muitas dessas desvantagens.

O sensor de corrente blindado em forma de U

Como o nome sugere, o sensor em forma de U apresenta um entreferro maior, mas ainda oferece um grau de proteção contra EMI perdida. O sensor se beneficia da blindagem em três de seus lados graças ao uso de um material magnético macio. A forma do concentrador facilita a montagem do que uma configuração baseada em núcleo, pois o próprio sensor pode ser posicionado acima do barramento, montado em uma pequena placa de circuito impresso.

Esse estilo de sensor blindado terá menor sensibilidade do que uma abordagem baseada em núcleo, que é uma das vantagens que os engenheiros devem considerar ao selecionar o projeto mais apropriado para sua aplicação. Conforme mostrado na Figura 3, com 1000 A circulando pelo barramento, o sensor detectou uma densidade de fluxo magnético de 50 mT, correspondendo a um ganho de 2.

O baixo ganho tem seus benefícios, no entanto. Isso significa que quase qualquer sensor pode ser usado, como o HAL 24xy ou o sensor de circuito fechado CUR 423x baseado na resistência do magneto de túnel (TMR) da TDK. Além disso, como há menos concentração do campo magnético, a espessura do material de blindagem pode ser otimizada para espaço, peso e custo.

Como mostra a Figura 3, o campo é novamente direcionado em torno da blindagem; no entanto, nesta configuração, o erro de deslocamento causado pelo campo disperso é de 0,55% da escala total. Ajustar a forma da blindagem e o espaço ao redor do sensor pode melhorar esse erro de deslocamento.

A solução baseada em núcleo é simétrica em termos de suscetibilidade, enquanto a configuração em forma de U é assimétrica. Isso significa que a forma em U é mais suscetível a campos orientados verticalmente do que a campos horizontais. Este é outro fator a ser considerado ao selecionar e localizar um sensor de corrente sem contato. A seu favor, no entanto, esta configuração tem menor erro histerético do que o sensor baseado em núcleo, pois há menos material magnético presente. Por outro lado, o tamanho e a forma do sensor ainda são amplamente governados pelo nível de blindagem necessário.

O sensor blindado simetricamente oferece mais uma opção, trazendo benefícios em tamanho e capacidade de blindagem.

Sensores de corrente com blindagem simétrica

Para aplicações que exigem um nível mais alto de blindagem ao custo da sensibilidade, a configuração de blindagem simétrica — sanduíche — pode ser a mais apropriada. Nesta abordagem, o sensor está localizado centralmente acima do barramento, como na abordagem em forma de U. Porém, nesta configuração, o sensor é blindado com duas peças de material magnético macio; uma peça fica acima do sensor enquanto a segunda é colocada abaixo do barramento. Desta forma, os campos gerados pelo barramento e qualquer EMI perdida são direcionados através do plano de medição do sensor.

Isso resulta em um ganho de 0,3, conforme mostrado nos resultados da simulação na Figura 4, significando que para a mesma corrente de 1000 A, o sensor mede apenas 7,8 mT. Isso indica uma atenuação de 70%. Por isso, apenas sensores com alto nível de sensibilidade, como o sensor CUR 423x TMR da TDK, podem ser usados.

O principal benefício dessa configuração são os níveis relativamente altos de blindagem que ela oferece quando comparada às configurações baseadas em núcleo e em forma de U. Além disso, enquanto o sinal é atenuado e combinado com a EMI perdida, o resultado ainda é um erro de deslocamento de apenas 0,51% FS, que é comparável à abordagem em forma de U, mas sem as desvantagens que a configuração traz.

A maior vantagem da configuração de blindagem simétrica é que o erro histerético pode ser totalmente compensado. Isso ocorre porque os campos em cada um dos dois materiais magnéticos macios usados ​​na blindagem têm orientações de campo opostas. Por um design cuidadoso, as duas blindagens podem efetivamente cancelar qualquer campo magnético residual criado pelos fluxos de corrente.

Outro grande benefício desta abordagem é o seu tamanho. O tamanho da implementação completa do sensor não é mais ditado pelo tamanho do concentrador de fluxo ou blindagem. Isso significa que a abordagem blindada simetricamente pode ser otimizada para tamanho, peso e custo, independentemente do tamanho do barramento ou da corrente que está sendo medida.

Conclusão

Embora todas as três soluções apresentadas aqui tenham seus benefícios relativos, o aplicativo acabará por influenciar a escolha. Se forem necessários altos níveis de imunidade, o design baseado em núcleo é difícil de superar. Se o erro histerético baixo e o tamanho pequeno forem fatores determinantes, a configuração do sensor blindado simetricamente provavelmente será favorecida. Os resultados apresentados na Tabela 1 fornecem um bom retrato da discussão.

A demanda por sensores de corrente sem contato robustos, econômicos e confiáveis ​​em veículos elétricos está aumentando. À medida que mais fabricantes ampliam suas ofertas de produtos nessa área, os consumidores podem aproveitar os benefícios que os sistemas de transmissão totalmente ou parcialmente elétricos oferecem.

Este artigo foi escrito por Lukas Klar, engenheiro de aplicação, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Alemanha). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Klar em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo. ou visite aqui .