La scelta dei sensori di corrente adatti per la progettazione del controllo motori nei BEV
Charles Flatot-Le Bohec, Global Product Manager for Motor Control for Automotive di LEM disquisisce dei dispositivi di rilevamento di corrente richiesti in un veicolo elettrico.
Il numero di veicoli elettrici a batteria (BEV) circolanti sulle strade sta aumentando rapidamente, soprattutto perché il loro prezzo al dettaglio sta diventando più accessibile e la loro autonomia di percorrenza è stata notevolmente estesa.
I produttori di BEV continuano a migliorare i loro veicoli, incoraggiandone una ulteriore adozione diffusa. Tuttavia, ci sono ancora sfide che gli ingegneri di progettazione continuano ad affrontare, specialmente per ottimizzare l’autonomia di guida di BEV.
Questi includono, ma non si limitano a ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei sistemi e dei componenti BEV, aumentandone le prestazioni e la sicurezza. Qui, i dispositivi come i sensori di corrente fanno una differenza significativa. Si trovano nei sistemi di gestione delle batterie dei BEV (BMS) e nei caricatori di bordo (OBC), che controllano e misurano le correnti che entrano o escono da questi sistemi, e rilevano e misurano le correnti di perdita per la sicurezza, prevenendo i rischi di scosse elettriche o di incendio.
Figura 1: Sensori utilizzati per il controllo di motori
Sensori di corrente nel controllo motori dei BEV
Nel controllo motori (Figura 1), i sensori di corrente controllano e misurano la corrente che scorre attraverso il motore, che spinge il veicolo e ne consente il corretto e sicuro funzionamento. Qui i sensori di corrente sono utilizzati in tre fasi importanti: DC link, misurazione di fase e attivazione del rotore.
Un DC link è, in effetti, il “connettore” tra il raddrizzatore (che converte l’ingresso AC in DC necessario alla batteria per il suo funzionamento) e l’inverter (che converte DC in CA per azionare il motore). Il DC Link è costituito da condensatori.
Per mantenere stabile la tensione DC del pacco batteria in ogni momento, la sezione DC link monitora e gestisce la corrente con i sensori di corrente. Si tratta di una fase importante nel controllo del motore, ma le tendenze di integrazione hanno visto la sua sostituzione con il BMS o con l’unità di disconnessione della batteria (BDU).
Nei BEV, le potenze dei motori in gioco possono essere di 50 kW, o superiori, e utilizzare inverter trifase; nei veicoli ad alte prestazioni questo aumenta a 6 inverter di fase. La corrente di uscita dell’inverter aziona ogni fase del motore, per creare un campo magnetico che alimenta la rotazione del motore. Ogni fase ha il proprio sensore di corrente indipendente all’uscita dell’inverter, per monitorare la corrente.
Due sensori di corrente possono essere sufficienti per un funzionamento sicuro, con la corrente nella terza fase derivata dalla somma delle altre due fasi. Tuttavia, per la massima sicurezza e affidabilità, i progettisti tendono ad applicare tre sensori di corrente in questa fase.
La corrente dell’inverter gestisce la coppia e la velocità del motore controllando la frequenza e l’ampiezza della corrente erogata a ciascuna fase, abilitata dai sensori di corrente. Per garantire che l’inverter invii la giusta quantità di corrente al motore, l’uscita dei sensori di corrente viene inserita in un loop di controllo.
I sensori di corrente svolgono anche un ruolo fondamentale nella fase di eccitazione del rotore e, qui, l’obiettivo è misurare la corrente continua per un controllo preciso dell’avvolgimento del rotore.
Miniaturizzazione e integrazione dei sensori
Per tutte le fasi del controllo del motore dei BEV, la miniaturizzazione continua a svolgere un ruolo chiave e, in questo caso, l’innovazione dei semiconduttori introduce sensori migliori, più intelligenti e più economici. Per un ingombro minimo e costi inferiori, l’integrazione meccanica è stata adottata da molti produttori di sensori, tra cui LEM. L’integrazione può riguardare il modulo di potenza o il sensore stesso.
L’integrazione aggiunge una maggiore densità di potenza in un’unità di rilevamento e fornisce le migliori prestazioni per tutta la vita utile grazie a una combinazione di calibrazione completa di fine linea che consente l’implementazione plug and play, il miglior accoppiamento meccanico ed elettrico, l’elevata precisione grazie alla concentrazione magnetica e una buona soppressione della diafonia grazie al nucleo magnetico. Attualmente, una delle principali innovazioni nel settore sono i design senza nucleo, per ridurre l’ingombro e i costi e facilitare la progettazione; vedi Figura 2.
Figura 2: Sviluppo dei sensori di corrente
Un vero design senza nucleo rimuove il nucleo magnetico dal modulo del sensore di corrente ed è l’opzione migliore per ridurre le dimensioni totali del package, ma impone nuovi fattori di forma e richiede la risoluzione di alcune sfide prestazionali: una migliore precisione richiede un migliore accoppiamento, minore diafonia, migliore linearità su un intervallo di corrente molto ampio, che a sua volta richiede semiconduttori migliori, concetti meccanici migliori, maggiore collaborazione con gli OEM e così via.
Affrontare le sfide del settore
Con un’esperienza e una conoscenza delle applicazioni maturate in oltre 50 anni, LEM ha raggiunto un’esperienza senza pari in settori chiave cruciali per la progettazione dei sensori attuali, tra cui concetti meccanici, tecnologie di rilevamento e calibrazione, approcci di integrazione, progettazione di chip e sviluppo di software, ma anche il rispetto di varie norme e regolamenti per diverse regioni.
LEM ha costruito la sua esperienza nel settore del controllo dei motori fin dagli anni ’90, modificando e adattando il suo portfolio in sincronia con il mercato.
La continua ricerca di mercato e la stretta collaborazione con i clienti hanno aiutato l’azienda a identificare le esigenze del mercato ben prima che le tendenze si affermassero. Pertanto, continua ad anticipare le esigenze dei clienti in ogni fase degli sviluppi BEV e i sistemi di controllo del motore sono una parte importante di esso: il collegamento DC, il controllo di fase e l’eccitazione del rotore. LEM offre una gamma completa di prodotti di rilevamento della corrente per soddisfare queste applicazioni e continua a innovare e reinventare le sue soluzioni standard e personalizzate.
Per la sezione del collegamento DC, LEM fornisce vari tipi di sensori di corrente, che possono essere standard (OTS) o personalizzati. Questi includono i dispositivi monofase, HSNDR, HSTDR, HAM e HAH1, che sono disponibili in diversi fattori di forma meccanici. Per lo stadio del monitoraggio di fase nel controllo del motore, LEM offre un ampio portfolio di sensori di corrente, tra cui HAH2 per bifase, HAH3 per trifase, ma anche design di sensori di corrente personalizzati.
Per quanto riguarda l’eccitazione del rotore e la corrente che viene monitorata qui, HMSR, GO e ICS avanzato di LEM (che sarà introdotto quest’anno) sono la soluzione perfetta.
LEM lavora direttamente con gli OEM e con i fornitori Tier 1 per progettare insieme soluzioni che affrontino qualsiasi sfida possa sorgere lungo il percorso per la creazione del sistema di controllo automobilistico richiesto.
Grazie al suo approccio all’integrazione meccanica e a un processo di produzione efficiente, è in grado di offrire una calibrazione più accurata dei sensori di corrente.
Collaborando strettamente con i team R&D delle aziende OEM e Tier 1, di primordine, fin dall’inizio aiuterà a ottenere la migliore integrazione della funzione di rilevamento corrente nel sistema fin dalla sua progettazione.
Trovare i partner giusti, quelli che anticipano le esigenze dei clienti, in una fase iniziale e forniscono soluzioni ponderate e ad alte prestazioni, aiuterà le aziende ad accelerare i tempi di progettazione e a ridurre la curva del time to market.
