Automobilhersteller auf der ganzen Welt konzentrieren sich auf die Elektrifizierung von Fahrzeugen. Autos müssen schneller aufgeladen werden und eine größere Reichweite mit einer einzigen Ladung haben. Dies bedeutet, dass elektrische und elektronische Schaltkreise im Fahrzeug in der Lage sein sollten, extrem hohe Leistungen zu bewältigen und Verluste effektiv zu bewältigen. Es besteht Bedarf an robusten Wärmemanagementlösungen, um sicherzustellen, dass sicherheitskritische Anwendungen betriebsbereit bleiben.
Denken Sie neben der vom Fahrzeug selbst erzeugten Wärme an die gesamte thermische Toleranz, die Ihr Auto und seine Elektronik haben müssen, um große Umgebungstemperaturbereiche bewältigen zu können. In Indien beispielsweise sind die kältesten Regionen im Winter Temperaturen unter 0 ° C ausgesetzt, die in einigen anderen Regionen im Sommer über 45 ° C liegen können.
Jedes Subsystem innerhalb eines Elektrofahrzeugs (EV) erfordert eine Temperaturüberwachung. Das integrierte Ladegerät, der DC / DC-Wandler und die Steuerung des Wechselrichters / Motors erfordern eine sichere und effiziente Steuerung zum Schutz des Netzschalters (MOSFET / IGBT / SiC). Batteriemanagementsysteme (BMS) erfordern auch eine feine Auflösung der Temperaturmessung auf Zellebene. Die einzige Komponente, die bei extremen Temperaturen genau sein muss, um das System zu schützen, ist zweifellos der Temperatursensor. Durch genaue Temperaturinformationen kann der Prozessor das System temperaturkompensieren, sodass die elektronischen Module ihre Leistung optimieren und ihre Zuverlässigkeit unabhängig von den Fahrbedingungen maximieren können. Dies umfasst die Temperaturerfassung von Leistungsschaltern, Leistungsmagnetkomponenten, Kühlkörpern, Leiterplatten usw. Temperaturdaten tragen auch dazu bei, das Kühlsystem kontrolliert zu betreiben.
Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) und PTC (positiver Temperaturkoeffizient) gehören zu den am häufigsten verwendeten Geräten zur Überwachung von Temperaturen. Der NTC ist ein passiver Widerstand und der Widerstand eines NTC variiert mit der Temperatur. Insbesondere nimmt der Widerstand des NTC mit zunehmender Umgebungstemperatur um einen NTC ab. Die Ingenieure platzieren den NTC in einem Spannungsteiler, wobei das Ausgangssignal des Spannungsteilers in den Analog-Digital-Wandler-Kanal (ADC) eines Mikrocontrollers (MCU) eingelesen wird.
Es gibt jedoch einige NTC-Eigenschaften, die die Verwendung in einer Automobilumgebung erschweren können. Wie zuvor erwähnt, ändert sich der Widerstand eines NTC umgekehrt mit der Temperatur, aber die Beziehung ist nichtlinear. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel eines typischen NTC-basierten Spannungsteilers.
Wenn Sie die Wärme berücksichtigen, die von verschiedenen Subsystemen innerhalb von Elektrofahrzeugen und Klimazonen in verschiedenen Regionen der Welt erzeugt wird, wird deutlich, dass die Halbleiterkomponenten eines Fahrzeugs einem weiten Temperaturbereich (-40 ° C bis 150 ° C) ausgesetzt sind. In einem weiten Temperaturbereich macht es das nichtlineare Verhalten des NTC schwierig, Fehler zu reduzieren, wenn Sie einen Spannungswert in eine tatsächliche Temperaturmessung umwandeln. Der Fehler, der durch die nichtlineare Kurve eines NTC verursacht wird, verringert die Genauigkeit jeder NTC-basierten Temperaturmessung.
Ein Analogausgang-IC-Temperatursensor reagiert im Vergleich zu NTCs linearer (siehe Abbildung oben). Und die MCU kann die Spannung einfach und präziser und schneller in Temperaturdaten umwandeln. Schließlich weisen analoge Temperatursensor-ICs bei hohen Temperaturen im Vergleich zu NTCs häufig eine überlegene Temperaturempfindlichkeit auf. IC-Temperatursensoren teilen eine Marktkategorie mit anderen Sensortechnologien wie Thermistoren, Widerstandstemperaturdetektoren (RTD) und Thermoelementen. ICs haben jedoch einige wichtige Vorteile, wenn bei weiten Temperaturen wie dem AEC-Q100 Grade 0-Bereich (-40 ° C eine gute Genauigkeit erforderlich ist bis 150 ° C). Zunächst werden die Genauigkeitsgrenzen eines IC-Temperatursensors im Datenblatt über den gesamten Betriebsbereich in Grad Celsius angegeben. umgekehrt,Ein typischer NTC-Thermistor (Negative Temperature Coefficient) kann die Widerstandsgenauigkeit nur in Prozent an einem einzelnen Temperaturpunkt angeben. Bei Verwendung eines Thermistors müssten Sie dann die Gesamtsystemgenauigkeit für den gesamten Temperaturbereich sorgfältig berechnen. Überprüfen Sie in der Tat sorgfältig die Betriebsbedingungen, um die Genauigkeit eines Sensors zu bestimmen.
Beachten Sie bei der Auswahl eines IC, dass es verschiedene Typen gibt - mit unterschiedlichen Vorzügen für verschiedene Automobilanwendungen.
- Analogausgang: Geräte wie der LMT87-Q1 (erhältlich in AEC-Q100 Grade 0) sind einfache dreipolige Lösungen, die mehrere Verstärkungsoptionen bieten, die am besten zu Ihrem ausgewählten Analog-Digital-Wandler (ADC) passen Bestimmen Sie die Gesamtauflösung. Sie profitieren auch von einem geringen Betriebsstromverbrauch, der über den Temperaturbereich im Vergleich zu einem Thermistor vergleichsweise konstant ist. Dies bedeutet, dass Sie die Leistung nicht gegen die Rauschleistung austauschen müssen.
- Digitaler Ausgang: Um die Implementierung Ihres Wärmemanagements weiter zu vereinfachen, bietet TI digitale Temperatursensoren an, die die Temperatur direkt über Schnittstellen wie I²C oder Serial Peripheral Interface (SPI) übertragen. Beispielsweise überwacht TMP102-Q1 die Temperatur mit einer Genauigkeit von ± 3,0 ° C von -40 ° C bis + 125 ° C und überträgt die Temperatur direkt über I²C an die MCU. Dadurch entfällt jegliche Art von Nachschlagetabelle oder Berechnung auf der Grundlage einer Polynomfunktion. Das LMT01-Q1-Gerät ist außerdem ein hochgenauer 2-poliger Temperatursensor mit einer benutzerfreundlichen Schnittstelle für die Stromzählschleife mit Impulszählung, die sich für Onboard- und Offboard-Anwendungen in der Automobilindustrie eignet.
- Temperaturschalter: Viele der von TI für Kraftfahrzeuge qualifizierten Schalter bieten einfache, zuverlässige Übertemperaturwarnungen, z. B. TMP302-Q1. Der analoge Temperaturwert gibt Ihrem System jedoch einen Frühindikator, mit dem Sie den eingeschränkten Betrieb reduzieren können, bevor Sie eine kritische Temperatur erreichen. EV-Subsysteme können aufgrund der rauen Betriebsumgebung auch von den programmierbaren Schwellenwerten, dem extrem weiten Betriebstemperaturbereich und der hohen Zuverlässigkeit bei der Überprüfung des Betriebs des LM57-Q1 im Schaltkreis profitieren (beide ICs sind in AEC-Q100 Grade 0 erhältlich). Ein vollständiges Portfolio an IC-basierten Temperatursensorteilen finden Sie unter:
In den meisten EV-Subsystemen ist die MCU von Leistungsschaltern und anderen Komponenten isoliert, deren Temperatur erfasst wird. Daten, die von einem digitalen Ausgangstemperatursensor stammen, können mit einfachen digitalen Isolatoren wie der ISO77xx-Q1-Gerätefamilie von TI einfach isoliert werden. Basierend auf der Anzahl der erforderlichen isolierten digitalen Kommunikationsleitungen und der Isolation kann hier ein geeignetes Teil ausgewählt werden:
Unten sehen Sie ein Blockdiagramm des TIDA-00752-Referenzdesigns, das eine digitale Impulsausgabe über eine Isolationsbarriere liefert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass NTC-Thermistoren häufig zur Überwachung der Temperatur verwendet werden. Ihr nichtlineares Temperaturverhalten kann sich jedoch für Fahrzeuglösungen als problematisch erweisen. Mit den analogen und digitalen Temperatursensorlösungen von TI können Sie die Temperatur vieler Automobilsysteme genau und einfach überwachen.
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