Aprimorando Detecção de Corrente Sem Contato em VEs: Soluções Práticas de Design

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 lazer. Esses veículos são tipicamente maiores e, como resultado, mais pesados que os modelos anteriores de VE. Eles 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 veículos elétricos ao próximo nível de desempenho. Por causa disso, monitorar de perto o volume de corrente fluindo para o motor está se tornando uma função criticamente importante para fabricantes automotivos.

O Desafio de Medições Precisas de Corrente em Ambientes de VE

A mudança da combustão interna para trens de força elétricos levanta muitos novos desafios para engenheiros de múltiplas disciplinas. Para engenheiros de sistema, o desafio é equilibrar a relação potência-peso, enquanto engenheiros elétricos e eletrônicos precisam focar 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 crítico que cada parte do design seja otimizada.

A chave para o gerenciamento de energia é a medição precisa — o sensor de corrente é o equivalente em VE ao sensor de fluxo de combustível em um veículo convencional. A medição de corrente pode ser facilmente alcançada usando um shunt, ou resistor de baixo valor. Quanto maior a corrente, maior o shunt, então medir correntes da magnitude necessária para motores elétricos potentes demandaria shunts fisicamente grandes que são pesados e caros.

A detecção de corrente sem contato fornece uma alternativa atraente ao resistor shunt. Baseada no efeito magneto-resistivo ou Hall, ela aproveita os campos eletromagnéticos gerados quando 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 preferida de medição de corrente 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 fluindo, mas mesmo com grandes correntes, a força do campo ainda é relativamente pequena. Embora 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 através de blindagem ou aplicação de técnicas de compensação.

No entanto, compensar todas as formas de EMI dispersa demandaria um entendimento profundo de todas as várias fontes de interferência, o que seria desafiador. A abordagem mais simples e argumentavelmente 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, como mostrado na Figura 1. Estas incluem o sensor baseado em núcleo, o sensor em forma de U, e o sensor blindado simétrico 'sanduíche'. Embora comparar os três seja difícil devido ao número de variáveis apresentadas por aplicações únicas, é útil medir o desempenho com base em um cenário típico. Neste caso, os sensores foram avaliados usando uma barra ônibus com seção transversal retangular de 20 mm de largura por 2,5 mm de espessura, transportando 1000 A.

Sensores de Corrente Sem Contato Baseados em Núcleo

Em um sensor baseado em núcleo, um concentrador de fluxo é posicionado ao redor do material que transporta a corrente a ser medida. A forma circular do concentrador é interrompida por um pequeno entreferro, no qual o sensor de campo magnético é colocado. O núcleo ajuda a focar o fluxo induzido pela corrente fluindo na barra ônibus no sensor.

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

Para medir a imunidade desta configuração a campos dispersos, uma simulação foi realizada 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 guiado 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 por 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 um nível apropriado de condicionamento de sinal, seus efeitos podem ser ainda mais mitigados. Neste caso, seria razoável esperar um erro de offset de apenas 0,06% de escala total.

No entanto, a abordagem baseada em núcleo tem a desvantagem de ser relativamente difícil de montar, pois a barra ônibus precisa passar através do núcleo, enquanto o sensor deve ser localizado no entreferro. Além disso, para evitar saturação de grandes fluxos de corrente, o núcleo também precisa ser fisicamente grande. Adicionalmente, a quantidade de material magneticamente sensível usado no próprio núcleo pode resultar nele se tornando uma fonte de erro histérico e interferência.

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 blindagem contra EMI dispersa. O sensor beneficia-se de blindagem em três de seus lados graças ao uso de um material magnético suave. A forma do concentrador torna a montagem mais fácil que uma configuração baseada em núcleo, pois o próprio sensor pode ser posicionado acima da barra ônibus, montado em uma pequena placa de circuito impresso.

Este estilo de sensor blindado terá menor sensibilidade que uma abordagem baseada em núcleo, que é uma das trocas que engenheiros devem considerar ao selecionar o design mais apropriado para sua aplicação. Como mostrado na Figura 3, com 1000 A fluindo através da barra ônibus, 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. Significa que quase qualquer sensor pode ser usado, como o HAL 24xy, ou o sensor de laço fechado CUR 423x baseado em resistência magnetotúnel (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 mais uma vez direcionado ao redor da blindagem; no entanto, nesta configuração, o erro de offset causado pelo campo disperso é 0,55% de escala total. Ajustar a forma da blindagem e o espaço ao redor do sensor pode melhorar este erro de offset.

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 de U é mais suscetível a campos orientados verticalmente do que a campos horizontais. Este é outro fator a levar em conta ao selecionar e localizar um sensor de corrente sem contato. A seu favor, no entanto, esta configuração tem menor erro histérico que o sensor baseado em núcleo, pois há menos material magnético presente. Inversamente, o tamanho e forma do sensor ainda são amplamente governados pelo nível de blindagem necessário.

O sensor com blindagem simétrica fornece mais uma opção, trazendo benefícios tanto em tamanho quanto em capacidade de blindagem.

Sensores de Corrente com Blindagem Simétrica

Para aplicações que requerem um nível mais alto de blindagem ao custo de sensibilidade, a configuração blindada simetricamente — sanduíche — pode ser a mais apropriada. Nesta abordagem, o sensor é localizado centralmente acima da barra ônibus, como na abordagem em forma de U. No entanto, nesta configuração, o sensor é blindado usando duas peças de material magnético suave; uma peça fica acima do sensor enquanto a segunda é colocada abaixo da barra ônibus. Dessa forma, campos gerados pela barra ônibus e qualquer EMI dispersa são ambos direcionados através do plano de medição do sensor.

Isso resulta em um ganho de 0,3, como 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 atenuação de 70%. Por causa disso, apenas sensores com alto nível de sensibilidade, como o sensor TMR CUR 423x da TDK, podem ser usados.

O maior benefício desta configuração é os níveis relativamente altos de blindagem que ela oferece quando comparada às configurações baseadas em núcleo e em forma de U. Além disso, embora o sinal seja atenuado e combinado com EMI dispersa, o resultado ainda é um erro de offset de apenas 0,51% FE, que é comparável à abordagem em forma de U mas sem as desvantagens que essa configuração traz.

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

Outro grande benefício desta abordagem é 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 da barra ônibus ou da corrente sendo medida.

Conclusão

Embora todas as três soluções apresentadas aqui tenham seus benefícios relativos, a aplicação influenciará a escolha final. Se altos níveis de imunidade são necessários, o design baseado em núcleo é difícil de superar. Se baixo erro histérico e tamanho pequeno são fatores determinantes, então a configuração de sensor blindado simetricamente provavelmente será favorecida. Os resultados apresentados na Tabela 1 fornecem um bom instantâneo da discussão.

A demanda por detecção de corrente sem contato robusta, custo-efetiva e confiável em veículos elétricos está aumentando. À medida que mais fabricantes expandem suas ofertas de produtos nesta área, consumidores podem desfrutar dos benefícios que trens de força totalmente ou parcialmente elétricos proporcionam.

Este artigo foi escrito por Lukas Klar, Engenheiro de Aplicação, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Alemanha). Para mais informações, contate o Sr. Klar em [email protegido] ou visite aqui .