電気自動車の非接触電流検出を改善するための実用的な設計ソリューション

自動車業界は小型の電気自動車を超えて、家族の移動からスポーツやレクリエーションまで、ますます幅広いニーズに対応するためにさまざまなモデルを提供しています。これらの車両は通常、以前のEVモデルよりも大きく、その結果、重量があります。これらはより大きな電気モーターを必要とし、それは今度はより多くの電力を消費します。車両がフルエレクトリック、プラグインハイブリッド、マイルドハイブリッドのいずれであっても、関係する電圧と電流のレベルはかなりのものです。ほとんどの場合、電気自動車を次のレベルのパフォーマンスに引き上げるために必要な運転体験を実現するには、バッテリーが数百ボルトを供給しなければなりません。このため、モーターに流れる電流の量を注意深く監視することは、自動車メーカーにとって非常に重要な機能になりつつあります。

EV環境における正確な電流測定の課題

内燃機関から電気駆動列への移行は、複数の分野のエンジニアに多くの新しい課題をもたらします。システムエンジニアにとっての課題は、パワーウェイトレシオのバランスを取ることですが、電気および電子エンジニアは電力管理に集中する必要があります。 Mor-eパワーとは、より高速で応答性の高い車両を意味しますが、パワーを使いすぎると、電源が急速に消耗し、航続距離が短くなります。したがって、設計のすべての部分を最適化する必要があります。

電力管理の鍵は正確な測定です。電流センサーは、従来の車両の燃料流量センサーと同等のEVです。電流測定は、シャントまたは値の小さい抵抗を使用して簡単に実行できます。電流が大きいほどシャントが大きくなるため、強力な電気モーターに必要な大きさの電流を測定するには、重くて高価な物理的に大きなシャントが必要になります。

非接触電流検出は、シャント抵抗の魅力的な代替手段を提供します。磁気抵抗効果またはホール効果に基づいて、電流が導体を通過するときに生成される電磁界を利用します。サイズが小さく、邪魔にならない性質があり、固有のガルバニック絶縁があるため、非接触電流検出は、電気自動車メーカーにとって急速に好ましい電流測定アプローチになりつつあります。

自動車用途向けの非接触センサータイプ

導体を取り巻く磁界の大きさは流れる電流に比例しますが、大電流でも磁界の強さは比較的小さくなります。ホール検出素子は非常に感度が高い場合がありますが、この感度により、漂遊電磁場やバックグラウンド電磁場を読み取る傾向があります。幸い、この歪みは、シールドまたは補償技術を適用することで減らすことができます。

ただし、あらゆる形態の漂遊EMIを補償するには、さまざまな干渉源すべてを深く理解する必要があり、これは困難です。最も単純で間違いなくより堅牢なアプローチは、漂遊電界に対する固有の耐性を提供する非接触電流センサーを選択することです。

一般に、図1に示すように、非接触電流検出には3つのアプローチがあります。これらには、コアベースのセンサー、U字型センサー、および対称「サンドイッチ」シールドセンサーが含まれます。固有のアプリケーションによって提示される変数の数のために3つすべてを比較することは困難ですが、一般的なシナリオに基づいてパフォーマンスを測定することは有用です。この例では、センサーは、幅20 mm、厚さ2.5 mmの長方形の断面を持ち、1000Aを運ぶバスバーを使用して評価されました。

コアベースの非接触電流センサー

コアベースのセンサーでは、フラックスコンセントレーターが測定される電流を運ぶ材料の周りに配置されます。コンセントレータの円形は、磁場センサーが配置されている小さなエアギャップによって中断されています。コアは、バスバーを流れる電流によって引き起こされた磁束をセンサーに集中させるのに役立ちます。

電流の流れによって生成される磁束に対するセンサーの感度は、いくつかの要因に依存します。これらの最初のものはエアギャップのサイズです。エアギャップが小さいほど、センサーに到達するフラックスの量が多くなるためです。したがって、センサーが小さいほどエアギャップが小さくなります。図2に示すように、この実験では、1000 Aの電流により、センサーは200mTの磁束密度を記録します。比較すると、コアが存在しない場合、同じセンサーはわずか20mTの磁束密度を記録します。この構成に適したセンサーには、TDKのHAL24xyが含まれます。

漂遊電界に対するこの構成の耐性を測定するために、磁束密度が5mTの外部電界を想定してシミュレーションを実行しました。結果を図2に示します。これは、センサーを通過するようにコアの形状によって磁場がどのように調整されるかを示しています。外部フィールドが存在する場合、電流の流れによって生成されるフィールドを正確に検出するセンサーの能力は40分の1に減少します。ここでの結論は、コアベースのセンサーが他のEMIソースからの良好なレベルのシールドを提供し、適切なレベルの信号調整により、その影響をさらに軽減できます。この場合、フルスケールでわずか0.06％のオフセットエラーを予想するのが妥当です。

ただし、コアベースのアプローチには、センサーをエアギャップに配置する必要がある一方で、バスバーがコアを通過する必要があるため、取り付けが比較的難しいという欠点があります。さらに、大電流による飽和を避けるために、コアも物理的に大きくする必要があります。これに加えて、コア自体に使用される磁気に敏感な材料の量は、ヒステリシスエラーと干渉の原因となる可能性があります。

U字型電流センサーはこれらの欠点の多くに対処します。

U字型シールド電流センサー

名前が示すように、U字型センサーはより大きなエアギャップを備えていますが、それでも漂遊EMIからある程度のシールドを提供します。センサーは、軟磁性材料を使用しているため、3つの側面がシールドされているという利点があります。センサー自体をバスバーの上に配置し、小さなプリント回路基板に取り付けることができるため、コンセントレーターの形状により、コアベースの構成よりも組み立てが簡単になります。

このスタイルのシールドセンサーは、コアベースのアプローチよりも感度が低くなります。これは、エンジニアがアプリケーションに最適な設計を選択する際に考慮しなければならないトレードオフの1つです。図3に示すように、バスバーに1000 Aが流れると、センサーはゲイン2に対応する50mTの磁束密度を検出しました。

ただし、低ゲインには利点があります。これは、HAL 24xyや、TDKのトンネル磁気抵抗（TMR）に基づくCUR 423x閉ループセンサーなど、ほぼすべてのセンサーを使用できることを意味します。また、磁場の集中が少ないため、シールド材の厚さをスペース、重量、コストに合わせて最適化できます。

図3に示すように、フィールドは再びシールドの周りに向けられます。ただし、この構成では、漂遊磁場によって引き起こされるオフセット誤差は0.55％フルスケールです。シールドの形状とセンサーの周囲のスペースを調整すると、このオフセットエラーを改善できます。

コアベースのソリューションは磁化率に関して対称的ですが、U字型の構成は非対称的です。これは、U字型が水平方向のフィールドよりも垂直方向のフィールドの影響を受けやすいことを意味します。これは、非接触電流センサーを選択して配置するときに考慮すべきもう1つの要素です。ただし、この構成では、磁性材料が少ないため、コアベースのセンサーよりもヒステリシス誤差が低くなります。逆に、センサーのサイズと形状は、依然として必要なシールドのレベルによって大きく左右されます。

対称的にシールドされたセンサーは、さらに別のオプションを提供し、サイズとシールド能力の両方にメリットをもたらします。

対称シールド付き電流センサー

感度を犠牲にしてより高いレベルのシールドを必要とするアプリケーションの場合、対称的にシールドされた（サンドイッチ）構成が最も適切な場合があります。このアプローチでは、U字型のアプローチと同様に、センサーはバスバーの中央に配置されます。ただし、この構成では、センサーは2枚の軟磁性材料を使用してシールドされています。 1つはセンサーの上にあり、もう1つはバスバーの下にあります。このようにして、バスバーによって生成されたフィールドと漂遊EMIの両方が、センサーの測定面を横切って方向付けられます。

これにより、図4のシミュレーション結果に示すように、0.3のゲインが得られます。これは、1000 Aの同じ電流に対して、センサーがわずか7.8mTを測定することを意味します。これは、70％の減衰を示しています。このため、TDKのCUR423xTMRセンサーなどの感度レベルの高いセンサーのみを使用できます。

この構成の主な利点は、コアベースのU字型構成と比較した場合に提供されるシールドのレベルが比較的高いことです。また、信号が減衰され、漂遊EMIと組み合わされても、結果は0.51％FSのオフセット誤差になります。これは、U字型のアプローチに匹敵しますが、構成による欠点はありません。

対称シールド構成の最大の利点は、ヒステリシス誤差を完全に補償できることです。これは、シールドに使用されている2つの軟磁性材料のそれぞれの磁場が反対の磁場方向を持っているためです。注意深く設計することにより、2つのシールドは、電流が流れることによって生成される残留磁場を効果的に打ち消すことができます。

このアプローチのもう1つの大きな利点は、そのサイズです。完全なセンサー実装のサイズは、フラックスコンセントレーターまたはシールドのサイズによって決定されなくなりました。これは、対称的にシールドされたアプローチが、バスバーのサイズや測定される電流に関係なく、サイズ、重量、およびコストに対して最適化できることを意味します。

結論

ここで紹介する3つのソリューションはすべて相対的な利点がありますが、最終的にはアプリケーションが選択に影響を与えます。高レベルのイミュニティが必要な場合、コアベースの設計を超えることは困難です。ヒステリシス誤差が低く、サイズが小さいことが推進要因である場合は、対称的にシールドされたセンサー構成が好まれる可能性があります。表1に示されている結果は、議論の良いスナップショットを提供します。

電気自動車における堅牢で費用効果が高く、信頼性の高い非接触電流検出の需要が高まっています。より多くのメーカーがこの分野で製品を提供するにつれて、消費者は完全または部分的に電気駆動列が提供する利点を享受できます。

この記事は、TDK Micronas（Freiburg im Breisgau、ドイツ）のアプリケーションエンジニアであるLukasKlarによって書かれました。詳細については、Klar氏にお問い合わせください。このメールアドレスはスパムボットから保護されています。表示するにはJavaScriptを有効にする必要があります。または、こちらにアクセスしてください 。