Датчики тока компании LEM для автомобилей настоящего и будущего

Введение

Широко известная на международном рынке электрических измерений компания LEM работает не только в уже традиционных для нее сферах, требующих измерения больших токов, но и сотрудничает с ведущими производителями гибридов и электромобилей, предлагая им, через своих региональных поставщиков, богатый ассортимент датчиков, отвечающих самому широкому спектру технических требований и соответствующих высоким стандартам функциональной безопасности для автомобильной промышленности (Automotive Safety Integrity Level, ASIL — схема классификации рисков, определенная стандартом ISO 26262).

Продукты и решения компании LEM для автомобильной промышленности представлены в трех основных сферах: управление аккумуляторными батареями, управление двигателем и системы зарядки.

Управление аккумуляторными батареями

Для автомобилей компания LEM изготавливает интеллектуальные датчики, в которых сочетается ее уникальный, более чем 20-летний опыт в области разработки приборов для измерения тока автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов и высокий уровень качества серийно выпускаемой продукции. Компания предлагает интеллектуальные решения для измерения тока, а также датчики для систем зарядки не только обычных, но и старт-стопных аккумуляторов. Последний тип источников питания разработан для архитектур автомобилей со старт-стопным режимом, специально созданных для обеспечения экономии топлива при вождении в городских условиях. Для этого режима необходим аккумулятор особой конструкции, который легко переносит частые остановки и заряжается быстрее обычных батарей, а также соответствующая система управления с контролем тока заряда/разряда.

В области управления высоковольтными батареями (high voltage battery management system, BMS HV) серия датчиков тока CAB компании LEM служит ярким примером инновационных решений в области индукционных датчиков тока технологии Fluxgate. Данная технология имеет ряд преимуществ и широко применяется разработчиками силовой электроники, например для систем преобразования энергии и подвижного железнодорожного состава [6].

Так, серия CAB предлагает лучшую в своем классе точность и высокий уровень безопасности автомобиля, соответствующий требованиям ASIL, что позволяет избежать установки дублирующего датчика для резервирования системы измерений.

Кроме того, LEM выпускает широкий ассортимент компактных однофазных датчиков тока прямого усиления с элементом Холла, со встроенной шиной — это одно из наиболее экономичных решений. Также компания разработала датчики с двумя каналами измерения, один из них специально предназначен для малых токов, что значительно повышает точность во всем диапазоне измерения.

Управление двигателем

Датчики компании LEM, предназначенные для силовых инверторов, обеспечивают высокую гибкость решений для OEM-производителей и Tier1-поставщиков, а также совместимость с различными встроенными в автомобиль подсистемами, в том числе и выполненными в виде печатных плат. Эти датчики применяются и для контроля тока для силовых модулей и имеют исполнение с интегрированными в них шинами и с установкой на стандартные шины, что упрощает модернизацию уже имеющихся решений измерения тока.

Системы зарядки

Новейший ассортимент продукции компании LEM включает решения и технологии, адаптированные к системам управления зарядом (AC/DC- и DC/DC-модули) для систем высокого и низкого напряжения. Кроме того, разрабатываются устройства, предназначенные для измерения тока утечки, соответствующие техническим требованиям для двунаправленной бортовой зарядки автомобиля (on-board charging, OBC), а также для концепции передачи электроэнергии между автомобилем и электрической сетью или автомобилем и нагрузкой (vehicle-to-grid, V2G и vehicle-to-load, V2L). Образно говоря, руководство и разработчики компании LEM смотрят в будущее. Эти перспективные решения компании имеют диапазон измерения 5–300 мА и гарантируют высокий уровень безопасности для конечных пользователей, определяемый стандартом функциональной безопасности для дорожных транспортных средств ISO 26262 ASIL (в Российской Федерации в этом направлении действует ГОСТ Р ИСО 26262-4-2014 «Дорожные транспортные средства. Функциональная безопасность. Часть 4. Разработка изделия на уровне системы», который идентичен международному стандарту ISO 26262-4:2011 «Road vehicles — Functional safety — Part 4: Product development at the system level») .

Основные технологии измерения тока, используемые компанией LEM

Стремясь сохранить конкурентоспособность на рынке, компания LEM постоянно инвестирует значительные средства в НИОКР, чтобы предлагать клиентам инновационные продукты и решения, используя проверенные технологии, отвечающие самым современным тенденциям. Для обычных автомобилей, гибридов и электромобилей компания LEM выпускает различные дискретные датчики собственной разработки. При этом для применений, в которых для повышения производительности критическим фактором является плотность мощности, LEM предлагает датчики, выполненные в виде интегральных схем в стандартных компактных корпусах. Такие датчики в исполнении для поверхностного монтажа измеряют относительно большие токи, занимая при этом очень малую площадь, а потому стали предпочтительной технологией для целого ряда встраиваемых применений.

Интеллектуальная электросеть и автономное вождение — серьезные вызовы цифровой революции, ведущей к более разумным, экологичным и эффективным экосистемам. Компания LEM находится в авангарде этих тенденций, разрабатывая интеллектуальные датчики, оснащенные возможностями обработки данных, поддерживающими более высокий уровень безопасности благодаря функциям самодиагностики. Такие датчики имеют встроенное программное обеспечение, которое предоставляет бортовой системе информацию в режиме реального времени, а клиенты компании LEM получают универсальные решения.

Что касается измерителей тока и напряжения, предназначенных для автомобилестроения, они выполнены на основе как традиционных, так и новых технологий. В части измерения тока можно выделить три базовых варианта — датчики тока прямого усиления с элементом Холла, датчики с технологией Fluxgate и изолированные датчики на основе токовых резистивных шунтов, в том числе и новое предложение компании в виде «умного», или smart-шунта. Преимущества и недостатки этих технологий показаны на рис. 1.

Рис. 1. Сравнение основных базовых технологий измерения тока

Технология прямого усиления

Датчики прямого усиления строятся на основе интегральной схемы с элементами Холла. Магнитный поток, создаваемый первичным током, концентрируется в магнитной цепи (проводник проходит сквозь сердечник из магнитомягкого материала) и трансформируется в магнитное поле в воздушном зазоре, которое с помощью элементов Холла преобразуется в пропорциональное первичному току напряжение на выходе. Сигнал от элементов Холла, расположенных в зазоре магнитопровода, для получения на выходе копии первичного тока усиливается с заданным коэффициентом пропорциональности. Общий принцип работы такого датчика показан на рис. 2.

Рис. 2. Датчик тока прямого усиления на эффекте Холла, принцип измерения

Преимущества датчиков тока прямого усиления на эффекте Холла:

• небольшие размеры;
• расширенный диапазон преобразования;
• небольшой вес;
• не вносит потерь в первичную цепь.

Для преобразования измеряемого тока в пропорциональный выходной сигнал в современных датчиках тока прямого усиления используется сложная схема с процессором, модулятором/демодулятором, регистрами памяти, фильтрами. Пример такого решения в виде специализированной микросхемы приведен на рис. 3 [7].

Рис. 3. Блок-схема специализированной ИС, применяемой в современных датчиках тока прямого усиления

Компания предлагает широкий выбор одноканальных датчиков, сочетающих компактность конструкции и встроенную шину, а также двухканальные датчики тока, один из которых специально предназначен для измерения малых токов, что значительно повышает точность измерения.

Датчики LEM тока прямого усиления на эффекте Холла в первую очередь предназначены для работы в мощных силовых низковольтных цепях — там, где требуется обеспечить и измерение, и надежную гальваническую развязку между измеряемой цепью (шиной) и блоком электроники автомобиля. Компания LEM предлагает различные серии датчиков этого типа с широким диапазоном максимальных измеряемых токов, в унифицированных корпусах, обладающие высокой точностью, низкой нелинейностью и температурным дрейфом. Датчики прямого усиления используются в гибридных и электромобилях для мониторинга состояния аккумуляторной батареи, стартер-генератора, преобразователей, в системах электроусилителя руля и приводах электромоторов.

Технология fluxgate

Чувствительный элемент датчика LEM по технологии fluxgate представляет собой катушку индуктивности с определенными параметрами, расположенную в зазоре основной катушки. Материал сердечника имеет очень высокую магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу (H_c), что обусловливает быстрый переход от линейной зависимости до насыщения. При подаче на катушку переменного напряжения сердечник проходит по полной петле гистерезиса. Если же через основную катушку проходит измеряемый ток, петля гистерезиса смещается. Величина этого смещения пропорциональна силе входного тока.

Достоинства компенсационного датчика индукционного типа (Fluxgate):

• преобразование переменного, постоянного и импульсного тока сложной формы;
• низкий температурный дрейф (усиления и смещения);
• высокая точность во всем диапазоне рабочих температур;
• гальваническая изоляция;
• высокое быстродействие.

Технология Fluxgate является лидирующей для бесконтактного прецизионного измерения тока аккумуляторных батарей. Датчики серии CAB имеют лучшую в классе точность (0,1%) и соответствуют стандарту ASIL безопасности, что позволяет исключить дублирующий датчик. Выполненные на основе этой технологии датчики серии CAB встроены в блок отключения аккумуляторной батареи через BDU (Body Distribution Unit — распределительный блок) гибридных и электромобилей.

Технология на основе токового шунта

Датчики на основе измерительного токового шунта — это классическое решение для измерения постоянного и переменного тока, до сих пор не утратившее свое значение. По сути, оно дает прямое преобразование тока в напряжение по закону Ома, но в современном исполнении с гальванической развязкой. Преимущества — низкая цена, высокая надежность. Технология умного шунта от LEM предлагает механический и электрический дизайн, подходящий для различных условий применения, в том числе для тяжелых условий эксплуатации, для батарей из нескольких аккумуляторов.

Системы управления 12-В аккумуляторными батареями автомобилей с двигателями внутреннего сгорания

В этом сегменте рынка компания LEM разработала и серийно выпускает изолированные датчики тока, адаптированные к условиям применения. Предлагаемые решения для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания воплощают более чем 20-летний опыт компании LEM в части мониторинга стандартных 12-В свинцово-кислотных аккумуляторов. Кроме того, компания предлагает интеллектуальные датчики технологии smart-шунта новой разработки для «умных» систем мониторинга батарей системы «старт-стоп». Коммерчески доступные датчики тока от компании LEM, предназначенные для систем управления 12-В автомобильными аккумуляторными батареями, представлены в таблице 1.

Примечание. 1. На датчики серии SSVT в настоящее время доступна только общая информация [8], полная спецификация на сайте компании отсутствует.

Системы управления высоковольтными аккумуляторными батареями гибридных и электромобилей

В этом сегменте рынка компания LEM предлагает широкий выбор одноканальных датчиков, сочетающих компактность конструкции и встроенную шину (серия HSNBV), а также двухканальные датчики тока, один из которых специально предназначен для измерения малых токов, что значительно повышает точность измерения. Предлагаются датчики прямого усиления на эффекте Холла, применяемые в мощных силовых высоковольтных цепях, для которых обеспечивают надежную гальваническую развязку между измеряемой шиной и системой управления. Также предлагаются датчики по технологии Fluxgate — лидирующей для бесконтактного точного измерения тока аккумуляторных батарей. Следует обратить внимание, что датчики серии CAB имеют погрешность, не превышающую 0,1%!

Коммерчески доступные датчики тока прямого усиления на эффекте Холла для систем управления высоковольтными аккумуляторными батареями представлены в таблице 2, а датчики индукционного типа технологии Fluxgate — в таблице 3.

Датчики тока для блока управления электромотором

В этом сегменте рынка компания LEM разработала и серийно изготавливает широкий ряд датчиков, стандартизованных по конструкции и обеспечивающих максимум гибкости для таких приложений, как силовые инверторы, позволяя легко встраивать датчик в платы драйверов силовых модулей. В портфолио компании имеются датчики с уже встроенными шинами и с монтажом на стандартные шины.

В силовых агрегатах электрических и гибридных транспортных средств мощностью от нескольких и до сотен киловатт используются многофазные инверторы, требующие тщательного регулирования точности и надежности и предназначенные для привода тяговых и генераторных двигателей. С этой целью LEM создает стандартные и индивидуальные решения, отвечающие тем или иным конкретным требованиям привода. Какие же варианты уже сейчас доступны клиентам?

Для инверторов малой и большой мощности от MHEV (мягкие гибриды) до BEV (полностью электрический автомобиль) предлагаются встроенные технологии измерения тока и датчики для монтажа на печатной плате. Для инверторов средней и высокой мощности от HEV (основной тип гибрида, часто называемые «полным гибридом») до BEV предусмотрено семейство однофазных датчиков прямого усиления на эффекте Холла, монтируемых на шину (однофазное решение), а также для увеличения компактности, повышения производительности и простоты сборки — датчик со встроенной шиной. Для инверторов большой мощности BEV с целью улучшения системной интеграции имеются многофазные датчики прямого усиления на эффекте Холла, в том числе в исполнении повышенной безопасности — ASIL Ready. Однофазные датчики компании LEM представлены в таблице 4, а многофазные — в таблице 5.

Системы зарядки

В этом сегменте рынка компания LEM для управления передачей энергии подсистемам от переменного тока к постоянному и от постоянного тока к постоянному току для применений высокого и низкого напряжения предлагает потребителям разработанные ею специальные технологии. Для слаботочных применений 10–200 А среднеквадратичного значения компания поставляет решения на основе полупровод­ников. Это разработанные с использованием передовой технологии без магнитного сердечника изолированные высокопроизводительные датчики в типовых для полупроводниковых микросхем корпусах SOIC.

Простые в использовании и легкие в интеграции, предлагаемые датчики удобны для применений, требующих высокой удельной мощности или имеющих очень мало места для интеграции функций измерения тока. Они могут использоваться в таких устройствах, как зарядные устройства в составе автомобиля, DC/DC-преобразователи, системы электроснабжения, стартер-генераторы с ременным приводом, которые преобразуют энергию торможения в электрическую и обеспечивают ее повторное использование для заряда аккумуляторной батареи.

Высокоэффективное управление мощностью является ключом к более эффективным системам и увеличению запаса хода. Благодаря увеличению точности и пропускной способности за счет повышения удельной мощности системы, компания LEM предлагает широкий спектр датчиков для всех приложений:

• Интегральные датчики тока (integrated current sensor, ICS):
  • датчики для поверхностного монтажа (SMD)  основе эффекта Холла для низкого и среднего тока (ниже пикового тока в 200 А).
• Датчики, монтируемые на печатной плате:
  • для измерения тока на шинах от среднего до высокого уровня (200–2000 А пиковое значение).
• Датчики для монтажа на шину:
  • датчики для приложений высокой мощности.

Рис. 4. Датчик прямого усиления на эффекте Холла для контроля тока в зарядных устройствах серии HAM со встроенной шиной

Благодаря повышенной точности измерения и высокой удельной мощности, эти датчики находят самое широкое применение. Технические характеристики основных датчиков, размещаемых на печатной плате и шине, которые могут использоваться в системах зарядки (HC2 F/H, HC6F/H, HC5FW и HSNDR), представлены в таблице 4. Дополнительным компонентом здесь является датчик прямого усиления на эффекте Холла серии HAM со встроенной шиной, показанный на рис. 4; характеристики датчиков тока в интегральном исполнении приведены в таблице 6.

Заключение

Безусловно, компания LEM является лидером на мировом рынке по обеспечению потребителей передовыми и качественными решениями в области измерения электрических параметров. Ее основная продукция — датчики тока и напряжения — имеет самый широкий спектр применения, включая высокоточные измерения, электроприводы, оборудование для сварки, возобновляемые источники энергии, источники электропитания, системы контроля заряда и разряда аккумуляторных батарей, железнодорожный транспорт, а также традиционный автотранспорт с двигателями внутреннего сгорания, гибридный и электрический автотранспорт. В электромобилях и гибридных транспортных средствах датчики компании LEM следят за уровнями тока заряда/разряда аккумулятора и являются очень важными элементами управления электродвигателями и системы безопасности.

В статье представлена ознакомительная информация по датчикам тока для автомобильной промышленности. Дополнительные сведения по датчикам компании LEM доступны в [1]. Датчики индукционного типа подробно описаны в [2]. Характеристики, особенности применения и расчеты по изолированным датчикам тока и напряжения приведены в [3]. Документация по датчикам тока и напряжения компании LEM производства РФ доступна по ссылке [4]. Информация по датчикам автомобильного назначения имеется в [5] и соответствующих спецификациях, размещенных на сайте компании.

Однако поскольку не все представленные в [5] датчики тока для автомобильной промышленности уже имеют спецификации, доступные на сайте компании, при необходимости получения полных данных следует обращаться в службу поддержки компании или к ее региональным представителям.