Soluzioni di rilevamento della corrente nelle batterie EV / HEV

Il mercato dei veicoli elettrici sta riprendendo abbastanza rapidamente in tutto il mondo. Le stime mostrano che il numero di veicoli elettrici in circolazione in tutto il mondo raggiungerà i 125 milioni entro il 2030. Mercato globale dei veicoli elettrici (EV) e ibridi. Per controllare il flusso di energia e ottimizzare l'efficienza nei sottosistemi del gruppo propulsore HEV / EV come gli inverter di trazione, i caricatori di bordo (OBC), i convertitori CC-CC e i sistemi di gestione della batteria (BMS), è essenziale una misurazione della corrente precisa e accurata. Questi sottosistemi ad alta tensione devono misurare grandi correnti ad alte tensioni di modo comune. Per motivi tecnici e normativi, le misurazioni attuali richiedono isolamento e prestazioni molto elevate in ambienti automobilistici difficili.

Le configurazioni tipiche dei veicoli elettrici in India sono le seguenti:

i) 2 ruote

1. Voltaggio pacco batteria = 48V, 72V
2. Motore da 1kW, 2kW

ii) 3 ruote

1. Voltaggio pacco batteria = 48V, 72V
2. Motore da 2kW, 4kW

iii) 4 ruote e autobus

1. Tensione pacco batteria = 72 V, 400 V, 600 V.
2. Da 20kW a 300kW

Una delle caratteristiche chiave per rendere sicuro un veicolo elettrico è raccogliere dati e intraprendere azioni di feedback rapido a livello locale sulla base di questi dati. Uno di questi dati che è molto importante e fondamentale per la sicurezza è la corrente che scorre attraverso vari sottosistemi di un veicolo elettrico.

Possiamo suddividere il rilevamento della corrente in un veicolo elettrico in tre categorie, come mostrato di seguito:

1. Protezione da sovracorrente in tempo reale

1. Azionamenti di trazione:
2. Circuito di protezione della batteria:

2. Monitoraggio corrente e potenza per l'ottimizzazione del sistema

1. Misurazione della batteria
2. Consumo energetico del sistema
3. Servosterzo

3. Misura di corrente per circuiti ad anello chiuso

1. Applicazione di azionamento del motore:
2. Convertitori DC / DC

Di seguito è riportata una panoramica di alto livello delle diverse soluzioni di TI per applicazioni di rilevamento della corrente. L'asse Y è la tensione di modo comune del binario attraverso il quale viene rilevata la corrente e l'asse X è l'ampiezza effettiva della corrente misurata.

Come mostrato nella figura sopra, la corrente può essere rilevata attraverso una tensione attraverso una piccola resistenza di shunt o può essere misurata misurando il campo magnetico prodotto dalla corrente mentre scorre attraverso il conduttore. In Ti forniamo soluzioni per misurare la corrente utilizzando entrambi i metodi sopra menzionati.

Di seguito è riportato un elenco di soluzioni disponibili da TI per l'applicazione di rilevamento della corrente:

Diamo un'occhiata a ciascuno dei casi d'uso del sensore di corrente in modo un po 'più approfondito e guardiamo alcune soluzioni adatte disponibili da TI per lo stesso.

1. Protezione da sovracorrente in tempo reale

Questo caso d'uso è generalmente visto in un veicolo elettrico da una prospettiva di sicurezza. Poiché le batterie possono scaricare enormi quantità di corrente durante il verificarsi di un guasto, disporre di circuiti di monitoraggio dei guasti in tempo reale diventa molto importante. La velocità e l'accuratezza di un tale circuito è la cifra di merito dell'amplificatore di rilevamento della corrente. In alcune occasioni, poiché l'UC ha una larghezza di banda limitata, il campionamento del valore della corrente analogica, la conversione in un valore digitale seguita da un confronto del valore digitale per rilevare la sovracorrente, provoca un enorme ritardo nel circuito di protezione. Per ovviare a questo problema TI ha messo a punto un amplificatore di rilevamento della corrente con comparatori integrati la cui soglia può essere impostata e può essere alimentata direttamente nel pin di interrupt dell'UC provocando un'enorme riduzione del sovraccarico dell'UC.

Alcune delle soluzioni di TI per la protezione da sovracorrente sono:

Un ottimo esempio di questo caso d'uso è l'utilizzo di un amplificatore di rilevamento della corrente come fusibile E come mostrato di seguito:

2. Monitoraggio corrente e potenza per l'ottimizzazione del sistema

Il monitoraggio della corrente e della potenza viene solitamente implementato nei sistemi dei veicoli elettrici per monitorare il consumo totale di corrente dalla batteria e fornire così informazioni in tempo reale al conducente sulla carica rimasta nella batteria del veicolo utilizzando algoritmi come il conteggio dei coulomb. Oltre al caso d'uso di cui sopra, il monitoraggio della corrente nei veicoli viene utilizzato in diversi sottosistemi come il servosterzo, alzacristalli elettrici e aree simili. TI ha un ampio portafoglio quando si tratta di monitoraggio della corrente e della potenza.

Come accennato in precedenza, una delle aree di interesse chiave è esaminare la corrente che scorre dentro e fuori il pacco batteria in modo da contare i coulomb e calcolare la durata / carica rimanente della batteria. INA299 di TI si distingue per tale applicazione per l'elevato livello di integrità unito ad alta precisione e basso consumo di corrente di riposo. Possiamo vedere un tipico diagramma a blocchi di alto livello di seguito di un BMS con INA299. Per maggiori dettagli e white paper, visitare la cartella del prodotto di INA299 su ti.com.

3. Misura di corrente per circuiti ad anello chiuso

A causa della presenza di più tensioni disponibili in un veicolo elettrico, si trova un sacco di combinazioni di convertitori buck e boost presenti nell'albero di alimentazione. Alcuni dei blocchi di alimentazione molto importanti in un tipico veicolo elettrico sono il caricatore di bordo, BLDC (driver del motore di trazione), convertitore da 48V a 12V ecc. Poiché il circuito di controllo in tutti questi alimentatori ad alto wattaggio viene esercitato utilizzando una misurazione uC di alta precisione, la corrente a bassa latenza diventa di primaria importanza per implementare i circuiti di controllo della corrente di picco. Per tale applicazione è necessario un sensore di corrente con larghezza di banda molto elevata per misurare la corrente di commutazione, corrente di uscita affinché il controllo possa eseguire azioni rapide.Un altro punto forte di tali sensori di corrente che vengono utilizzati nel controllo degli azionamenti del motore è la capacità dei sensori di respingere il rumore di modo comune ad alta frequenza (reiezione PWM).

Ad esempio INA253 eccelle in questa applicazione con il suo CMRR da 93 db leader del settore anche a 50 kHz. Di seguito è mostrato uno schema tipico utilizzato per l'applicazione di rilevamento della corrente in linea

Texas Instruments offre amplificatori isolati e modulatori isolati best-in-class che aiutano a ottenere misurazioni di corrente isolata molto accurate sulla temperatura se accoppiati a shunt di alta precisione. TI ha messo a punto una nuova gamma di amplificatori di rilevamento della corrente isolati denominati serie AMC che aiutano il progettista a misurare la corrente con elevata precisione con una barriera di isolamento dell'ordine di 2 kVrms.

TI offre una buona raccolta di corsi di addestramento approfonditi su " Introduzione agli amplificatori di rilevamento della corrente " che aiuteranno gli ingegneri a imparare come massimizzare le prestazioni ottenute, quando si misura la corrente con un amplificatore di rilevamento della corrente. Questa è una serie di brevi video, ciascuno dedicato a un argomento diverso.

Complessivamente la formazione deve essere suddivisa in tre sezioni

• Le basi
• Comprensione delle fonti di errore
• Argomenti avanzati

È possibile accedere a tutti i video di formazione di TI seguendo il collegamento.

Riguardo agli Autori

Shreenidhi Patil è un ingegnere di applicazioni analogiche in Texas Instruments che si concentra principalmente sulla misurazione della rete, sul mercato dei veicoli elettrici in arrivo e sulle stazioni di ricarica per veicoli elettrici.

Il signor Mahendra Patel ha iniziato la sua carriera nell'industria dei semiconduttori con Texas Instruments 6 anni fa. In qualità di ingegnere sul campo, supporta molteplici clienti e applicazioni nel settore automobilistico. Gli piace lavorare su progetti relativi ai veicoli elettrici e all'illuminazione automobilistica.