Meningkatkan Pengarus Arus Kontakles di Kendaraan Listrik: Solusi Desain Praktis
Meningkatkan Pengarus Arus Kontakles di Kendaraan Listrik: Solusi Desain Praktis
Industri otomotif Bergerak melampaui mobil komuter listrik kecil dan kini menawarkan berbagai model untuk memenuhi rentang kebutuhan yang meningkat, dari transportasi keluarga hingga olahraga dan rekreasi. Kendaraan ini biasanya lebih besar dan, sebagai akibatnya, lebih berat dari model EV sebelumnya. Ini memerlukan motor listrik yang lebih besar yang, pada gilirannya, mengonsumsi lebih banyak daya. Apakah kendaraan full-electric, plugin hybrid, atau mild hybrid, tingkat tegangan dan arus yang terlibat cukup signifikan. Dalam kebanyakan kasus, baterai harus menyediakan ratusan volt untuk mencapai pengalaman berkendara yang diperlukan untuk membawa kendaraan listrik ke tingkat performa berikutnya. Karena ini, memantau dengan ketat 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 dalam menuju penggerak listrik menimbulkan banyak tantangan baru bagi insinyur dari berbagai disiplin ilmu. Untuk insinyur sistem, tantangan adalah menyeimbangkan rasio daya-berat, sementara insinyur listrik dan elektronik perlu fokus pada manajemen daya. Semakin banyak daya berarti kendaraan lebih cepat dan lebih responsif — tetapi menggunakan terlalu banyak daya, terlalu cepat, mengakibatkan sumber daya yang cepat habis dan jangkauan yang berkurang. Oleh karena itu, krusial bahwa setiap bagian desain harus dioptimalkan.
Kunci manajemen daya adalah pengukuran yang akurat — sensor arus adalah setara EV dengan sensor aliran bahan bakar di kendaraan konvensional. Pengukuran arus dapat dengan mudah dicapai menggunakan shunt, atau resistor nilai rendah. Semakin tinggi arus, semakin besar shunt, jadi mengukur arus dengan magnitudo yang diperlukan untuk motor listrik yang kuat akan memerlukan shunt yang fisik besar yang berat dan mahal.
Pengarus arus kontakles memberikan alternatif yang menarik untuk resistor shunt. Berdasarkan magneto-resistive, atau efek Hall, ini memanfaatkan medan elektromagnetik yang dihasilkan saat arus melewati konduktor. Karena ukurannya yang lebih kecil, sifat non-intrusif, dan isolasi galvanik yang inherent, pengarus arus kontakles dengan cepat menjadi pendekatan pengukuran arus yang disukai bagi produsen kendaraan listrik.
Jenis Sensor Kontakles untuk Aplikasi Otomotif
Ukuran medan magnet yang mengelilingi konduktor berbanding lurus dengan arus yang mengalir, tetapi bahkan dengan arus besar, kekuatan medan masih relatif kecil. Meskipun elemen sensing Hall dapat sangat sensitif, sensitivitas ini juga membuatnya rawan untuk membaca medan elektromagnetik stray atau latar belakang. Untungnya, distorsi ini dapat diminimalkan melalui pelindungan atau penerapan teknik kompensasi.
Namun, mengkomensasi untuk semua bentuk EMI stray akan memerlukan pemahaman mendalam tentang semua sumber interferensi yang berbeda, yang akan tantangan. Pendekatan paling sederhana dan arguably lebih andal adalah memilih sensor arus kontakles yang menawarkan kekebalikan inherent terhadap medan stray.
Secara umum, ada tiga pendekatan untuk pengarus arus kontakles, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Ini mencakup sensor berbasis inti, sensor berupa U, dan sensor sandaran simetris 'sandwich' yang dilindungi. Sementara membandingkan ketiga ini sulit karena banyak variabel yang disajikan oleh aplikasi unik, berguna untuk mengukur performa berdasarkan skenario tipikal. Dalam hal ini, sensor dievaluasi menggunakan busbar lebar 20 mm dan tebal 2,5 mm dengan penampang persegi panjang, yang membawa 1000 A.
Sensor Arus Kontakles Berbasis Inti
Dalam sensor berbasis inti, konsentrator fluks diposisikan di sekitar bahan yang membawa arus yang akan diukur. Bentuk lingkaran konsentrator terganggu oleh celah udara kecil, di mana sensor medan magnet ditempatkan. Inti membantu memfokuskan fluks yang diinduksi oleh arus yang mengalir dalam busbar ke sensor.
Sensitivitas sensor terhadap fluks yang dihasilkan oleh aliran arus bergantung pada beberapa faktor. Yang pertama adalah ukuran celah udara, karena celah udara yang lebih kecil memungkinkan jumlah fluks yang lebih tinggi mencapai sensor. Maka dari itu, sensor yang lebih kecil akan memungkinkan celah udara yang lebih kecil. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2, dalam eksperimen ini, arus 1000 A menghasilkan sensor mencatat kepadatan fluks 200 mT. Untuk perbandingan, jika tidak ada inti yang hadir, sensor yang sama akan mencatat kepadatan fluks hanya 20 mT. Sensor yang cocok untuk konfigurasi ini termasuk HAL 24xy dari TDK.
Untuk mengukur kekebalian konfigurasi ini terhadap medan stray, simulasi dilakukan dengan asumsi medan eksternal dengan kepadatan fluks 5 mT. Hasilnya dapat dilihat dalam Gambar 2, yang menunjukkan bagaimana medan magnet dilatih oleh bentuk inti untuk mengalir melalui sensor. Dengan medan eksternal yang hadir, kemampuan sensor untuk secara akurat mendeteksi medan yang dihasilkan oleh aliran arus berkurang sebesar faktor 40. Kesimpulannya adalah sensor berbasis inti menawarkan tingkat pelindungan yang baik dari sumber EMI lainnya, dan dengan tingkat kondisi sinyal yang sesuai, efeknya dapat diminimalkan lebih lanjut. Dalam kasus ini, akan wajar untuk diharapkan kesalahan offset hanya 0,06% full scale.
Namun, pendekatan berbasis inti memiliki kelemahan dalam hal relatif sulit dipasang, karena busbar perlu melewati inti, sementara sensor harus berada di celah udara. Selain itu, untuk menghindari saturasi dari aliran arus besar, inti juga perlu fisik besar. Selain ini, jumlah bahan yang sensitif magnet yang digunakan dalam inti itu sendiri dapat menyebabkan inti menjadi sumber kesalah histeresis dan interferensi.
Sensor arus berupa U mengatasi banyak kelemahan ini.
Sensor Arus Berupa U yang Dilindungi
Seperti yang namanya saran, sensor berupa U memiliki celah udara yang lebih besar, tetapi masih menawarkan tingkat pelindungan dariEMI stray. Sensor mendapat manfaat pelindungan pada tiga sisinya berkat penggunaan bahan magnet lunak. Bentuk konsentrator membuat pemasangan lebih mudah dibandingkan konfigurasi berbasis inti, karena sensor itu sendiri dapat diposisikan di atas busbar, dipasang pada papan sirkuit cetak kecil.
Gaya sensor yang dilindungi ini akan memiliki sensitivitas yang lebih rendah dibandingkan pendekatan berbasis inti, yang merupakan salah satu trade-off yang harus dipertimbangkan insinyur saat memilih desain yang paling sesuai untuk aplikasi mereka. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3, dengan 1000 A mengalir melalui busbar, sensor mendeteksi kepadatan fluks magnet 50 mT, sesuai dengan gain 2.
Gain rendah memiliki manfaatnya, bagaimanapun. Ini berarti hampir semua sensor dapat digunakan, seperti HAL 24xy, atau sensor CUR 423x closed-loop berdasarkan tunnel-magneto resistance (TMR) dari TDK. Selain itu, karena ada konsentrasi medan magnet yang lebih rendah, ketebalan bahan pelindung dapat dioptimalkan untuk ruang, berat, dan biaya.
Seperti yang ditunjukkan Gambar 3, medan kembali diarahkan di sekitar pelindung; namun, dalam konfigurasi ini, kesalahan offset yang disebabkan oleh medan stray adalah 0,55% full scale. Menyesuaikan bentuk pelindung dan ruang di sekitar sensor dapat meningkatkan kesalahan offset ini.
Solusi berbasis inti simetris dalam hal kerentanan, sementara konfigurasi berupa U tidak simetris. Ini berarti berupa U lebih rentan terhadap medan yang berorientasi vertikal dibandingkan medan horizontal. Ini adalah faktor lain yang harus dipertimbangkan saat memilih dan menempatkan sensor arus kontakles. Namun, dalam hal ini, konfigurasi ini memiliki kesalahan histeresis yang lebih rendah dibandingkan sensor berbasis inti, karena ada bahan magnet yang lebih sedikit. Sebaliknya, ukuran dan bentuk sensor masih sangat dipengaruhi oleh tingkat pelindungan yang diperlukan.
Sensor yang dilindungi simetris memberikan opsi lain, membawa manfaat baik dalam ukuran maupun kemampuan pelindungan.
Sensor Arus dengan Pelindungan Simetris
Untuk aplikasi yang memerlukan tingkat pelindungan yang lebih tinggi dengan biaya sensitivitas, konfigurasi sandaran simetris — sandwich — mungkin paling sesuai. Dalam pendekatan ini, sensor terletak secara terpusat di atas busbar, seperti pendekatan berupa U. Namun, dalam konfigurasi ini, sensor dilindungi menggunakan dua potong bahan magnet lunak; satu potong berada di atas sensor sementara yang kedua ditempatkan di bawah busbar. Dengan cara ini, medan yang dihasilkan oleh busbar danEMI stray lainnya diarahkan melalui bidang pengukuran sensor.
Ini menghasilkan gain 0,3, seperti yang ditunjukkan dalam hasil simulasi dalam Gambar 4, yang berarti untuk arus yang sama 1000 A, sensor mengukur hanya 7,8 mT. Ini menunjukkan attenuasi 70%. Karena ini, hanya sensor dengan tingkat sensitivitas yang tinggi, seperti sensor TMR CUR 423x TDK, yang dapat digunakan.
Keuntungan utama konfigurasi ini adalah tingkat pelindungan yang relatif tinggi dibandingkan konfigurasi berbasis inti dan berupa U. Selain itu, meskipun sinyal diattenuasi dan digabungkan denganEMI stray, hasilnya masih merupakan kesalahan offset hanya 0,51% FS, yang sebanding dengan pendekatan berupa U namun tanpa kelemahan yang dibawa konfigurasi tersebut.
Keuntungan terbesar konfigurasi pelindungan simetris adalah kesalahan histeresis dapat sepenuhnya dikompensasi. Ini karena medan dalam masing-masing dua bahan magnet lunak yang digunakan dalam pelindung memiliki orientasi medan yang berlawanan. Dengan desain yang cermat, dua pelindung dapat secara efektif membatalkan medan magnet sisa yang dihasilkan oleh aliran arus.
Manfaat utama lain pendekatan ini adalah ukurannya. Ukuran implementasi sensor lengkap tidak lagi ditentukan oleh ukuran konsentrator fluks atau pelindung. Ini berarti pendekatan pelindungan simetris dapat dioptimalkan untuk ukuran, berat, dan biaya, terlepas dari ukuran busbar atau arus yang diukur.
Kesimpulan
Meskipun ketiga solusi yang disajikan di sini memiliki keuntungan relatif masing-masing, aplikasi pada akhirnya akan mempengaruhi pilihan. Jika diperlukan tingkat kekebalian yang tinggi, desain berbasis inti sulit untuk diungguli. Jika kesalahan histeresis rendah dan ukuran kecil menjadi faktor pendorong, maka konfigurasi sensor pelindungan simetris kemungkinan akan diutamakan. Hasil yang disajikan dalam Tabel 1 memberikan gambaran yang baik dari diskusi ini.
Permintaan akan pengarus arus kontakles yang andal, hemat biaya, dan terpercaya di kendaraan listrik semakin meningkat. Seiring lebih banyak produsen memperluas tawaran produk mereka di bidang ini, konsumen dapat menikmati manfaat yang diberikan oleh penggerak listrik sepenuhnya atau sebagian.
Artikel ini ditulis oleh Lukas Klar, application Engineer, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Jerman). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Bapak Klar di alamat email ini atau kunjungi di sini.
