I produttori automobilistici di tutto il mondo si concentrano sull'elettrificazione dei veicoli. È necessario che le auto si ricarichino più rapidamente e abbiano un'autonomia più estesa con una singola carica. Ciò implica che il circuito elettrico ed elettronico all'interno del veicolo dovrebbe essere in grado di gestire una potenza estremamente elevata e gestire le perdite in modo efficace. Sono necessarie solide soluzioni di gestione termica per garantire che le applicazioni critiche per la sicurezza rimangano operative.
Oltre al calore prodotto dal veicolo stesso, basti pensare a tutta la tolleranza termica che la tua auto e la sua elettronica devono avere per poter sopportare ampi intervalli di temperatura ambiente. Ad esempio, in India le regioni più fredde affrontano temperature molto inferiori a 0 ° C durante l'inverno e potrebbero superare i 45 ° C durante l'estate per alcune altre regioni.
Ogni sottosistema all'interno di un veicolo elettrico (EV) richiede il monitoraggio della temperatura. Il caricatore a bordo, il convertitore CC / CC e il controllo inverter / motore richiedono un controllo sicuro ed efficiente per proteggere l'interruttore di alimentazione (MOSFET / IGBT / SiC). Anche i sistemi di gestione della batteria (BMS) richiedono una risoluzione precisa della misurazione della temperatura a livello di cella. L'unico componente che deve essere accurato a temperature estreme per proteggere il sistema è senza dubbio il sensore di temperatura. Informazioni accurate sulla temperatura consentono al processore di compensare la temperatura del sistema in modo che i moduli elettronici possano ottimizzare le loro prestazioni e massimizzare la loro affidabilità indipendentemente dalle condizioni di guida. Ciò include il rilevamento della temperatura di interruttori di alimentazione, componenti magnetici di alimentazione, dissipatori di calore, PCB, ecc. I dati di temperatura aiutano anche a far funzionare il sistema di raffreddamento in modo controllato.
I termistori con coefficiente di temperatura negativo (NTC) e PTC (coefficiente di temperatura positivo) sono tra i dispositivi più comuni utilizzati per monitorare le temperature. L'NTC è un resistore passivo e la resistenza di un NTC varia con la temperatura. Più specificamente, all'aumentare della temperatura ambiente intorno a un NTC, la resistenza dell'NTC diminuisce. Gli ingegneri posizioneranno l'NTC in un partitore di tensione con il segnale di uscita del partitore di tensione letto nel canale del convertitore analogico-digitale (ADC) di un microcontrollore (MCU).
Tuttavia, ci sono alcune caratteristiche NTC che possono renderlo difficile da usare in un ambiente automobilistico. Come accennato in precedenza, la resistenza di un NTC varia inversamente alla temperatura, ma la relazione non è lineare. La figura seguente mostra un esempio di un tipico partitore di tensione basato su NTC.
Se si considera il calore generato da vari sottosistemi all'interno di veicoli elettrici e climi che esistono in diverse regioni del mondo, diventa chiaro che i componenti semiconduttori di un veicolo saranno esposti a un'ampia gamma di temperature (da -40 ° C a 150 ° C). In un ampio intervallo di temperature, il comportamento non lineare dell'NTC renderà difficile ridurre gli errori quando si traduce una lettura di tensione in una misurazione di temperatura effettiva. L'errore introdotto da una curva non lineare di un NTC riduce la precisione di qualsiasi lettura della temperatura basata su NTC.
Un sensore di temperatura IC con uscita analogica avrà una risposta più lineare rispetto agli NTC come mostrato nella figura sopra. E l'MCU può tradurre facilmente la tensione in dati di temperatura con maggiore precisione e velocità. Infine, i circuiti integrati dei sensori di temperatura analogici hanno spesso una sensibilità alla temperatura superiore alle alte temperature rispetto agli NTC. I sensori di temperatura IC condividono una categoria di mercato con altre tecnologie di rilevamento come termistori, rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) e termocoppie, ma i circuiti integrati hanno alcuni importanti vantaggi quando è richiesta una buona precisione a temperature estese come la gamma AEC-Q100 Grado 0 (-40 ° C a 150 ° C). In primo luogo, i limiti di precisione di un sensore di temperatura IC sono indicati in gradi Celsius nella scheda tecnica per l'intero intervallo operativo; al contrario,un tipico termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC) può specificare solo l'accuratezza della resistenza in percentuale in un singolo punto di temperatura. Sarà quindi necessario calcolare attentamente la precisione totale del sistema per l'intero intervallo di temperatura quando si utilizza un termistore. Attenzione infatti a controllare le condizioni di funzionamento specificando la precisione di ogni sensore.
Quando si seleziona un CI, tenere presente che ne esistono diversi tipi, con diversi vantaggi per diverse applicazioni automobilistiche.
- Uscita analogica: dispositivi come l'LMT87-Q1 (disponibile in AEC-Q100 Grado 0) sono soluzioni semplici a tre pin che offrono più opzioni di guadagno per adattarsi al meglio al convertitore analogico / digitale (ADC) selezionato, che ti consente determinare la risoluzione complessiva. Si ottiene anche il vantaggio di un basso consumo energetico di esercizio relativamente costante nell'intervallo di temperatura rispetto a un termistore. Ciò significa che non devi compromettere la potenza con le prestazioni in termini di rumore.
- Uscita digitale: per semplificare ulteriormente l'implementazione della gestione termica, TI offre sensori di temperatura digitali che comunicheranno direttamente la temperatura su interfacce come I²C o SPI (Serial Peripheral Interface). Ad esempio, TMP102-Q1 monitorerà la temperatura con una precisione di ± 3,0 ° C da -40 ° C a + 125 ° C e comunicherà direttamente la temperatura su I²C all'MCU. Ciò elimina completamente la necessità di qualsiasi tipo di tabella di ricerca o calcolo basato su una funzione polinomiale. Inoltre, il dispositivo LMT01-Q1 è un sensore di temperatura a 2 pin ad alta precisione con un'interfaccia loop di corrente di conteggio impulsi di facile utilizzo, che lo rende adatto per applicazioni a bordo e fuori bordo nel settore automobilistico.
- Interruttore di temperatura: molti degli interruttori di TI qualificati per il settore automobilistico forniscono avvisi di sovratemperatura semplici e affidabili, ad esempio TMP302-Q1. Ma avere il valore di temperatura analogico fornisce al sistema un indicatore precoce che è possibile utilizzare per ridimensionare il funzionamento limitato prima di arrivare a una temperatura critica. I sottosistemi EV possono anche trarre vantaggio dalle soglie programmabili, dall'ampio intervallo di temperatura operativa e dall'elevata affidabilità della verifica operativa in-circuit dell'LM57-Q1 a causa del difficile ambiente operativo (entrambi i circuiti integrati sono disponibili in AEC-Q100 Grado 0). Per un portafoglio completo di parti del sensore di temperatura basato su IC, è possibile visitare:
Nella maggior parte dei sottosistemi EV, l'MCU è isolato dagli interruttori di alimentazione e da altri componenti di cui viene rilevata la temperatura. I dati provenienti da un sensore di temperatura con uscita digitale possono essere facilmente isolati utilizzando semplici isolatori digitali come la famiglia di dispositivi ISO77xx-Q1 di TI. In base al numero di linee di comunicazione digitale isolate richieste e all'isolamento, è possibile selezionare una parte adatta da qui:
Di seguito è riportato lo schema a blocchi del progetto di riferimento TIDA-00752 che fornisce un'uscita a impulsi digitali su una barriera di isolamento.
In sintesi, i termistori NTC vengono spesso utilizzati per monitorare la temperatura, ma la loro risposta non lineare alla temperatura può rivelarsi problematica per le soluzioni automobilistiche. Le soluzioni di sensori di temperatura analogici e digitali di TI consentono di monitorare accuratamente e facilmente la temperatura di molti sistemi automobilistici.
Circa l'autore
