Stromerfassungslösungen in ev / hev-Batterien

Der Markt für Elektrofahrzeuge zieht weltweit rasant an. Schätzungen zufolge wird die Zahl der weltweit auf der Straße fahrenden Elektrofahrzeuge bis 2030 125 Millionen erreichen. Weltweiter Markt für Elektrofahrzeuge (EV) und Hybridfahrzeuge. Um den Energiefluss zu steuern und die Effizienz in HEV / EV-Antriebsstrang-Subsystemen wie Traktionswechselrichtern, On-Board-Ladegeräten (OBC), DC-DC-Wandlern und Batteriemanagementsystemen (BMS) zu optimieren, ist eine präzise und genaue Strommessung unerlässlich. Diese Hochspannungssubsysteme müssen große Ströme bei hohen Gleichtaktspannungen messen. Aus technischen und behördlichen Gründen erfordern die aktuellen Messungen eine Isolierung sowie eine sehr hohe Leistung in rauen Automobilumgebungen.

Die typischen Konfigurationen von Elektrofahrzeugen in Indien sind wie folgt:

i) Zweirad

1. Batteriepackspannung = 48V, 72V
2. 1 kW, 2 kW Motor

ii) Dreirad

1. Batteriepackspannung = 48V, 72V
2. 2 kW, 4 kW Motor

iii) 4-Rad und Bus

1. Batteriepackspannung = 72 V, 400 V, 600 V.
2. 20 kW bis 300 kW

Eine der wichtigsten Funktionen, um die Sicherheit eines Elektrofahrzeugs zu gewährleisten, besteht darin, Daten zu sammeln und auf der Grundlage dieser Daten lokal schnell Feedback-Maßnahmen zu ergreifen. Ein solcher Datenpunkt, der sehr wichtig und der Schlüssel zur Sicherheit ist, ist der Strom, der durch verschiedene Teilsysteme eines Elektrofahrzeugs fließt.

Wir können die Stromerfassung in einem Elektrofahrzeug grob in drei Kategorien unterteilen, wie unten gezeigt:

1. Echtzeit-Überstromschutz

1. Traktionsantriebe:
2. Batterieschutzschaltung:

2. Strom- und Leistungsüberwachung zur Systemoptimierung

1. Batteriemessung
2. Systemstromverbrauch
3. Servolenkung

3. Strommessung für Regelkreise

1. Motorantriebsanwendung:
2. DC / DC-Wandler

Im Folgenden finden Sie eine allgemeine Übersicht über die verschiedenen Lösungen von TI für aktuelle Sensoranwendungen. Die Y-Achse ist die Gleichtaktspannung der Schiene, durch die Strom erfasst wird, und die X-Achse ist die tatsächliche Amplitude des gemessenen Stroms.

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, kann Strom durch eine Spannung über einen kleinen Nebenschlusswiderstand gemessen oder durch Messen des Magnetfelds gemessen werden, das durch den Strom erzeugt wird, während er durch den Leiter fließt. Bei Ti bieten wir Lösungen zur Strommessung mit beiden oben genannten Methoden an.

Eine Liste der von TI für die aktuelle Sensoranwendung erhältlichen Lösungen finden Sie unten:

Schauen wir uns jeden Anwendungsfall des Stromsensors etwas genauer an und schauen wir uns einige geeignete Lösungen an, die von TI für denselben angeboten werden.

1. Echtzeit-Überstromschutz

Dieser Anwendungsfall wird im Allgemeinen in einem Elektrofahrzeug aus Sicherheitsgründen gesehen. Da die Batterien während des Auftretens eines Fehlers große Strommengen entladen können, ist eine Echtzeit-Fehlerüberwachungsschaltung sehr wichtig. Die Geschwindigkeit und Genauigkeit einer solchen Schaltung ist die Gütezahl des Stromerfassungsverstärkers. In einigen Fällen, da der uC eine begrenzte Bandbreite hat, führt das Abtasten des analogen Stromwerts - die Umwandlung in einen digitalen Wert, gefolgt von einem digitalen Wertvergleich zur Erkennung von Überstrom - zu einer großen Verzögerung in der Schutzschaltung. Um dieses Problem anzugehen, hat TI einen Stromerfassungsverstärker mit integrierten Komparatoren entwickelt, dessen Schwelle eingestellt und direkt in den Interrupt-Pin des uC eingespeist werden kann, was zu einer enormen Verringerung der Überlast des uC führt.

Einige der Lösungen von TI für den Überstromschutz sind:

Ein sehr gutes Beispiel für diesen Anwendungsfall ist die Verwendung eines Stromerfassungsverstärkers als E-Sicherung, wie unten gezeigt:

2. Strom- und Leistungsüberwachung zur Systemoptimierung

Die Strom- und Leistungsüberwachung wird normalerweise in Elektrofahrzeugsystemen implementiert, um den Gesamtstromverbrauch der Batterie zu überwachen und so dem Fahrer Echtzeitinformationen über die in der Batterie des Fahrzeugs verbleibende Ladung unter Verwendung von Algorithmen wie der Coulomb-Zählung zu geben. Neben dem oben genannten Anwendungsfall wird die Stromüberwachung in Fahrzeugen in verschiedenen Subsystemen wie der Servolenkung, elektrischen Fenstern und ähnlichen Bereichen eingesetzt. TI verfügt über ein breites Portfolio an Strom- und Leistungsüberwachung.

Wie oben erwähnt, besteht einer der Hauptschwerpunkte darin, den Strom zu untersuchen, der in den Akku hinein und aus ihm heraus fließt, um die Coulomb zu zählen und die verbleibende Batterielebensdauer / -ladung zu berechnen. Der INA299 von TI zeichnet sich für eine solche Anwendung durch ein hohes Maß an Integrität bei gleichzeitig hoher Präzision und geringem Ruhestromverbrauch aus. Unten sehen Sie ein typisches Blockdiagramm eines BMS mit dem INA299. Weitere Informationen und Whitepaper finden Sie im Produktordner von INA299 auf ti.com.

3. Strommessung für Regelkreise

Aufgrund des Vorhandenseins mehrerer Spannungen in einem Elektrofahrzeug findet sich im Stromversorgungsbaum eine ganze Reihe von Kombinationen von Buck- und Aufwärtswandlern. Einige der bekanntesten Stromversorgungsblöcke in einem typischen Elektrofahrzeug sind das Bordladegerät, der BLDC (Traktionsmotortreiber), der 48-V- bis 12-V-Wandler usw. Da der Regelkreis in all diesen Hochleistungsnetzteilen mit einer uC-Messung ausgeübt wird Bei hoher Genauigkeit wird ein Strom mit niedriger Latenz von größter Bedeutung, um Spitzenstromregelkreise zu implementieren. Für eine solche Anwendung ist ein Stromsensor mit sehr hoher Bandbreite erforderlich, um den Schaltstrom und den Ausgangsstrom zu messen, damit die Steuerung schnelle Maßnahmen ergreifen kann.Ein weiteres Highlight solcher Stromsensoren, die zur Steuerung von Motorantrieben verwendet werden, ist die Fähigkeit der Sensoren, Gleichtaktrauschen bei hoher Frequenz (PWM-Unterdrückung) zu unterdrücken.

Zum Beispiel zeichnet sich INA253 in dieser Anwendung durch seine branchenführende 93-dB-CMRR sogar bei 50 kHz aus. Unten ist ein typisches Schema gezeigt, das für die Inline-Stromerfassungsanwendung verwendet wird

Texas Instruments bietet erstklassige isolierte Verstärker und isolierte Modulatoren, mit denen in Kombination mit hochpräzisen Shunts sehr genaue Messungen des isolierten Stroms über der Temperatur erzielt werden können. TI hat eine neue Reihe isolierter Stromerfassungsverstärker mit der Bezeichnung AMC-Serie entwickelt, mit deren Hilfe der entworfene Strom mit einer Isolationsbarriere von 2 kVrms mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

TI verfügt über eine gute Sammlung von Deep Drive-Schulungen zum Thema „ Erste Schritte mit Stromerfassungsverstärkern “, mit denen Ingenieure lernen können, wie sie die erzielte Leistung bei der Strommessung mit einem Stromerfassungsverstärker maximieren können. Dies ist eine Reihe von kurzen Videos, die sich jeweils mit einem anderen Thema befassen.

Insgesamt ist die Ausbildung in drei Abschnitte zu unterteilen

• Die Grundlagen
• Grundlegendes zu Fehlerquellen
• Erweiterte Themen

Sie können auf alle TI-Schulungsvideos zugreifen, indem Sie dem Link folgen.

Über die Autoren

Herr Shreenidhi Patil ist ein analoger Anwendungstechniker bei Texas Instruments, der sich hauptsächlich auf Netzmessung, den bevorstehenden EV-Markt und EV-Ladestationen konzentriert.

Herr Mahendra Patel begann seine Karriere in der Halbleiterindustrie vor 6 Jahren bei Texas Instruments. Als Außendiensttechniker unterstützt er mehrere Kunden und Anwendungen im Automobilsektor. Er arbeitet gerne an Entwürfen für Elektrofahrzeuge und Fahrzeugbeleuchtung.