Solusi Desain Praktis untuk Meningkatkan Penginderaan Arus Tanpa Kontak pada Kendaraan Listrik

Industri otomotif bergerak di luar mobil komuter listrik kecil dan sekarang menawarkan berbagai model untuk memenuhi berbagai kebutuhan yang semakin meningkat, dari transportasi keluarga hingga olahraga dan rekreasi. Kendaraan ini biasanya lebih besar dan, akibatnya, lebih berat dari model EV sebelumnya. Ini membutuhkan motor listrik yang lebih besar yang, pada gilirannya, mengkonsumsi lebih banyak daya. Apakah kendaraan tersebut full-electric, plugin hybrid, atau mild hybrid, tingkat tegangan dan arus yang terlibat cukup besar. Dalam kebanyakan kasus, baterai harus memasok ratusan volt untuk mencapai pengalaman berkendara yang diperlukan untuk membawa kendaraan listrik ke tingkat kinerja berikutnya. Karena itu, memantau dengan cermat volume arus yang mengalir ke motor menjadi fungsi yang sangat penting bagi produsen otomotif.

Tantangan Pengukuran Arus yang Akurat di Lingkungan EV

Pergeseran dari pembakaran internal menuju drivetrain listrik menimbulkan banyak tantangan baru bagi para insinyur dari berbagai disiplin ilmu. Untuk insinyur sistem, tantangannya adalah menyeimbangkan rasio daya-terhadap-berat, sementara insinyur listrik dan elektronik perlu fokus pada manajemen daya. Lebih banyak daya berarti kendaraan yang lebih cepat dan lebih responsif — tetapi menggunakan terlalu banyak daya, terlalu cepat, menyebabkan sumber daya cepat habis dan jangkauan berkurang. Oleh karena itu, setiap bagian dari desain harus dioptimalkan.

Kunci manajemen daya adalah pengukuran yang akurat — sensor arus adalah EV yang setara dengan sensor aliran bahan bakar di kendaraan konvensional. Pengukuran arus dapat dengan mudah dicapai dengan menggunakan shunt, atau resistor bernilai rendah. Semakin tinggi arus, semakin besar shunt, sehingga mengukur arus dengan besaran yang diperlukan untuk motor listrik yang bertenaga akan membutuhkan shunt besar secara fisik yang berat dan mahal.

Penginderaan arus tanpa kontak memberikan alternatif yang menarik untuk resistor shunt. Berdasarkan magneto-resistif, atau efek Hall, ia mengambil keuntungan dari medan elektromagnetik yang dihasilkan saat arus melewati konduktor. Karena ukurannya yang lebih kecil, sifatnya yang tidak mengganggu, dan isolasi galvanik yang melekat, penginderaan arus tanpa kontak dengan cepat menjadi pendekatan pengukuran arus pilihan untuk produsen kendaraan listrik.

Jenis Sensor Tanpa Kontak untuk Aplikasi Otomotif

Besarnya medan magnet yang mengelilingi penghantar sebanding dengan arus yang mengalir, tetapi bahkan dengan arus yang besar, kuat medannya masih relatif kecil. Meskipun elemen penginderaan Hall bisa sangat sensitif, sensitivitas ini juga membuat mereka rentan membaca medan elektromagnetik yang menyimpang atau latar belakang. Untungnya, distorsi ini dapat dikurangi dengan melindungi atau menerapkan teknik kompensasi.

Namun, kompensasi untuk semua bentuk EMI yang menyimpang akan menuntut pemahaman yang mendalam tentang semua berbagai sumber gangguan, yang akan menjadi tantangan. Pendekatan paling sederhana dan bisa dibilang lebih kuat adalah memilih sensor arus nirsentuh yang menawarkan kekebalan bawaan terhadap medan liar.

Secara umum, ada tiga pendekatan untuk penginderaan arus nirkontak, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Ini termasuk sensor berbasis inti, sensor berbentuk U, dan sensor terlindung 'sandwich' simetris. Sementara membandingkan ketiganya sulit karena jumlah variabel yang disajikan oleh aplikasi unik, akan berguna untuk mengukur kinerja berdasarkan skenario tipikal. Dalam hal ini, sensor dievaluasi menggunakan busbar dengan lebar 20 mm kali tebal 2,5 mm dengan penampang persegi panjang, membawa 1000 A.

Sensor Arus Nirkontak Berbasis Inti

Dalam sensor berbasis inti, konsentrator fluks diposisikan di sekitar material yang membawa arus yang akan diukur. Bentuk melingkar dari konsentrator terganggu oleh celah udara kecil, di mana sensor medan magnet ditempatkan. Inti membantu memfokuskan fluks yang disebabkan oleh arus yang mengalir di busbar ke sensor.

Sensitivitas sensor terhadap fluks yang dihasilkan oleh aliran arus tergantung pada beberapa faktor. Yang pertama adalah ukuran celah udara, karena celah udara yang lebih kecil memungkinkan jumlah fluks yang lebih tinggi untuk mencapai sensor. Oleh karena itu, sensor yang lebih kecil akan memungkinkan celah udara yang lebih kecil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dalam percobaan ini, arus 1000 A menghasilkan sensor yang mencatat kerapatan fluks 200 mT. Sebagai perbandingan, jika tidak ada inti, sensor yang sama akan mencatat kerapatan fluks hanya 20 mT. Sensor yang cocok untuk konfigurasi ini termasuk HAL 24xy dari TDK.

Untuk mengukur kekebalan konfigurasi ini terhadap medan liar, simulasi dilakukan dengan asumsi medan eksternal dengan kerapatan fluks 5 mT. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 2, menunjukkan bagaimana medan magnet dilatih oleh bentuk inti untuk mengalir melalui sensor. Dengan adanya medan eksternal, kemampuan sensor untuk secara akurat mendeteksi medan yang dihasilkan oleh aliran arus berkurang 40 kali lipat. Kesimpulannya di sini adalah bahwa sensor berbasis inti menawarkan tingkat perlindungan yang baik dari sumber EMI lain, dan dengan tingkat pengkondisian sinyal yang sesuai, efeknya dapat dikurangi lebih lanjut. Dalam hal ini, masuk akal untuk mengharapkan kesalahan offset hanya skala penuh 0,06%.

Namun, pendekatan berbasis inti memiliki kelemahan karena relatif sulit dipasang, karena busbar harus melewati inti, sedangkan sensor harus ditempatkan di celah udara. Selanjutnya, untuk menghindari kejenuhan dari aliran arus yang besar, inti juga harus besar secara fisik. Selain itu, jumlah bahan sensitif magnetis yang digunakan dalam inti itu sendiri dapat menyebabkannya menjadi sumber kesalahan dan interferensi histeris.

Sensor arus berbentuk U mengatasi banyak kelemahan ini.

Sensor Arus Terlindung Berbentuk U

Seperti namanya, sensor berbentuk U memiliki celah udara yang lebih besar, tetapi masih menawarkan tingkat perlindungan dari EMI yang menyimpang. Sensor mendapat manfaat dari pelindung di tiga sisinya berkat penggunaan bahan magnet yang lembut. Bentuk konsentrator membuat perakitan lebih mudah daripada konfigurasi berbasis inti, karena sensor itu sendiri dapat diposisikan di atas busbar, dipasang pada papan sirkuit cetak kecil.

Gaya sensor terlindung ini akan memiliki sensitivitas yang lebih rendah daripada pendekatan berbasis inti, yang merupakan salah satu trade-off yang harus dipertimbangkan oleh para insinyur ketika memilih desain yang paling tepat untuk aplikasi mereka. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, dengan 1000 A mengalir melalui busbar, sensor mendeteksi kerapatan fluks magnet 50 mT, sesuai dengan penguatan 2.

Keuntungan rendah memiliki keuntungan, namun. Ini berarti hampir semua sensor dapat digunakan, seperti HAL 24xy, atau sensor loop tertutup CUR 423x berdasarkan tunnel-magneto resistance (TMR) dari TDK. Selain itu, karena konsentrasi medan magnet lebih sedikit, ketebalan bahan pelindung dapat dioptimalkan untuk ruang, berat, dan biaya.

Seperti yang ditunjukkan Gambar 3, medan sekali lagi diarahkan di sekitar pelindung; namun, dalam konfigurasi ini, kesalahan offset yang disebabkan oleh medan nyasar adalah 0,55% skala penuh. Menyesuaikan bentuk pelindung dan ruang di sekitar sensor dapat memperbaiki kesalahan offset ini.

Solusi berbasis inti adalah simetris dalam hal kerentanan, sedangkan konfigurasi berbentuk U adalah asimetris. Ini berarti bentuk-U lebih rentan terhadap bidang berorientasi vertikal daripada bidang horizontal. Ini adalah faktor lain yang perlu dipertimbangkan saat memilih dan menemukan sensor arus nirkontak. Namun, yang menguntungkannya, konfigurasi ini memiliki kesalahan histeris yang lebih rendah daripada sensor berbasis inti, karena ada lebih sedikit bahan magnetik. Sebaliknya, ukuran dan bentuk sensor sebagian besar masih diatur oleh tingkat perlindungan yang dibutuhkan.

Sensor terlindung simetris memberikan opsi lain, membawa manfaat baik dalam ukuran maupun kemampuan melindungi.

Sensor Arus dengan Pelindung Simetris

Untuk aplikasi yang memerlukan tingkat pelindung yang lebih tinggi dengan biaya sensitivitas, konfigurasi sandwich — terlindung secara simetris mungkin paling tepat. Dalam pendekatan ini, sensor terletak di tengah di atas busbar, seperti pada pendekatan berbentuk U. Namun, dalam konfigurasi ini, sensor dilindungi menggunakan dua potong bahan magnet lunak; satu bagian berada di atas sensor sedangkan yang kedua ditempatkan di bawah busbar. Dengan cara ini, bidang yang dihasilkan oleh busbar dan setiap EMI yang menyimpang diarahkan melintasi bidang pengukuran sensor.

Ini menghasilkan penguatan 0,3, seperti yang ditunjukkan pada hasil simulasi pada Gambar 4, yang berarti bahwa untuk arus yang sama sebesar 1000 A, sensor hanya mengukur 7,8 mT. Hal ini menunjukkan redaman sebesar 70%. Oleh karena itu, hanya sensor dengan tingkat sensitivitas tinggi, seperti sensor TDK CUR 423x TMR, yang dapat digunakan.

Manfaat utama dari konfigurasi ini adalah tingkat perlindungan yang relatif tinggi yang ditawarkannya jika dibandingkan dengan konfigurasi berbasis inti dan berbentuk U. Selain itu, saat sinyal dilemahkan dan digabungkan dengan EMI nyasar, hasilnya masih berupa kesalahan offset hanya 0,51% FS, yang sebanding dengan pendekatan berbentuk U tetapi tanpa kerugian yang ditimbulkan oleh konfigurasi.

Keuntungan terbesar dari konfigurasi perisai simetris adalah bahwa kesalahan histeris dapat sepenuhnya dikompensasi. Ini karena medan di masing-masing dari dua bahan magnet lunak yang digunakan dalam perisai memiliki orientasi medan yang berlawanan. Dengan desain yang cermat, kedua pelindung dapat secara efektif menghilangkan medan magnet sisa yang diciptakan oleh aliran arus.

Manfaat utama lain dari pendekatan ini adalah ukurannya. Ukuran implementasi sensor lengkap tidak lagi ditentukan oleh ukuran konsentrator fluks atau pelindung. Ini berarti pendekatan terlindung simetris dapat dioptimalkan untuk ukuran, berat, dan biaya, berapa pun ukuran busbar atau arus yang diukur.

Kesimpulan

Sementara ketiga solusi yang disajikan di sini memiliki manfaat relatif, aplikasi pada akhirnya akan memengaruhi pilihan. Jika diperlukan tingkat kekebalan yang tinggi, desain berbasis inti sulit untuk dilampaui. Jika kesalahan histeresis rendah dan ukuran kecil merupakan faktor pendorong, maka konfigurasi sensor terlindung simetris kemungkinan akan disukai. Hasil yang disajikan pada Tabel 1 memberikan gambaran yang baik dari diskusi.

Permintaan untuk sensor arus nirkontak yang kuat, hemat biaya, dan andal pada kendaraan listrik semakin meningkat. Karena semakin banyak produsen memperluas penawaran produk mereka di area ini, konsumen dapat menikmati manfaat yang disediakan oleh drivetrain listrik sepenuhnya atau sebagian.

Artikel ini ditulis oleh Lukas Klar, Application Engineer, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Jerman). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Klar di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya. atau kunjungi di sini .