La necessità di passare dai veicoli alimentati a benzina e diesel (combustibili fossili) ai veicoli elettrici (EV) per ridurre i livelli di anidride carbonica ha rivelato molte questioni controverse. I problemi comuni includono i tempi di implementazione, le infrastrutture necessarie (compresi i sistemi multi-veicolo a ricarica rapida), l’adozione legiferata piuttosto che quella basata sui consumatori, i continui miglioramenti del sistema e le fonti di nuove materie prime critiche.
Uno dei problemi tecnici più semplici, ma ancora aperti, da risolvere per i progettisti è il rilevamento della corrente la tecnologia. La commutazione sicura ed efficace dei livelli di corrente coinvolti nei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici (controllo del motore), conversione di tensione, gestione della batteria e ricarica (caricabatterie di bordo (OBC), domestico e basato su infrastruttura) richiede tutti sensori di corrente.
Le batterie sono l’unica fonte di energia per i veicoli elettrici e hanno una durata limitata. Per prolungarne la durata, un sistema di monitoraggio delle batterie stima lo stato di salute (SOH), lo stato di carica (SOC) e lo stato di funzionamento (SOF) utilizzando sensori di corrente e temperatura, spesso chiamati sensori IVT (corrente, tensione e temperatura). Secondo Research Reports World, il solo mercato dei sensori di corrente per batterie per veicoli elettrici ha una dimensione di mercato del valore di 1310.0 milioni di USD nel 2021, aumentando a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 12.17% durante il periodo di previsione e raggiungendo 2610.0 milioni di USD entro 2027.
La buona notizia è che i progettisti di sistemi hanno scelte che non richiedono ai governi di dettare il modo in cui percepiscono i materiali attuali o coinvolgono materiali esotici. Tra le scelte ci sono uno shunt resistivo (corrente), una varietà di design di sensori a effetto Hall con scelta dei fornitori, trasformatori di corrente, nuove opzioni tecnologiche come la magnetoresistenza e persino sensori quantistici di diamante. I problemi di progettazione del sistema per i sensori di corrente includono il rilevamento della corrente lato alto e lato basso, circuiti di interfaccia, larghezza di banda, tempo di risposta, schermatura, progettazione del concentratore di flusso, rapporto segnale/rumore (SNR), diafonia, programmabilità e altro ancora.
Shunt corrente
Uno shunt di corrente standard è la soluzione più semplice per rilevare la corrente. È un resistore ad alta precisione, basso valore e alta potenza. La corrente instradata attraverso lo shunt provoca una caduta di tensione proporzionale alla corrente (E=I*R). Tuttavia, la tensione attraverso lo shunt deve essere amplificata, isolata e misurata per determinare il livello di corrente. Poiché il resistore di shunt è in serie con il carico, la caduta di tensione provoca una perdita di potenza, quindi vengono utilizzati valori di resistori sempre più piccoli. Ciò significa che il front-end analogico (AFE) per amplificare e compensare la caduta di tensione deve essere molto preciso per misurare questi valori molto piccoli. L'AFE può anche fornire isolamento per una maggiore sicurezza.
Rilevamento ad effetto Hall
I sensori di corrente ad effetto Hall misurano l'entità del campo magnetico attorno a un conduttore percorso da corrente. A differenza degli shunt collegati direttamente alla corrente elevata, i dispositivi ad effetto Hall sono isolati dal carico. Grazie al loro isolamento galvanico intrinseco, i sensori di corrente a effetto Hall possono misurare sia correnti DC che AC, hanno una bassa perdita di potenza e sono termicamente disaccoppiati dall'elettronica di potenza.
In un sensore di corrente ad effetto Hall, l'elemento Hall è montato nell'intercapedine di un nucleo magnetico di ferrite (anello di flusso o collettore) posizionato attorno al conduttore di corrente. Gli AFE nei dispositivi disponibili in commercio includono amplificatori per aumentare e convertire la tensione Hall a un livello utilizzabile e altri circuiti. Le misurazioni del sensore di corrente differenziale che utilizzano due celle Hall forniscono un'elevata precisione anche in un ambiente rumoroso in cui può verificarsi diafonia da linee di corrente adiacenti o campi magnetici dispersi.
La parte 2 discuterà di altre tecnologie per il rilevamento della corrente nei veicoli elettrici.
Riferimenti
Comprendere il rilevamento della corrente nelle batterie HEV/EV
(34) Mercato globale dei sensori di corrente della batteria dei veicoli elettrici [2023-2027] | Sfide e opportunità | Si prevede che il mercato raggiunga un valore di 2610 milioni di dollari | LinkedIn
Fonte immagine: Isabellenhutte_EV Shunt Resistors_tech article_final (isabellenhuetteusa.com)
Fonte immagine in primo piano: rilevamento della corrente ad effetto Hall nelle applicazioni per veicoli elettrici ibridi (HEV) | Allegro Microsistemi
Sensori di corrente | XENSIV™ – sensori di corrente senza nucleo ad alta precisione – Infineon Technologies