Z punktu widzenia użytkownika końcowego pojazdy BEV są wydajne i bardziej ekologiczne, nie emitują spalin, nie mają wycieków ani wibracji, a ich długoterminowe koszty eksploatacji są obecnie porównywalne z kosztami pojazdów z silnikami spalinowymi. 

W miarę jak przemysł elektroniczny nieustannie wprowadza innowacje i stawia czoła wyzwaniom projektowym i technologicznym, systemy BEV mają szansę na skorzystanie z tych innowacji. Typowym przykładem jest łatwiejszy i tańszy dostęp do węglika krzemu (SiC), materiału, który pomaga w zarządzaniu temperaturą, gdyż generuje mniejsze straty. Wraz ze spadkiem cen zaawansowanych półprzewodników i rosnącą liczbą konkurentów, urządzenia do systemów BEV stają się coraz inteligentniejsze, bardziej zoptymalizowane i tańsze, co jeszcze bardziej sprzyja upowszechnieniu się pojazdów elektrycznych.

Czujniki prądu w sterowaniu silnikami BEV 

Pojazdy BEV to elektryczne bestie, a w ich „żyłach” płynie prąd – od zarządzania akumulatorem i sterowania silnikiem po ładowarki pokładowe (OBC) i wiele więcej. Odpowiednie zarządzanie tym prądem ma kluczowe znaczenie dla optymalnego działania pojazdów i uniknięcia zagrożeń bezpieczeństwa; w tym celu stosuje się czujniki prądu. Czujniki prądu monitorują i dokładnie mierzą prąd przepływający przez silnik, umożliwiając jego prawidłową pracę, a także chroniąc system i użytkownika.

W sterowaniu silnikiem prąd mierzy się w celu efektywnego zarządzania momentem obrotowym i obrotami silnika, a także ich regulacji. Aby mieć pewność, że falownik dostarcza do silnika odpowiedni poziom prądu, sygnał z czujników prądu jest przesyłany do pętli sterowania falownika. 

Czujnik prądu chroni również sprzęt przed wahaniami i niekontrolowanym wzrostem prądu. Zbyt duże natężenie prądu może uszkodzić elementy takie jak tranzystory lub szyny zbiorcze, co może skutkować nieodwracalnymi szkodami. Czujnik monitoruje prąd i uruchamia alarm systemu lub nawet jego wyłączenie, jeśli prąd nie mieści się w określonych granicach. Dlatego ważne jest, aby czujniki prądu były bardzo dokładne.

W celu ochrony przed szkodliwymi zdarzeniami opracowano strategię bezpieczeństwa funkcjonalnego – opartą również na nowoczesnych czujnikach – która gwarantuje, że pojazd może przejść w tryb awaryjny w przypadku wystąpienia niebezpiecznych zdarzeń.

W silniku trójfazowym każda faza ma swój własny, niezależny czujnik prądu na wyjściu falownika, którego zadaniem jest monitorowanie prądu i zapewnienie, że jego suma zawsze będzie równa zero. W tym przypadku wystarczą dwa czujniki prądu, a natężenie prądu w trzeciej fazie będzie obliczane na podstawie sumy natężenia prądu w pozostałych dwóch fazach. Aby zwiększyć bezpieczeństwo i niezawodność systemu, projektanci często stosują trzy czujniki prądu, ponieważ pierwszą „zasadą” bezpieczeństwa funkcjonalnego jest redundancja.

Typowe zastosowania i wyzwania związane ze sterowaniem silnikiem

Rys. 1 przedstawia trzy obszary, w których czujniki są niezbędne w zastosowaniach sterowania silnikiem. Mogą to być czujniki gotowe do użytku (OTS) lub niestandardowe – LEM ma w ofercie oba typy.

1. Napięcie prądu stałego z akumulatora musi być stabilne dla całego systemu. Za to odpowiada sekcja łącza DC, składająca się z kondensatorów. Jest to ważny etap monitorowania i pomiaru prądu, ale jego funkcja jest stopniowo zastępowana przez system zarządzania akumulatorem lub jednostkę rozłączającą akumulator. Firma LEM oferuje różne rodzaje czujników prądu dla tego etapu, o zróżnicowanych formach mechanicznych, w tym urządzenia jednofazowe, HSNDR, HSTDR, HAM i HAH1. 
2. W silniku elektrycznym prąd wyjściowy falownika zasila każdą fazę silnika, tworząc wirujące pole magnetyczne, które napędza obroty silnika. Falownik steruje momentem obrotowym i prędkością silnika poprzez kontrolowanie częstotliwości i amplitudy prądu dostarczanego do każdej fazy. W tym celu konieczne są czujniki prądu. W zależności od podejścia producenta OEM do kwestii bezpieczeństwa można stosować urządzenia czujnikowe dwu- lub trójfazowe. Aby zminimalizować zajmowaną przestrzeń i obniżyć koszty, rozwiązaniem jest integracja mechaniczna. Firma LEM oferuje gamę czujników prądu obejmującą modele HAH2 do układów dwufazowych, HAH3 do układów trójfazowych, a także niestandardowe projekty czujników prądu.
3. Na etapie wzbudzania wirnika celem jest pomiar prądu stałego w celu sterowania uzwojonym wirnikiem. Dla tego etapu idealnym rozwiązaniem są systemy HMSR, GO i zaawansowany ICS (planowany na ten rok) firmy LEM.

Dla wszystkich tych etapów kluczowa jest miniaturyzacja, a innowacje w dziedzinie półprzewodników pozwalają na tworzenie lepszych, inteligentniejszych i tańszych czujników. Firma LEM odpowiedziała na to zapotrzebowanie, wprowadzając serię ICS, która oferuje wiele możliwości w niewielkich rozmiarach.
Podczas opracowywania nowych urządzeń do pomiaru prądu inżynierowie zawsze starają się, aby były one mniejsze, inteligentniejsze i tańsze. 

Innym sposobem na osiągnięcie tego wszystkiego jest zwiększenie gęstości mocy jednostki czujnikowej poprzez integrację. Zintegrowany moduł czujnikowy zapewnia najlepszą wydajność przez cały okres eksploatacji dzięki połączeniu pełnej kalibracji na końcu linii, która umożliwia wdrożenie typu plug-and-play, najlepszego sprzężenia mechanicznego i elektrycznego, wysokiej dokładności dzięki koncentracji magnetycznej i dobrej eliminacji przesłuchów dzięki rdzeniowi magnetycznemu. Rozwiązanie to może być jednak duże i kosztowne. 

Inne obecnie stosowane rozwiązania konstrukcyjne czujników obejmują typy w kształcie litery C lub U. Wymagają one jednak większych nakładów badawczo-rozwojowych i wewnętrznego rozwoju, a mimo to przynoszą mieszane rezultaty, w tym:

• Niepewności związane z integracji mechaniczną, które z czasem mogą wprowadzać błędy tolerancji mechanicznej, a także błędy sprzężenia;
• Skomplikowany etap kalibracji falownika;
• Wyższe koszty ze względu na konieczność zaangażowania dodatkowych zasobów na prace badawczo-rozwojowe.

Obecnie branża skupia się na większej integracji i projektach bezrdzeniowych, aby zmniejszyć zajmowaną powierzchnię i koszty oraz ułatwić projektowanie; patrz rysunek 2. Będą to samodzielne, standardowo obudowane układy półprzewodnikowe, wymagające niewielkiego nakładu pracy w zakresie montażu i integracji. Jednakże podejście to wymaga dobrej konstrukcji mechanicznej w celu zagwarantowania sprzężenia i wyeliminowania przesłuchów. 

Oczekuje się, że trwające innowacje w dziedzinie półprzewodników wniosą istotną zmianę i umożliwią realizację projektów bezrdzeniowych. Prawdziwa konstrukcja bezrdzeniowa usuwa rdzeń magnetyczny z obecnego modułu czujnika i jest najlepszym rozwiązaniem pozwalającym na zmniejszenie całkowitego rozmiaru obudowy, ale wymaga zastosowania nowych współczynników kształtu i rozwiązania problemów wydajnościowych: Większa dokładność wymaga lepszego sprzężenia, mniejszego przesłuchu, lepszej liniowości w bardzo szerokim zakresie prądu, co z kolei wymaga lepszych półprzewodników, lepszych koncepcji mechanicznych, większej współpracy z producentami OEM itd. 

Kolejnym dużym wyzwaniem jest zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa przy jednoczesnym utrzymaniu kosztów na niskim poziomie. Problem ten można rozwiązać poprzez integrację diagnostyki z układem ASIC. 

Wyzwania branżowe 

Integracja mechaniczna, bezpieczeństwo i koszty stanowią kluczowe aspekty przy opracowywaniu idealnych rozwiązań sterujących dla pojazdów. W tego typu zastosowaniach występują silne drgania w osi Z i przesłuchy, a czujniki mogą być niedokładnie skalibrowane. Mogą występować ograniczenia przepustowości i problemy z połączeniami wtórnymi z płytą sterującą. 
Zintegrowana konstrukcja modułu zasilania jest tutaj pomocna, ponieważ gwarantuje sprzężenie mechaniczne i elektryczne, optymalizuje kalibrację oraz umożliwia wykonanie połączenia wtórnego z płytą sterowniczą za pomocą wcisku.
Firma LEM współpracuje bezpośrednio z producentami OEM i dostawcami pierwszego poziomu, wspólnie projektując rozwiązania pozwalające sprostać wszelkim wyzwaniom, jakie mogą pojawić się podczas tworzenia wymaganego systemu sterującego dla pojazdów. Dzięki podejściu do integracji mechanicznej i wydajnemu procesowi produkcyjnemu możliwe jest dokładniejsze kalibrowanie czujników. Może to wymagać przeprowadzenia kalibracji na poziomie systemu przez producenta falownika. 

Bliska współpraca z zespołami badawczo-rozwojowymi producentów OEM i firm pierwszego poziomu od samego początku pomoże osiągnąć najlepszą integrację bieżących funkcji wykrywania z systemem już na starcie. Nie będzie konieczne dodawanie komponentów na etapie produkcji, a kalibracja będzie dokładna i gwarantowana od samego początku, ponieważ czujnik jest częścią systemu i został skalibrowany specjalnie do tego zadania. Przykładem jest współpraca firm LEM i Semikron Danfoss, w ramach której czujnik prądu został osadzony i skalibrowany w oprawie standardowego modułu mocy.
Równolegle z innowacjami bezrdzeniowymi i współpracą z partnerami, takimi jak Semikron Danfoss, LEM nieustannie udoskonala swoje istniejące czujniki prądu, co pozwala utrzymać ich wysoką konkurencyjność bez uszczerbku dla jakości i wydajności. Niedawno firma przeprojektowała urządzenie HC5, znane obecnie jako HC5FL. 

Aby utrzymać swoją ofertę produktów na najwyższym poziomie, firma LEM uprościła montaż, zoptymalizowała rdzeń magnetyczny i planuje w tym roku wprowadzenie na rynek nowego układu ASIC w konkurencyjnej cenie, przy jednoczesnym zapewnieniu wydajności urządzenia.

Od gotowych produktów do wersji na zamówienie

Znalezienie odpowiednich partnerów, którzy potrafią przewidywać potrzeby klientów na wczesnym etapie i dostarczać przemyślane, wydajne rozwiązania, pomoże firmom przyspieszyć projektowanie i skrócić czas wprowadzania produktów na rynek. Firma LEM rozwijała swoją działalność w zakresie sterowania silnikami od lat 90. ubiegłego wieku, zmieniając i dostosowując swoją ofertę do potrzeb rynku. Ciągłe badania rynku i ścisła współpraca z klientami pozwalają firmie przewidywać potrzeby rynku, nawet gdy trendy są dopiero w powijakach.

Ponad 50 lat doświadczenia i wiedzy praktycznej sprawia, że LEM jest ekspertem w kluczowych obszarach, takich jak projektowanie mechaniczne, technologie czujników, kalibracja czujników, projektowanie układów ASIC i rozwój oprogramowania. Dzięki temu LEM może realizować niestandardowe specyfikacje i poprzez ścisłą współpracę z wewnętrznymi zespołami badawczo-rozwojowymi klientów wspólnie opracowywać potrzebne im rozwiązania.
 

Autor: Charles Flatot-Le Bohec, globalny menedżer ds. produktów do sterowania silnikami samochodowymi w firmie LEM, omawia plan rozwoju obecnych urządzeń pomiarowych do sterowania silnikami samochodowymi.