전기 자동차의 비접촉 전류 감지를 개선하기 위한 실용적인 설계 솔루션

자동차 산업은 소형 전기 통근 자동차를 넘어 이제 가족 운송에서 스포츠 및 레크리에이션에 이르기까지 증가하는 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 모델을 제공하고 있습니다. 이러한 차량은 일반적으로 이전 EV 모델보다 더 크고 결과적으로 더 무겁습니다. 이를 위해서는 더 큰 전기 모터가 필요하며, 이는 차례로 더 많은 전력을 소비합니다. 차량이 완전 전기, 플러그인 하이브리드 또는 마일드 하이브리드인지에 관계없이 관련된 전압 및 전류 수준이 상당합니다. 대부분의 경우 배터리는 전기 자동차를 한 차원 높은 수준으로 끌어올리는 데 필요한 운전 경험을 달성하기 위해 수백 볼트를 공급해야 합니다. 이 때문에 모터에 흐르는 전류의 양을 면밀히 모니터링하는 것은 자동차 제조업체에게 매우 중요한 기능이 되고 있습니다.

EV 환경에서 정확한 전류 측정의 과제

내연기관에서 전기 구동계로의 전환은 여러 분야의 엔지니어에게 많은 새로운 과제를 안겨줍니다. 시스템 엔지니어에게 도전 과제는 전력 대 중량 비율의 균형을 맞추는 것이며 전기 및 전자 엔지니어는 전력 관리에 집중해야 합니다. 더 많은 전력은 더 빠르고 반응성이 좋은 차량을 의미합니다. 하지만 너무 많은 전력을 너무 빨리 사용하면 전원이 빠르게 고갈되고 범위가 줄어듭니다. 따라서 설계의 모든 부분을 최적화하는 것이 중요합니다.

전력 관리의 핵심은 정확한 측정입니다. 전류 센서는 기존 차량의 연료 흐름 센서와 동일한 EV입니다. 전류 측정은 션트 또는 낮은 값의 저항기를 사용하여 쉽게 달성할 수 있습니다. 전류가 높을수록 션트가 커지므로 강력한 전기 모터에 필요한 크기의 전류를 측정하려면 무겁고 값비싼 물리적으로 큰 션트가 필요합니다.

비접촉 전류 감지는 션트 저항에 대한 매력적인 대안을 제공합니다. 자기 저항 또는 홀 효과를 기반으로 전류가 도체를 통과할 때 생성되는 전자기장을 이용합니다. 더 작은 크기, 비침입적 특성 및 고유한 갈바닉 절연으로 인해 비접촉 전류 감지는 전기 자동차 제조업체가 선호하는 전류 측정 방식으로 빠르게 자리잡고 있습니다.

자동차 애플리케이션을 위한 비접촉 센서 유형

도체를 둘러싸고 있는 자기장의 크기는 흐르는 전류에 비례하지만 큰 전류에도 불구하고 자기장의 세기는 여전히 상대적으로 작습니다. 홀 감지 소자는 매우 민감할 수 있지만 이러한 감도는 또한 표유 또는 배경 전자기장을 읽는 경향이 있습니다. 다행스럽게도 이 왜곡은 차폐 또는 보정 기술을 적용하여 줄일 수 있습니다.

그러나 모든 형태의 표유 EMI를 보상하려면 다양한 간섭 소스에 대한 깊은 이해가 필요하며 이는 어려운 일입니다. 가장 간단하고 틀림없이 더 강력한 접근 방식은 표유 필드에 대한 고유한 내성을 제공하는 비접촉 전류 센서를 선택하는 것입니다.

일반적으로 그림 1과 같이 비접촉 전류 감지에는 세 가지 접근 방식이 있습니다. 여기에는 코어 기반 센서, U자형 센서 및 대칭형 '샌드위치' 차폐 센서가 포함됩니다. 고유한 응용 프로그램이 제시하는 변수의 수로 인해 세 가지를 모두 비교하는 것은 어렵지만 일반적인 시나리오를 기반으로 성능을 측정하는 것은 유용합니다. 이 예에서 센서는 1000A를 전달하는 직사각형 단면의 20mm 너비 x 2.5mm 두께의 버스바를 사용하여 평가되었습니다.

코어 기반 비접촉 전류 센서

코어 기반 센서에서 자속 집중기는 측정할 전류를 전달하는 물질 주위에 위치합니다. 집중기의 원형 모양은 자기장 센서가 배치되는 작은 에어 갭에 의해 중단됩니다. 코어는 버스바에 흐르는 전류에 의해 유도된 자속을 센서에 집중시키는 데 도움이 됩니다.

전류 흐름에 의해 생성된 플럭스에 대한 센서의 감도는 여러 요인에 따라 달라집니다. 첫 번째는 에어 갭의 크기입니다. 에어 갭이 작을수록 더 많은 양의 플럭스가 센서에 도달할 수 있기 때문입니다. 따라서 더 작은 센서는 더 작은 에어 갭을 허용합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 이 실험에서 1000A의 전류는 센서가 200mT의 자속 밀도를 등록하도록 합니다. 이에 비해 코어가 없는 경우 동일한 센서의 자속 밀도는 20mT에 불과합니다. 이 구성에 적합한 센서에는 TDK의 HAL 24xy가 포함됩니다.

표유 필드에 대한 이 구성의 내성을 측정하기 위해 5mT의 자속 밀도를 갖는 외부 필드를 가정하여 시뮬레이션을 수행했습니다. 결과는 그림 2에서 볼 수 있으며, 자기장이 센서를 통해 흐르도록 코어의 모양에 따라 어떻게 훈련되는지 보여줍니다. 외부 필드가 존재하면 전류 흐름에 의해 생성된 필드를 정확하게 감지하는 센서의 능력이 40배 감소합니다. 여기서 결론은 코어 기반 센서가 EMI의 다른 소스로부터 양호한 수준의 차폐를 제공한다는 것입니다. 적절한 수준의 신호 컨디셔닝을 통해 그 효과를 더욱 완화할 수 있습니다. 이 경우 전체 스케일의 0.06%에 불과한 오프셋 오류를 예상하는 것이 합리적입니다.

그러나 코어 기반 접근 방식은 버스바가 코어를 통과해야 하고 센서가 에어 갭에 위치해야 하기 때문에 장착이 상대적으로 어렵다는 단점이 있습니다. 또한 큰 전류 흐름으로 인한 포화를 피하기 위해 코어도 물리적으로 커야 합니다. 이 외에도 코어 자체에 사용된 자기적으로 민감한 재료의 양이 히스테리시스 오류 및 간섭의 원인이 될 수 있습니다.

U자형 전류 센서는 이러한 많은 단점을 해결합니다.

U자형 차폐 전류 센서

이름에서 알 수 있듯이 U자형 센서는 더 큰 에어 갭을 특징으로 하지만 여전히 표유 EMI로부터 어느 정도의 차폐를 제공합니다. 센서는 연자성 재료를 사용하여 3면이 차폐되는 이점이 있습니다. 집광기의 모양은 센서 자체를 버스바 위에 배치하고 작은 인쇄 회로 기판에 장착할 수 있으므로 코어 기반 구성보다 조립이 더 쉽습니다.

이러한 차폐 센서 스타일은 코어 기반 접근 방식보다 감도가 낮으며, 이는 엔지니어가 애플리케이션에 가장 적합한 설계를 선택할 때 고려해야 하는 절충 사항 중 하나입니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 버스바를 통해 흐르는 1000A에서 센서는 이득 2에 해당하는 50mT의 자속 밀도를 감지했습니다.

그러나 낮은 이득에는 이점이 있습니다. 이는 HAL 24xy 또는 TDK의 TMR(터널 자기 저항) 기반 CUR 423x 폐쇄 루프 센서와 같은 거의 모든 센서를 사용할 수 있음을 의미합니다. 또한 자기장의 집중도가 낮기 때문에 차폐재의 두께를 공간, 무게, 비용에 최적화할 수 있습니다.

그림 3에서 볼 수 있듯이 필드는 다시 한 번 차폐 주위로 향합니다. 그러나 이 구성에서 표유 필드로 인한 오프셋 오류는 0.55% 풀 스케일입니다. 차폐의 모양과 센서 주변의 공간을 조정하면 이 오프셋 오류를 개선할 수 있습니다.

코어 기반 솔루션은 취약성 측면에서 대칭인 반면 U자형 구성은 비대칭입니다. 이것은 U자 모양이 수평 필드보다 수직 방향 필드에 더 취약하다는 것을 의미합니다. 이것은 비접촉 전류 센서를 선택하고 찾을 때 고려해야 할 또 다른 요소입니다. 그러나 이 구성은 자성 물질이 적기 때문에 코어 기반 센서보다 히스테리시스 오류가 더 낮습니다. 반대로 센서의 크기와 모양은 여전히 ​​필요한 차폐 수준에 따라 크게 좌우됩니다.

대칭적으로 차폐된 센서는 크기와 차폐 능력 모두에서 이점을 제공하는 또 다른 옵션을 제공합니다.

대칭 차폐가 있는 전류 센서

감도를 희생하면서 더 높은 수준의 차폐가 필요한 애플리케이션의 경우 대칭 차폐(샌드위치) 구성이 가장 적합할 수 있습니다. 이 접근 방식에서 센서는 U자형 접근 방식과 마찬가지로 버스바 중앙에 위치합니다. 그러나 이 구성에서 센서는 두 개의 연자성 재료를 사용하여 차폐됩니다. 한 조각은 센서 위에 있고 두 번째 조각은 버스바 아래에 있습니다. 이러한 방식으로 버스바에 의해 생성된 필드와 표유 EMI는 모두 센서의 측정 평면을 가로질러 지향됩니다.

그 결과 그림 4의 시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이 0.3의 이득이 발생합니다. 즉, 동일한 1000A 전류에 대해 센서는 7.8mT만 측정합니다. 이것은 70%의 감쇠를 나타냅니다. 이 때문에 TDK의 CUR 423x TMR 센서와 같이 감도가 높은 센서만 사용할 수 있습니다.

이 구성의 주요 이점은 코어 기반 및 U자형 구성과 비교할 때 상대적으로 높은 수준의 차폐가 제공된다는 것입니다. 또한 신호가 감쇠되고 표유 EMI와 결합되는 동안 결과는 여전히 0.51% FS에 불과한 오프셋 오류로 U자형 접근 방식과 비슷하지만 구성이 가져오는 단점이 없습니다.

대칭 차폐 구성의 가장 큰 장점은 히스테리시스 오류를 완전히 보상할 수 있다는 것입니다. 이는 차폐에 사용되는 두 개의 연자성 재료 각각의 필드가 반대 필드 방향을 갖기 때문입니다. 세심한 설계로 두 개의 실드는 전류 흐름에 의해 생성된 잔류 자기장을 효과적으로 상쇄할 수 있습니다.

이 접근 방식의 또 다른 주요 이점은 크기입니다. 완전한 센서 구현의 크기는 더 이상 자속 집중 장치 또는 차폐의 크기에 의해 결정되지 않습니다. 즉, 대칭적으로 차폐된 접근 방식은 버스바의 크기나 측정 중인 전류에 관계없이 크기, 무게 및 비용에 대해 최적화될 수 있습니다.

결론

여기에 제시된 세 가지 솔루션 모두 상대적인 이점이 있지만 애플리케이션은 궁극적으로 선택에 영향을 미칩니다. 높은 수준의 내성이 필요한 경우 코어 기반 설계를 능가하기 어렵습니다. 낮은 히스테리시스 오류와 작은 크기가 구동 요인이라면 대칭적으로 차폐된 센서 구성이 선호될 것입니다. 표 1에 제시된 결과는 토론의 좋은 스냅샷을 제공합니다.

전기 자동차에서 견고하고 비용 효율적이며 안정적인 비접촉 전류 감지에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 더 많은 제조업체가 이 분야에서 제품을 확장함에 따라 소비자는 완전히 또는 부분적으로 전기 구동계가 제공하는 이점을 누릴 수 있습니다.

이 기사는 TDK Micronas(독일 프라이부르크 임 브리스가우)의 애플리케이션 엔지니어 Lukas Klar가 작성했습니다. 자세한 내용은 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호되고 있습니다.에서 Mr. Klar에게 문의하십시오. 그것을 보려면 JavaScript가 활성화되어 있어야 합니다. 또는 여기를 방문하십시오. .