EVにおける非接触電流検知の高度化：実践的な設計ソリューション

自動車業界は小型の電気コミューターカーの枠を超え、ファミリー輸送からスポーツ・レクリエーションまで、多様なニーズに応えるさまざまなモデルを提供するようになりました。これらの車両は通常、初期のEVモデルよりも大型で、その結果、より重くなっています。これにはより大型の電気モーターが必要となり、それに伴いより多くの電力を消費します。フル電気、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、関わる電圧と電流レベルは相当なものです。ほとんどの場合、バッテリーは数百ボルトを供給し、電気自動車を次のパフォーマンスレベルに引き上げるために必要なドライビング体験を実現しなければなりません。そのため、モーターに流れる電流量を綿密に監視することは、自動車メーカーにとって極めて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系へのシフトは、複数の分野のエンジニアに多くの新たな課題を突きつけています。システムエンジニアにとっての課題は、電力重量比のバランスを取ることであり、電気・電子エンジニアは電力管理に注力する必要があります。より多くの電力は、より速く、より応答性の高い車両を意味しますが、短時間に過剰な電力を使用すると、電源が急速に枯渇し、航続距離が短くなります。したがって、設計のあらゆる部分を最適化することが不可欠です。

電力管理の鍵は正確な測定にあります。電流センサーは、従来車両における燃料流量センサーに相当します。電流測定は、シャント（低抵抗抵抗器）を使用して容易に実現できます。電流が大きいほどシャントも大きくなるため、強力な電気モーターに必要なレベルの電流を測定するには、物理的に大きく、重く、高価なシャントが必要になります。

非接触電流検知は、シャント抵抗器に代わる魅力的な選択肢です。磁気抵抗効果またはホール効果に基づき、電流が導体を通過する際に生成される電磁界を利用します。小型、非侵襲的、固有のガルバニック絶縁といった特性により、非接触電流検知は電気自動車メーカーにとって急速に優先される電流測定アプローチとなっています。

自動車アプリケーション向け非接触センサーのタイプ

導体を取り巻く磁界の大きさは電流に比例しますが、大電流でも磁界強度はまだ比較的小さいです。ホール検出素子は非常に高感度にできますが、この感度ゆえに迷走電磁界や背景電磁界を読み取りやすくなります。幸い、この歪みはシールドや補償技術の適用によって軽減できます。

しかし、あらゆる形の迷走EMIを補償するには、干渉源すべてを深く理解する必要があり、それは困難です。最もシンプルで、おそらくより堅牢なアプローチは、迷走電界に対する固有の耐性を備えた非接触電流センサーを選択することです。

一般的に、非接触電流検知には3つのアプローチがあります（図1参照）。これらはコアベースセンサー、U字型センサー、対称「サンドイッチ」シールドセンサーです。独自のアプリケーションが提示する変数の数が多いため、すべてを比較するのは困難ですが、典型的なシナリオに基づいて性能を測定することは有用です。ここでは、幅20mm、厚さ2.5mmの矩形断面バスバーに1000Aを流す条件で、各センサーを評価しました。

コアベース非接触電流センサー

コアベースセンサーでは、測定対象の電流を流す材料の周りにフラックスコンセントレーターを配置します。コンセントレーターの円形は小さなエアギャップによって中断され、そこに磁界センサーが配置されます。コアは、バスバーを流れる電流によって誘導される磁束をセンサーに集中させる役割を果たします。

電流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。最初の要因はエアギャップのサイズで、エアギャップが小さいほどより多くの磁束がセンサーに到達します。したがって、より小型のセンサーであれば、より小さなエアギャップが可能になります。図2に示すように、この実験では1000Aの電流により、センサーは200mTの磁束密度を検出しました。比較のために、コアが存在しない場合、同じセンサーではわずか20mTの磁束密度しか検出されません。この構成に適したセンサーには、TDKのHAL 24xyなどがあります。

この構成の迷走電界に対する耐性を測定するため、磁束密度5mTの外部電界を想定したシミュレーションを実施しました。結果は図2に示す通りで、磁界がコアの形状によって整えられ、センサーを通過する様子がわかります。外部電界が存在する場合、電流によって生成される電界を正確に検出するセンサーの能力は40分の1に低下します。結論として、コアベースセンサーは他のEMIソースからの優れたシールドレベルを提供し、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、フルスケールの0.06%というオフセット誤差が期待できます。

しかし、コアベースアプローチには、バスバーをコアに通す必要があり、センサーをエアギャップに配置しなければならないため、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、コアも物理的に大きくする必要があります。また、コア自体に使用される磁気感受性材料の量が、ヒステリシス誤差と干渉の発生源に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

名前が示す通り、U字型センサーはより大きなエアギャップを持ちながら、迷走EMIからの一定程度のシールドを提供します。センサーは、軟磁性材料の使用により、3方向からシールドされています。コンセントレーターの形状により、センサー自体をバスバーの上方に配置し、小さなプリント基板に実装できるため、コアベース構成よりも組み立てが容易です。

このタイプのシールドセンサーは、コアベース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1000Aを流した場合、センサーは50mTの磁束密度を検出し、ゲインは2に相当します。

低ゲインにはメリットもあります。ほぼあらゆるセンサーが使用可能で、TDKのHAL 24xyや、トンネル磁気抵抗（TMR）ベースのCUR 423xクローズドループセンサーなどが使用できます。また、磁界の集中度が低いため、シールド材の厚さをスペース、重量、コストの観点で最適化できます。

図3に示すように、電界は再びシールド周りを導かれます。しかし、この構成では、迷走電界によるオフセット誤差はフルスケールの0.55%です。シールドの形状とセンサー周りのスペースを調整することで、このオフセット誤差を改善できます。

コアベースソリューションは感受性の点からは対称的ですが、U字型構成は非対称です。これは、U字型が水平方向の電界よりも垂直方向の電界に対してより感受性が高いことを意味します。これは、非接触電流センサーの選択と配置時に考慮すべきもう1つの要因です。一方、この構成はコアベースセンサーよりもヒステリシス誤差が低く、磁性材料が少ないためです。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レベルによって大きく左右されます。

対称シールドセンサーは、サイズとシールド能力の両面でメリットをもたらす、もう1つの選択肢を提供します。

対称シールドを持つ電流センサー

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には、対称シールド、すなわちサンドイッチ構成が最も適している可能性があります。このアプローチでは、U字型アプローチと同様に、センサーをバスバーの中央上方に配置します。しかし、この構成では、センサーは2枚の軟磁性材料でシールドされます。1枚はセンサーの上に、もう1枚はバスバーの下に配置されます。これにより、バスバーによって生成される電界と迷走EMIの両方が、センサーの測定面を横切るように導かれます。

シミュレーション結果の図4に示すように、これによりゲインは0.3となり、同じ1000Aの電流に対して、センサーはわずか7.8mTを測定します。これは70%の減衰を示します。このため、TDKのCUR 423x TMRセンサーのような高感度センサーのみが使用可能です。

この構成の最大のメリットは、コアベースおよびU字型構成と比較して、比較的高いレベルのシールドを提供することです。また、信号は減衰し、迷走EMIと組み合わされますが、その結果としてのオフセット誤差はわずか0.51% FSで、U字型アプローチと同等ですが、その構成の欠点はありません。

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る2枚の軟磁性材料の電界が相反する方向を持つためです。慎重な設計により、2つのシールドが電流によって生成される残留磁界を効果的に打ち消し合うことができます。

このアプローチのもう1つの大きなメリットはそのサイズです。完全なセンサー実装のサイズが、フラックスコンセントレーターやシールドのサイズによって決まらなくなります。つまり、対称シールドアプローチは、バスバーのサイズや測定電流に関わらず、サイズ、重量、コストの観点で最適化できます。

結論

ここに示した3つのソリューションはすべて、それぞれ相対的なメリットを持っていますが、最終的にはアプリケーションが選択を左右します。高いレベルの耐性が必要な場合、コアベース設計を超えるのは困難です。低ヒステリシス誤差と小型化が決定要因であれば、対称シールドセンサー構成が好まれるでしょう。表1に示す結果は、この議論の良いまとめを提供しています。

電気自動車における堅牢でコスト効率が良く、信頼性の高い非接触電流検知への需要は高まっています。より多くのメーカーがこの分野で製品展開を拡大するにつれ、消費者はフルまたは部分的な電気駆動系が提供するメリットを享受できるようになります。

本記事は、TDK Micronas（ドイツ、フライブルク）のアプリケーションエンジニア、Lukas Klar氏によって執筆されました。詳細については、 をご覧ください。