Способы измерения тока в аккумуляторах электромобилей и гибридных автомобилей


Рынок электромобилей во всем мире развивается достаточно быстрыми темпами. По оценкам, к 2030 году количество электромобилей на дорогах мира достигнет 125 миллионов. Глобальный рынок электромобилей (EV) и гибридов стремительно растет. Для управления потоком энергии и оптимизации эффективности подсистем силовых агрегатов HEV/EV, таких как тяговые инверторы, бортовые зарядные устройства (OBC), преобразователи постоянного тока в постоянный ток и системы управления батареями (BMS), необходимо точное измерение тока. Этим высоковольтным подсистемам необходимо измерять большие токи при высоких синфазных напряжениях. По техническим и нормативным причинам измерения тока требуют изоляции, а также очень высокой производительности в суровых автомобильных условиях.

Физика измерения тока

Одной из ключевых функций, обеспечивающих безопасность электромобиля, является сбор данных и принятие быстрых мер обратной связи на местном уровне на основе этих данных. Одним из таких показателей, который очень важен и является ключом к безопасности, является ток, протекающий через различные подсистемы электромобиля.

Мы можем разделить измерение тока в электромобиле на следующие 3 категории:

1. Защита от перегрузки по току в реальном времени

  1. Тяговые приводы.
  2. Схема защиты аккумулятора.

2. Мониторинг тока и мощности для оптимизации системы.

  1. Измерение заряда батареи.
  2. Энергопотребление системы.
  3. Усилитель руля.

3. Измерение тока в замкнутых цепях.

  1. Применение моторного привода.
  2. Преобразователи постоянного тока в постоянный.

Ниже представлен общий обзор различных решений компании Texas Instruments (TI) для приложений измерения тока. Ось Y представляет собой синфазное напряжение шины, по которой измеряется ток, а ось X — фактическую амплитуду измеряемого тока.

Решения по измерению тока в электромобилях от компании Texas Instruments

Как показано на рисунке выше, ток можно измерить по напряжению на небольшом шунтирующем сопротивлении или измерить путем измерения магнитного поля, создаваемого током при протекании через проводник. Компания Ti предлагает решения для измерения тока с использованием обоих упомянутых выше методов.

Список решений, доступных от TI для измерения тока, можно увидеть ниже.

Обратите внимание, что выход усилителя измерения тока может быть аналоговым или цифровым. В зависимости от варианта использования инженер-проектировщик может принять решение о том, какой режим вывода будет использоваться.

Методы измерения тока с помощью шунтирующего сопротивления

Методы измерения тока при помощи измерения магнитного поля

Давайте рассмотрим каждый из вариантов использования датчика тока более подробно и рассмотрим некоторые подходящие решения, доступные для них от TI.

1. Защита от перегрузки по току в режиме реального времени

Этот вариант использования обычно рассматривается в электромобилях с точки зрения безопасности. Поскольку батареи могут разряжать огромное количество тока во время возникновения неисправности, очень важно иметь схему мониторинга неисправностей в реальном времени. Скорость и точность такой схемы являются показателем качества усилителя измерения тока. В некоторых случаях, когда uC (Unified Communications - унифицированная коммуникационная платформа) имеет ограниченную полосу пропускания, выборка аналогового значения тока – преобразование в цифровое значение с последующим сравнением цифровых значений для обнаружения перегрузки по току приводит к огромной задержке в схеме защиты. Чтобы решить эту проблему, компания TI разработала усилитель измерения тока со встроенными компараторами, порог которого можно установить и подавать непосредственно на вывод прерывания uC, что приводит к значительному снижению перегрузки uC.

Некоторые из решений TI для защиты от перегрузки по току:

Некоторые из решений Texas Instruments (TI) для защиты от перегрузки по току

Очень хороший пример этого варианта использования — использование усилителя измерения тока в качестве предохранителя E, как показано ниже:

Использование усилителя измерения тока в качестве предохранителя

2. Мониторинг тока и мощности для оптимизации системы

Мониторинг тока и мощности обычно реализуется в системах электромобилей для отслеживания общего потребления тока от аккумулятора и, таким образом, предоставления водителю информации в реальном времени о заряде, оставшемся в аккумуляторе транспортного средства, с использованием таких алгоритмов, как подсчет кулонов. Помимо описанного выше варианта использования, мониторинг тока в транспортных средствах используется в различных подсистемах, таких как гидроусилитель руля, электрические стеклоподъемники и подобные области. TI имеет широкий портфель решений для мониторинга тока и мощности.

Как упоминалось выше, одной из ключевых задач является измерение тока, входящего в аккумуляторную батарею и выходящего из нее, чтобы подсчитать кулоны и рассчитать оставшийся срок службы/заряд батареи. Микросхема INA299 компании TI выделяется для такого применения благодаря высокому уровню целостности в сочетании с высокой точностью и низким потреблением тока покоя. Ниже мы можем увидеть типичную блок-схему BMS высокого уровня с INA299. Для получения более подробной информации и технических документов посетите папку продукта INA299 на сайте ti.com.

Система управления батареями (BMS) на основе микросхемы INA299

3. Измерение тока в замкнутых цепях

Из-за наличия нескольких напряжений, доступных в электромобиле, в дереве источников питания можно найти множество комбинаций понижающих и повышающих преобразователей. Одними из самых известных блоков питания в типичном электромобиле являются бортовое зарядное устройство, BLDC (драйверы тягового двигателя), преобразователь 48 В в 12 В и т. д. Поскольку контур управления во всех этих источниках питания высокой мощности осуществляется с использованием микропеременного тока, измерения тока с высокой точностью и малой задержкой становятся первостепенными для реализации контуров управления пиковым током. Для такого применения требуется датчик тока с очень широкой полосой пропускания для измерения тока переключения и выходного тока, чтобы система управления могла предпринимать быстрые действия. Еще одной особенностью таких датчиков тока, которые используются при управлении приводами двигателей, является способность датчиков подавлять синфазный шум на высокой частоте (отказ от ШИМ).

Например, INA253 превосходно справляется с этой задачей благодаря своему лидирующему в отрасли CMRR 93 дБ даже при 50 кГц. Ниже показана типичная схема, которая используется для встроенного измерения тока.

Измерение тока в замкнутых цепях на основе микросхемы INA253

Texas Instruments предлагает лучшие в своем классе изолированные усилители и изолированные модуляторы, которые помогают добиться очень точных измерений изолированного тока в зависимости от температуры в сочетании с высокоточными шунтами. Компания TI представила новую линейку изолированных усилителей измерения тока, названную серией AMC, которые помогают измерять ток с высокой точностью с изолирующим барьером до 2 кВ (среднеквадратичное значение).

Решения компании Texas Instruments для измерения тока в изолированных цепях

Компания TI располагает хорошей коллекцией обучающих курсов «Начало работы с усилителями измерения тока», которые помогут инженерам научиться максимизировать достигаемых характеристик при измерении тока с помощью усилителя измерения тока. Пока что доступ к ним на официальном сайте Texas Instruments из-за известных событий для пользователей из России закрыт, но, возможно, вы их сможете найти на сторонних ресурсах.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
15 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *