Система контроля температуры в электромобилях


Производители автомобилей во всем мире уделяют особое внимание электрификации транспортных средств. Необходимо, чтобы автомобили заряжались быстрее и имели более широкий запас хода на одной зарядке. Это означает, что электрические и электронные схемы внутри транспортного средства должны быть способны выдерживать чрезвычайно высокую мощность и эффективно управлять потерями. Существует потребность в надежных решениях по управлению температурным режимом, обеспечивающих работоспособность критически важных для безопасности приложений электромобилей.

Система контроля температуры в электромобилях

В дополнение к теплу, выделяемому самим транспортным средством, просто подумайте о всей термической устойчивости, которую должен иметь ваш автомобиль и его электроника, чтобы выдерживать широкий диапазон температур окружающей среды. Например, в самых холодных регионах Индии температура зимой значительно ниже 0°C, а в некоторых других регионах летом она может превышать 45°C.

Каждая подсистема электромобиля (EV) требует мониторинга температуры. Встроенное зарядное устройство, преобразователь постоянного тока и управление инвертором/двигателем требуют безопасного и эффективного управления для защиты переключателя питания (MOSFET/IGBT/SiC). Системы управления батареями (BMS) также требуют высокого разрешения измерения температуры на уровне ячеек. Единственным компонентом, который должен работать точно при экстремальных температурах, чтобы защитить систему, несомненно, является датчик температуры. Точная информация о температуре позволяет процессору осуществлять температурную компенсацию системы, чтобы электронные модули могли оптимизировать свою работу и максимизировать надежность независимо от условий вождения. Сюда входит измерение температуры силовых выключателей, силовых магнитных компонентов, радиаторов, печатных плат и т. д. Данные о температуре также помогают контролировать работу системы охлаждения.

Термисторы (терморезисторы) с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) и PTC (положительным температурным коэффициентом) являются одними из наиболее распространенных устройств, используемых для контроля температуры. NTC — это пассивный резистор, сопротивление которого зависит от температуры. Более конкретно, по мере увеличения температуры окружающей среды вокруг NTC сопротивление этого термистора уменьшается. В системах контроля температуры в электромобилях NTC используют совместно с делителем напряжения, а выходной сигнал делителя напряжения будет считываться в канал аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера (MCU). Более подробно про этот принцип измерения температуры с помощью терморезистора можно прочитать в этой статье.

Однако есть несколько характеристик NTC, которые могут затруднить их использование в автомобильной среде. Как упоминалось ранее, сопротивление NTC обратно пропорционально температуре, но зависимость нелинейная. На рисунке ниже показан пример типового делителя напряжения с использованием NTC.

Пример типового делителя напряжения с использованием NTC

Если принять во внимание тепло, выделяемое различными подсистемами электромобиля, и климатические условия, существующие в разных регионах мира, становится ясно, что полупроводниковые компоненты автомобиля будут подвергаться воздействию широкого диапазона температур (от -40°C до 150°C). В широком диапазоне температур нелинейное поведение NTC затрудняет уменьшение ошибок при преобразовании показаний напряжения в фактические измерения температуры. Ошибка, вносимая нелинейной кривой NTC, снижает точность любых показаний температуры на основе NTC.

Датчик температуры с аналоговым выходом (IC - микросхема) будет иметь более линейный отклик по сравнению с NTC, как показано на рисунке выше. А MCU может легко преобразовать напряжение в данные о температуре с большей точностью и скоростью. Наконец, микросхемы аналоговых датчиков температуры часто имеют более высокую температурную чувствительность при высоких температурах по сравнению с NTC. Эти датчики температуры разделяют рыночную категорию с другими технологиями измерения, такими как термисторы, термометры сопротивления (RTD) и термопары, но они имеют некоторые важные преимущества, когда требуется высокая точность в широком диапазоне температур, например, диапазон AEC-Q100 класса от 0 (-40 ° C) до 150°С). Во-первых, пределы точности датчика температуры IC указаны в градусах Цельсия в технических характеристиках во всем рабочем диапазоне; и наоборот, типичный термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) может указывать точность сопротивления только в процентах в одной температурной точке. Затем вам нужно будет тщательно рассчитать общую точность системы для всего диапазона температур при использовании термистора. На самом деле, будьте осторожны, проверяя условия эксплуатации, определяющие точность любого датчика.

При выборе подобной микросхемы имейте в виду, что существует несколько типов — с разными преимуществами для разных автомобильных применений. В большинстве случаев при этом целесообразно учитывать следующие факторы:

  • Аналоговый выход: такие устройства, как LMT87-Q1 (доступен в AEC-Q100 класса 0), представляют собой простые трехконтактные решения, которые предлагают несколько вариантов усиления, которые лучше всего подходят для выбранного вами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), что позволяет вам определить общее разрешение. Вы также получаете преимущество низкого энергопотребления, которое сравнительно стабильно во всем температурном диапазоне по сравнению с термистором. Это означает, что вам не придется жертвовать мощностью ради шума.
  • Цифровой выход. Чтобы еще больше упростить реализацию терморегулирования, компания Texas Instruments (TI) предлагает цифровые датчики температуры, которые будут напрямую передавать информацию о температуре через такие интерфейсы, как I²C или последовательный периферийный интерфейс (SPI). Например, TMP102-Q1 будет контролировать температуру с точностью ±3,0°C в диапазоне от -40°C до +125°C и напрямую передавать информацию о температуре через I²C в MCU. Это полностью устраняет необходимость в какой-либо справочной таблице или расчетах на основе полиномиальной функции. Кроме того, устройство LMT01-Q1 представляет собой высокоточный 2-контактный датчик температуры с простым в использовании интерфейсом токовой петли подсчета импульсов, что делает его пригодным для встроенных и внешних применений в автомобилях.
  • Температурный переключатель. Многие из автомобильных переключателей TI, например TMP302-Q1, обеспечивают простые и надежные предупреждения о перегреве. Но наличие аналогового значения температуры дает вашей системе ранний индикатор, который вы можете использовать для перехода к ограниченному режиму работы, прежде чем температура достигнет критической. Подсистемы электромобилей также могут извлечь выгоду из программируемых пороговых значений, сверхширокого диапазона рабочих температур и высокой надежности благодаря внутрисхемной эксплуатационной проверке LM57-Q1 из-за суровых условий эксплуатации (обе микросхемы доступны в AEC-Q100 Grade 0). Полный ассортимент деталей датчиков температуры на базе интегральных схем можно найти на сайте: http://www.ti.com/sensors/temperature-sensors/products.html.

В большинстве подсистем электромобилей MCU изолирован от силовых выключателей и других компонентов, температура которых измеряется. Данные, поступающие от датчика температуры с цифровым выходом, можно легко изолировать с помощью простых цифровых изоляторов, таких как устройства семейства ISO77xx-Q1 от TI. В зависимости от необходимого количества изолированных цифровых линий связи и изоляции подходящую деталь можно выбрать здесь: http://www.ti.com/isolation/digital-isolators/products.html.

Ниже приведена блок-схема эталонного проекта TIDA-00752, который обеспечивает вывод цифровых импульсов через изолирующий барьер.

Блок-схема эталонного проекта TIDA-00752

Ошибка измерения температуры с помощью TIDA-00752

Таким образом, термисторы NTC часто используются для контроля температуры, но их нелинейный температурный отклик может оказаться проблематичным для автомобильных решений. Аналоговые и цифровые датчики температуры компании TI позволяют точно и легко контролировать температуру многих автомобильных систем.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
6 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *