Deel 1 van dit artikel ging in op huidige shunts en Hall-effectsensorontwerpen. Dit deel bespreekt huidige transformatoren en nieuwe technologie opties zoals magnetoweerstand en zelfs diamantkwantumsensoren.
Een van de belangrijkste problemen bij de hedendaagse elektrische voertuigen (EV’s) is de voortdurende evolutie van de technologie, waarbij ook de normen evolueren. In de meer dan 100 jaar dat voertuigen op fossiele brandstoffen bestaan, heeft het vrijwel exclusieve gebruik van gelode en vervolgens ongelode benzine en diesel ervoor gezorgd dat tankstations overal konden worden geplaatst waar ze nodig waren in landen over de hele wereld met gestandaardiseerde brandstofdosering. Hoewel de spanning in moderne elektrische auto's meestal rond de 400 V ligt, hebben de connectoren voor het snelste (niveau 3) opladen drie verschillende ontwerpen: de SAE Combo, Tesla en CHAdeMO. Met de onlangs geïntroduceerde Performance Battery Plus biedt Porsche nu echter productieauto's (Taycan-modellen) aan met een systeemspanning van 800 volt (spanningsbereik van 610 tot 835 volt). Hogere spanningen betekenen sneller opladen en voortdurende veranderingen kunnen ertoe leiden dat systeemontwerpers hun keuze voor stroomsensoren in bepaalde EV-systemen veranderen.
Sensoren voor stroomtransformatoren
Stroomtransformatorsensoren worden aangeboden in twee verschillende ontwerpvarianten: conventionele en Rogowski-spoel. Gebaseerd op de wet van Faraday is stroomtransformatordetectie een niet-invasieve (geïsoleerde) techniek die wisselstroom (AC) meet. Het maakt gebruik van een spoel met een magnetische kern en het behoud van de verhouding ampère-windingen om de gemeten spoelstroom aanzienlijk te verminderen ten opzichte van het primaire stroomniveau. Normaal gesproken heeft een stroomtransformator een primaire wikkeling met één winding en een secundaire wikkeling met 10 tot 1,000 windingen op een magnetisch kernmateriaal dat is gekozen voor het frequentiebereik. Naast hun inherente isolatie zijn stroomtransformatoren ook zeer lineair en kunnen ze een groot dynamisch bereik bereiken.
In plaats van een magnetische kern te gebruiken, is een Rogowski-spoel een luchtkernsolenoïde die in een bijna gesloten cirkel rond een hoge stroomvoerende geleider is gebogen om AC te meten. In tegenstelling tot ferromagnetische materialen veroorzaakt lucht geen niet-lineariteit of verzadiging, dus het ontbreken van een magnetische kern geeft de Rogowski-spoel de mogelijkheid om stromen met een zeer hoge frequentie en hoge amplitude te lezen. In plaats van direct de hoeveelheid stroom aan te geven, is de output echter evenredig met de snelheid waarmee de stroom verandert (di/dt). Om de stroomwaarde te verkrijgen, moet de uitgang van de spoel worden geïntegreerd. Bijgevolg beperkt de integrator onvermijdelijk het frequentie- en amplitudebereik dat de spoel kan meten.
Magnetoweerstandsdetectie
De elektrische weerstand van een magnetoweerstandssensor verandert wanneer deze wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld. Magnetoweerstandsdetectieproducten zijn verkrijgbaar in drie typen: anisotrope magnetoweerstand (AMR), gigantische magnetoweerstand (GMR) en tunnelmagnetoweerstand (TMR). In tegenstelling tot een AMR-element of GMR-element kan een tunnelmagnetoweerstandselement (TMR) een veel hogere output produceren. Als de nieuwste magnetische sensortechnologie omvatten de voordelen van TMR voor EV-stroomdetectietoepassingen minder gevoelig voor temperatuurveranderingen, extreem hoge magnetische gevoeligheid en hoge SNR. Andere voordelen van TMR zijn onder meer een laag stroomverbruik, programmeerbare overstroomdetectie en foutpin, bidirectionele detectie en hoogspanningsisolatie om de veiligheid te garanderen.
Diamant kwantumstroomsensor
Terwijl ze zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsmodus bevinden, bieden diamantkwantumsensoren een inherent breed dynamisch bereik en een hoge gevoeligheid voor het meten van de batterijstroom. Het ontwerp van de onderzoekers maakt gebruik van de differentiële detectie van twee sensoren om common-mode omgevingsgeluid in voertuigen te elimineren. Een analoog-digitale besturing met gemengd signaal volgde de magnetische resonantiemicrogolffrequenties van de kwantumsensor over een breed dynamisch bereik en gaf geen afwijking aan.
In een prototype van een accumonitor meet de diamantkwantumsensor de accustroom tot 130 A, waarbij het rijpatroon van de Worldwide Harmonised Light Vehicles Test Procedure (WLTC) wordt gevolgd. Het vermogen van de stroomsensor om de ladingstoestand van de batterij nauwkeurig te schatten, werd geanalyseerd op 10 mA. Tests bevestigden een bedrijfstemperatuurbereik van −40 tot + 85 °C en een maximaal stroomdynamisch bereik van ± 1000 A.
Referenties
De nieuwe Porsche Taycan-modellen voor 2025 – Porsche Newsroom USA
Taycan, Taycan 4S, Turbo en Turbo S – De accu – Porsche Taycan
Opgeladen EV's | Een nadere blik op de huidige sensoren in EV’s – Opgeladen EV’s
Afbeeldingsbron: Optimalisatie van de prestaties van Rogowski-spoelstroomtransformatoren – DENT Instruments
TMR kernloze stroomdetectie in EV's https://crocus-technology.com/tmr-coreless-current-sensing-in-evs/
Beeldbron: TMR-sensor Oplossing: Precisie EV-batterijmonitoring | TDK
Uiterst nauwkeurige, robuuste monitoring van de laad-/ontlaadstroom over een breed dynamisch bereik voor accu's van elektrische voertuigen met behulp van diamantkwantumsensoren | Wetenschappelijke rapporten (nature.com)