سیستم نظارت بر دما در خودرو های الکتریکی

تولیدکنندگان خودرو در سرتاسر جهان بر برقی سازی خودرو ها متمرکز هستند. نیاز است که خودروها با یک بار شارژ سریع شارژ شوند و برد بیشتری داشته باشند. این به این معنی است که مدار الکتریکی و الکترونیکی داخل وسیله نقلیه باید بتواند توان بسیار بالا را کنترل کرده و تلفات را به طور موثر مدیریت کند. برای اطمینان از عملیاتی ماندن برنامه های ایمنی، به راه حل های قوی مدیریت حرارتی نیاز است.

علاوه بر گرمای تولید شده توسط وسیله نقلیه، ماشین شما و وسایل الکترونیکی آن باید تحمل حرارتی داشته باشند تا بتواند محدوده های وسیع دمای محیط را تحمل کند. به عنوان مثال، در هند سردترین مناطق با دمای بسیار کمتر از 0 درجه سانتیگراد در طول زمستان مواجه هستند و دمای برخی مناطق دیگر ممکن است در تابستان از 45 درجه سانتیگراد فراتر رود.

هر زیرسیستم در داخل خودروی برقی (EV) نیاز به سیستم مانیتورینگ دما (سیستم نظارت بر دما) دارد. در شارژر برد، مبدل DC-DC و کنترل اینورتر و موتور به کنترل ایمن و کارآمد برای محافظت از کلید برق (MOSFET/IGBT/SiC) نیاز دارند. سیستم های مدیریت باتری (BMS) نیز نیاز به اندازه گیری دقیق دما در سطح سلولی دارند. یکی از اجزایی که باید در دما های شدید برای محافظت از سیستم دقیق باشد، بدون شک سنسور دما است. اطلاعات دقیق دما به پردازنده اجازه می دهد تا سیستم را از نظر دمایی کنترل کند تا ماژول های الکترونیکی بدون توجه به شرایط راه اندازی عملکرد آن ها را بهینه کرده و قابلیت اطمینان آن ها را به حداکثر برساند. این شامل سنجش دمای کلید های برق، اجزای مغناطیسی، سینک‌ های حرارتی، PCB و … می‌شود. اطلاعات دما همچنین باعث عملکرد بهتر سیستم خنک‌ کننده می شود.

ترمیستور های ضریب دمای منفی (NTC) و ضریب دمای مثبت (PTC) از رایج ترین دستگاه هایی هستند که برای نظارت بر دما استفاده می شوند. NTC یک مقاومت غیرفعال است و مقاومت NTC با دما تغییر می کند. به طور خاص، با افزایش دمای محیط اطراف یک NTC، مقاومت NTC کاهش می یابد. مهندسان NTC را در یک تقسیم کننده ولتاژ با سیگنال خروجی تقسیم کننده ولتاژ در کانال مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) یک میکروکنترلر (MCU) قرار می دهند.

با این حال، چند ویژگی NTC وجود دارد که می تواند استفاده از آن را در یک محیط خودرو دشوار کند. همانطور که قبلا ذکر شد، مقاومت یک NTC با دما رابطه معکوس دارد، اما این رابطه غیر خطی است. شکل زیر نمونه ای از تقسیم کننده ولتاژ مبتنی بر NTC معمولی را نشان می دهد.

هنگامی که گرمای تولید شده از زیرسیستم های مختلف خودروی الکتریکی در مناطق مختلف جهان را در نظر بگیرید، مشخص می شود که اجزای نیمه هادی خودرو در معرض طیف وسیعی از دماها (40- تا 150 درجه سانتی گراد) قرار خواهند گرفت. در یک محدوده دمایی گسترده، رفتار غیر خطی NTC کاهش خطا ها را دشوار می کند، زیرا شما ولتاژ خوانده شده را به یک مقدار دقیق دما تبدیل می کنید. خطای وارد شده از منحنی غیرخطی یک NTC، دقت خواندن دمای مبتنی بر NTC را کاهش می دهد.

همانطور که‌ در شکل بالا نشان داده شده است، سنسور دمای خروجی آنالوگ IC در مقایسه با NTC ها پاسخ خطی تری خواهد داشت. و MCU به راحتی می تواند ولتاژ را با دقت و سرعت بیشتری به داده های دما تبدیل کند. در نهایت، آی سی های سنسور دمای آنالوگ اغلب در دما های بالا در مقایسه با NTC ها حساسیت دمایی بالاتری دارند. سنسورهای دمای آی سی با سایر فناوری‌های حسگر مانند ترمیستور ها، آشکارساز های دمای مقاومتی (RTD) و ترموکوپل‌ ها یک دسته از بازار را به اشتراک می‌گذارند، اما آی سی ها در مواردی که دقت خوبی در دما های وسیعی مانند محدوده AEC-Q100 Grade 0 (-40 درجه سانتی‌گراد تا 150 درجه سانتیگراد) مورد نیاز است فواید زیادی دارند.

ابتدا، محدودیت‌های دقت سنسور دمای آی‌ سی بر حسب درجه سانتی‌گراد در دیتاشیت برای تمام محدوده عملیاتی ارائه می‌شود. برعکس، یک ترمیستور معمولی ضریب دمای منفی (NTC) ممکن است فقط دقت مقاومت را بر حسب درصد در یک نقطه دمایی مشخص کند. سپس باید دقت کل سیستم را برای محدوده دمایی کامل هنگام استفاده از ترمیستور به دقت محاسبه کنید. در واقع، مراقب باشید که شرایط عملیاتی را که دقت هر سنسور را مشخص می کند، بررسی کنید.

هنگام انتخاب یک آی سی، به خاطر داشته باشید که انواع مختلفی وجود دارد( با مزایای مختلف برای کاربردهای مختلف خودرو).

• خروجی آنالوگ: دستگاه‌ هایی مانند LMT87-Q1 (موجود در AEC-Q100 Grade 0) ساده و دارای سه پین هستند که گزینه‌ های بهره چندگانه را برای مطابقت با مبدل آنالوگ به دیجیتال انتخابی شما (ADC) ارائه می دهد، که به شما امکان می‌دهد وضوح کلی را تعیین کنید. همچنین از مزایای مصرف انرژی کم بهره می برید که نسبتاً در محدوده دما در مقابل ترمیستور سازگار است. این به این معنی است که مجبور نیستید توان را بخاطر نویز عوض کنید.
• خروجی دیجیتال: برای ساده تر کردن پیاده سازی مدیریت حرارتی، TI سنسور های دمای دیجیتال را ارائه می دهد که مستقیماً دما را از طریق رابط هایی مانند I²C یا رابط محیطی سریال (SPI) منتقل می کند. به عنوان مثال، TMP102-Q1 دما را با دقت 3.0 ± از -40 درجه سانتیگراد تا +125 درجه سانتیگراد کنترل می کند و به طور مستقیم دمای بیش از I²C را به MCU منتقل می کند. این به طور کامل نیاز به هر نوع جدول جستجو یا محاسبه بر اساس یک تابع چند جمله ای را از بین می برد. همچنین، دستگاه LMT01-Q1 یک سنسور دمای 2 پین با دقت بالا با رابط حلقه جریان شمارش پالس است که آن را برای کاربرد های داخلی و خارج از برد در خودرو مناسب می ‌کند.
• کلید دما: بسیاری از کلید های واجد شرایط خودرو TI مانند TMP302-Q1 هشدار های ساده و قابل اعتمادی برای افزایش دما ارائه می دهند. اما داشتن مقدار دمای آنالوگ به سیستم شما یک شاخص اولیه می دهد که می توانید قبل از رسیدن به دمای بحرانی، از آن برایکاهش عملکرد استفاده کنید. همچنین زیر سیستم های خودروی الکتریکی می توانند از آستانه های قابل برنامه ریزی، محدوده دمای فوق العاده وسیع و قابلیت اطمینان بالا از تأیید عملیاتی درون مدار LM57-Q1 به دلیل محیط کار سخت بهره ببرند (هر دو IC در AEC-Q100 Grade 0 دردسترس هستند).

در اکثر زیرسیستم‌ های خودروی الکتریکی، MCU از کلید های برق و سایر اجزایی که دما در آن‌ ها حس می‌شود، جدا می‌شود. داده های حاصل از یک سنسور دمای خروجی دیجیتال را می توان به راحتی با استفاده از جداکننده های دیجیتال ساده مانند خانواده ISO77xx-Q1 از دستگاه های TI جدا کرد.

در زیر بلوک دیاگرام طرح مرجع TIDA-00752 ارائه شده است که خروجی پالس دیجیتال را نشان می دهد.

به طور خلاصه، ترمیستور های NTC اغلب برای نظارت بر دما استفاده می‌شوند، اما پاسخ دمایی غیرخطی آن‌ها می‌تواند برای خودرو مشکل‌ ساز باشد. مزایای سنسور دمای آنالوگ و دیجیتال TI شما را قادر می‌سازد تا دمای بسیاری از سیستم‌ های خودرو را به‌ طور دقیق و آسان کنترل کنید.