تشخیص جریان باتری در ماشین برقی و هیبریدی

بازار خودرو های برقی در سراسر جهان به سرعت در حال رشد است. برآورد ها نشان می دهد که تعداد خودرو های برقی در سراسر جهان تا سال 2030 به 125 میلیون دستگاه خواهد رسید. برای کنترل انرژی و بازده بهتر در زیرسیستم‌ های خودرو های الکتریکی‌ و هیبریدی مانند  Traction Inverters، شارژر های داخلی (OBC)، مبدل‌ های DC-DC و سیستم‌ های مدیریت باتری (BMS)، اندازه‌ گیری دقیق جریان ضروری است. این زیرسیستم های ولتاژ بالا نیاز به اندازه گیری جریان های بزرگ در ولتاژ های معمولی بالا دارند. به دلایل فنی و نظارتی، اندازه ‌گیری‌ های جریان نیاز به جداسازی و همچنین عملکرد بسیار بالا در محیط‌ های خشن دارند.

پیکربندی معمولی خودرو های الکتریکی در هند به شرح زیر است:

1.) 2 چرخ

1. ولتاژ بسته باتری = 48 ولت، 72 ولت
2. موتور 1 کیلووات، 2 کیلووات

2.) 3 چرخ

1. ولتاژ بسته باتری = 48 ولت، 72 ولت
2. موتور 2 کیلووات، 4 کیلووات

3.) 4 چرخ و اتوبوس

1. ولتاژ بسته باتری = 72 ولت، 400 ولت، 600 ولت
2. 20 کیلووات تا 300 کیلووات

یکی از ویژگی های کلیدی ایمنی خودرو های برقی، جمع آوری داده ها و انجام اقدامات سریع بازخورد محلی بر اساس این داده ها است. یکی از این داده‌ها که بسیار مهم و کلیدی برای ایمنی است، جریانی است که در زیر سیستم‌های مختلف یک خودروی الکتریکی جریان می‌یابد.

ما می توانیم حسگر جریان را در یک خودرو الکتریکی به طور کلی به 3 دسته تقسیم کنیم که در زیر نشان داده شده است:

1. حفاظت از اضافه جریان در زمان عملکرد

• Traction drives
• مدار حفاظت از باتری

2. نظارت بر جریان و توان برای عملکرد بهترسیستم

• سنجش باتری
• مصرف برق سیستم
• فرمان خودکار

3. اندازه گیری جریان برای مدار های حلقه بسته

• کاربرد درایو موتور
• مبدل های DC-DC

در زیر یک مرور سطح بالا از راه حل های مختلف TI برای کاربرد های حسگر جریان ارائه شده است. محور Y ولتاژ حالت مشترک خط است که جریان از طریق آن حس می شود و محور X دامنه واقعی جریان اندازه گیری شده است.

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، جریان را می توان از طریق یک ولتاژ در یک مقاومت موازی کوچک حس کرد یا می توان با اندازه گیری میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان در هنگام عبور از رسانا اندازه گیری کرد. در TI ما راه حل هایی برای اندازه گیری جریان با استفاده از هر دو روش ذکر شده در بالا ارائه می دهیم.

لیستی از راه حل های موجود از TI برای کاربرد حس کردن جریان را می توان در زیر مشاهده کرد:

لطفا توجه داشته باشید که خروجی تقویت کننده حسگر جریان می تواند آنالوگ یا دیجیتال باشد. بر اساس مورد استفاده شده، مهندس طراح می تواند در مورد حالت خروجی مورد استفاده تصمیم گیری کند.

بیایید به هر یک از موارد استفاده از سنسور جریان با کمی عمق بیشتر نگاه کنیم و به برخی از راه حل های مناسب موجود از TI برای همین موضوع نگاه کنیم.

1. حفاظت از اضافه جریان در زمان عملکرد

این مورد استفاده معمولاً در خودرو های برقی از نظر ایمنی دیده می شود. از آنجا که باتری ها می توانند مقادیر زیادی جریان را در حین وقوع یک خطا تخلیه کنند، داشتن مدار نظارت بر خطا در زمان عملکرد بسیار مهم می شود. سرعت و دقت چنین مداری، نشان دهنده تقویت کننده حسگر جریان است.

در برخی موارد از آنجایی که uC پهنای باند محدودی دارد، نمونه برداری از مقدار جریان آنالوگ برای تبدیل به یک مقدار دیجیتال و به دنبال آن مقایسه مقدار دیجیتال برای تشخیص اضافه جریان باعث تاخیر زیادی در مدار حفاظتی می شود. برای مقابله با این مشکل، TI تقویت‌کننده حسگر جریان را با مقایسه‌کننده‌های یکپارچه ارائه کرده است که آستانه آن را می‌توان تنظیم کرد و می‌توان مستقیماً به پین وقفه uC وارد شد و باعث کاهش زیادی در اضافه بار uC شد.

برخی از راه حل های TI برای حفاظت از اضافه جریان عبارتند از:

یک مثال بسیار خوب از این مورد استفاده از تقویت کننده حسگر جریان به عنوان فیوز E است که در زیر نشان داده شده است:

2. نظارت بر جریان و توان برای عملکرد بهترسیستم

نظارت بر جریان و توان معمولاً در سیستم‌های خودروهای الکتریکی برای نظارت بر کل جریان مصرفی باتری و در نتیجه دادن اطلاعات به راننده در مورد شارژ باقی‌ مانده در باتری خودرو با استفاده از الگوریتم‌هایی مانند شمارش کولن اجرا می‌شود.

علاوه بر موارد فوق، نظارت بر جریان در خودرو ها در زیرسیستم های مختلفی مانند فرمان خودکار، شیشه های برقی و… استفاده می شود. TI در مورد نظارت بر جریان و توان، مجموعه گسترده ای دارد.

همانطور که در بالا ذکر شد، یکی از مناطق اصلی تمرکز، بررسی جریان ورودی و خروجی از بسته باتری است تا کولن ها را بشمارید و عمر باتری و شارژ باقی مانده را محاسبه کنید. INA299 TI به واسطه سطح بالای یکپارچگی همراه با دقت بالا و مصرف جریان ساکن کم، برای چنین کاربردی مناسب است. ما می توانیم یک بلوک دیاگرام سطح بالا را در زیر یک BMS با INA299 مشاهده کنیم.

3. اندازه گیری جریان برای مدار های حلقه بسته

به دلیل وجود ولتاژ های مختلف در یک وسیله نقلیه الکتریکی، می ‌توان ترکیب زیادی از مبدل‌ های باک و بوست را در اتصالات منبع تغذیه پیدا کرد. برخی از بلوک های بسیار برجسته منبع تغذیه در یک خودروی الکتریکی معمولی، شارژر داخلی، BLDC (traction motor drivers)، مبدل 48 ولت به 12 ولت و‌… است. همانطور که حلقه کنترل در همه این منبع تغذیه با وات بالا با استفاده از یک uC انجام می شود، اندازه گیری با دقت بالا، جریان تاخیر کم برای اجرای حلقه‌های کنترل جریان پیک از اهمیت بالایی برخوردار است.

برای چنین کاربرد هایی سنسور جریان با پهنای باند بسیار بالا برای اندازه گیری جریان سوئیچینگ، جریان خروجی برای کنترل و اقدامات سریع مورد نیاز است. یکی دیگر از ویژگی های برجسته چنین سنسورهای جریانی که در کنترل درایوهای موتور استفاده می شود، توانایی سنسور ها در رد نویز حالت معمول در فرکانس بالا است ( رد PWM ) .

به عنوان مثال، INA253 در این کاربرد با 93 دسی بل CMRR در صنعت خود حتی 50 کیلو هرتز برتر است. در زیر یک شماتیک معمولی نشان داده شده است که برای کاربرد حسگر جریان درون خطی استفاده می شود

Texas Instruments بهترین تقویت کننده (آمپلی فایر) های ایزوله و تعدیل کننده های ایزوله را ارائه می دهد که هنگام جفت شدن با مقاومت های شنت با دقت بالا به اندازه گیری جریان بسیار دقیق و ایزوله کمک می کنند. TI طیف جدیدی از تقویت کننده های حسگر جریان ایزوله شده را به نام سری AMC ارائه کرده است که به اندازه گیری جریان طراحی شده با دقت بالا با مانع جداسازی به میزان 2kVrms کمک می کند.

TI مجموعه خوبی از آموزش‌های زیادی در مورد «شروع به کار با تقویت‌کننده‌های حسگر جریان» دارد که به مهندسان کمک می‌کند یاد بگیرند که چگونه عملکرد به‌ دست‌ آمده را هنگام اندازه‌ گیری جریان با تقویت‌کننده حسگر جریان، به حداکثر برسانند. این مجموعه ای از ویدئو های کوتاه است که هر کدام به موضوعی متفاوت می پردازد.