Solutions de conception pratiques pour améliorer la détection de courant sans contact dans les véhicules électriques

L'industrie automobile va au-delà de la petite voiture de banlieue électrique et propose désormais une variété de modèles pour répondre à une gamme croissante de besoins, du transport familial aux sports et loisirs. Ces véhicules sont généralement plus grands et, par conséquent, plus lourds que les modèles de véhicules électriques antérieurs. Ceux-ci nécessitent des moteurs électriques plus gros qui, à leur tour, consomment plus d'énergie. Que le véhicule soit entièrement électrique, hybride rechargeable ou hybride doux, les niveaux de tension et de courant impliqués sont considérables. Dans la plupart des cas, les batteries doivent fournir plusieurs centaines de volts pour obtenir l'expérience de conduite nécessaire pour faire passer les véhicules électriques au niveau de performance supérieur. Pour cette raison, la surveillance étroite du volume de courant circulant dans le moteur devient une fonction d'une importance cruciale pour les constructeurs automobiles.

Le défi des mesures de courant précises dans les environnements de véhicules électriques

Le passage de la combustion interne aux transmissions électriques soulève de nombreux nouveaux défis pour les ingénieurs de multiples disciplines. Pour les ingénieurs système, le défi consiste à équilibrer le rapport puissance/poids, tandis que les ingénieurs électriciens et électroniciens doivent se concentrer sur la gestion de l'alimentation. Plus de puissance signifie des véhicules plus rapides et plus réactifs - mais utiliser trop de puissance, trop rapidement, conduit à des sources d'alimentation rapidement épuisées et à une autonomie réduite. Il est donc essentiel que chaque partie de la conception soit optimisée.

La clé de la gestion de l'alimentation est une mesure précise - le capteur de courant est l'équivalent EV du capteur de débit de carburant dans un véhicule conventionnel. La mesure du courant peut facilement être réalisée à l'aide d'un shunt ou d'une résistance de faible valeur. Plus le courant est élevé, plus le shunt est important. Par conséquent, la mesure de courants de l'amplitude requise pour les moteurs électriques puissants exigerait des shunts physiquement importants, lourds et coûteux.

La détection de courant sans contact offre une alternative intéressante à la résistance shunt. Basé sur l'effet magnéto-résistif, ou effet Hall, il tire parti des champs électromagnétiques générés lors du passage du courant dans un conducteur. En raison de leur petite taille, de leur nature non intrusive et de leur isolation galvanique inhérente, la détection de courant sans contact devient rapidement l'approche de mesure de courant préférée des constructeurs de véhicules électriques.

Types de capteurs sans contact pour les applications automobiles

La taille du champ magnétique entourant le conducteur est proportionnelle au courant circulant, mais même avec des courants importants, l'intensité du champ est encore relativement faible. Bien que les éléments de détection Hall puissent être très sensibles, cette sensibilité les rend également enclins à lire les champs électromagnétiques parasites ou de fond. Heureusement, cette distorsion peut être réduite grâce à un blindage ou à l'application de techniques de compensation.

Cependant, la compensation de toutes les formes d'EMI parasites exigerait une compréhension approfondie de toutes les différentes sources d'interférence, ce qui serait difficile. L'approche la plus simple et sans doute la plus robuste consiste à sélectionner un capteur de courant sans contact qui offre une certaine immunité inhérente aux champs parasites.

En général, il existe trois approches de détection de courant sans contact, comme le montre la figure 1. Celles-ci incluent le capteur à base de noyau, le capteur en forme de U et le capteur blindé «sandwich» symétrique. Bien qu'il soit difficile de comparer les trois en raison du nombre de variables présentées par des applications uniques, il est utile de mesurer les performances en fonction d'un scénario typique. Dans ce cas, les capteurs ont été évalués à l'aide d'un jeu de barres de 20 mm de large sur 2,5 mm d'épaisseur à section rectangulaire, supportant 1 000 A.

Capteurs de courant sans contact basés sur le cœur

Dans un capteur à noyau, un concentrateur de flux est positionné autour du matériau transportant le courant à mesurer. La forme circulaire du concentrateur est interrompue par un petit entrefer dans lequel est placé le capteur de champ magnétique. Le noyau aide à concentrer le flux induit par le courant circulant dans le jeu de barres vers le capteur.

La sensibilité du capteur au flux généré par le passage du courant dépend de plusieurs facteurs. Le premier d'entre eux est la taille de l'entrefer, car un entrefer plus petit permet à une plus grande quantité de flux d'atteindre le capteur. Il s'ensuit donc qu'un capteur plus petit permettrait un entrefer plus petit. Comme le montre la figure 2, dans cette expérience, un courant de 1 000 A fait que le capteur enregistre une densité de flux de 200 mT. En comparaison, si aucun noyau n'était présent, le même capteur enregistrerait une densité de flux de seulement 20 mT. Les capteurs adaptés à cette configuration incluent le HAL 24xy de TDK.

Pour mesurer l'immunité de cette configuration aux champs parasites, une simulation a été réalisée en supposant un champ extérieur avec une densité de flux de 5 mT. Les résultats peuvent être vus sur la figure 2, montrant comment le champ magnétique est formé par la forme du noyau pour traverser le capteur. Avec le champ externe présent, la capacité du capteur à détecter avec précision le champ généré par le flux de courant est réduite d'un facteur 40. La conclusion ici est que le capteur basé sur le noyau offre un bon niveau de protection contre les autres sources d'EMI, et avec un niveau approprié de conditionnement du signal, ses effets peuvent être davantage atténués. Dans ce cas, il serait raisonnable de s'attendre à une erreur de décalage de seulement 0,06 % à pleine échelle.

Cependant, l'approche par noyau présente l'inconvénient d'être relativement difficile à monter, car le jeu de barres doit traverser le noyau, tandis que le capteur doit être situé dans l'entrefer. De plus, pour éviter la saturation due à des flux de courant importants, le noyau doit également être physiquement grand. De plus, la quantité de matériau magnétiquement sensible utilisé dans le noyau lui-même peut en faire une source d'erreurs et d'interférences hystérétiques.

Le capteur de courant en forme de U résout bon nombre de ces inconvénients.

Le capteur de courant blindé en forme de U

Comme son nom l'indique, le capteur en forme de U présente un entrefer plus grand, mais offre toujours un certain degré de protection contre les EMI parasites. Le capteur bénéficie d'un blindage sur trois de ses faces grâce à l'utilisation d'un matériau magnétique doux. La forme du concentrateur rend l'assemblage plus facile qu'une configuration à noyau, car le capteur lui-même peut être positionné au-dessus du jeu de barres, monté sur une petite carte de circuit imprimé.

Ce style de capteur blindé aura une sensibilité inférieure à celle d'une approche basée sur le cœur, qui est l'un des compromis que les ingénieurs doivent prendre en compte lors de la sélection de la conception la plus appropriée pour leur application. Comme le montre la figure 3, avec 1000 A traversant le jeu de barres, le capteur a détecté une densité de flux magnétique de 50 mT, correspondant à un gain de 2.

Le faible gain a cependant ses avantages. Cela signifie que presque tous les capteurs peuvent être utilisés, tels que le HAL 24xy ou le capteur en boucle fermée CUR 423x basé sur la résistance tunnel-magnéto (TMR) de TDK. De plus, comme il y a moins de concentration du champ magnétique, l'épaisseur du matériau de blindage peut être optimisée pour l'espace, le poids et le coût.

Comme le montre la figure 3, le champ est à nouveau dirigé autour du blindage; cependant, dans cette configuration, l'erreur de décalage provoquée par le champ parasite est de 0,55 % pleine échelle. Ajuster la forme du blindage et l'espace autour du capteur peut améliorer cette erreur de décalage.

La solution à base de noyau est symétrique en termes de susceptibilité, tandis que la configuration en forme de U est asymétrique. Cela signifie que la forme en U est plus sensible aux champs orientés verticalement qu'aux champs horizontaux. C'est un autre facteur à prendre en compte lors de la sélection et de la localisation d'un capteur de courant sans contact. En sa faveur, cependant, cette configuration a une erreur hystérétique inférieure à celle du capteur à noyau, car il y a moins de matériau magnétique présent. À l'inverse, la taille et la forme du capteur sont encore largement régies par le niveau de blindage nécessaire.

Le capteur à blindage symétrique offre encore une autre option, apportant des avantages à la fois en termes de taille et de capacité de blindage.

Capteurs de courant avec blindage symétrique

Pour les applications qui nécessitent un niveau de blindage plus élevé au détriment de la sensibilité, la configuration à blindage symétrique — sandwich — peut être la plus appropriée. Dans cette approche, le capteur est situé au centre au-dessus du jeu de barres, comme avec l'approche en forme de U. Cependant, dans cette configuration, le capteur est blindé à l'aide de deux pièces de matériau magnétique doux ; une pièce se trouve au-dessus du capteur tandis que la seconde est placée sous le jeu de barres. De cette manière, les champs générés par le jeu de barres et toute EMI parasite sont tous deux dirigés sur le plan de mesure du capteur.

Cela se traduit par un gain de 0,3, comme le montrent les résultats de simulation de la figure 4, ce qui signifie que pour le même courant de 1000 A, le capteur mesure seulement 7,8 mT. Cela indique une atténuation de 70 %. Pour cette raison, seuls les capteurs avec un niveau de sensibilité élevé, tels que le capteur CUR 423x TMR de TDK, peuvent être utilisés.

Le principal avantage de cette configuration réside dans les niveaux relativement élevés de blindage qu'elle offre par rapport aux configurations à noyau et en forme de U. De plus, alors que le signal est atténué et combiné avec l'EMI parasite, le résultat est toujours une erreur de décalage de seulement 0,51 % FS, ce qui est comparable à l'approche en forme de U mais sans les inconvénients que la configuration apporte.

Le plus grand avantage de la configuration de blindage symétrique est que l'erreur hystérétique peut être entièrement compensée. Ceci est dû au fait que les champs dans chacun des deux matériaux magnétiques doux utilisés dans le blindage ont des orientations de champ opposées. Grâce à une conception soignée, les deux blindages peuvent annuler efficacement tout champ magnétique résiduel créé par les flux de courant.

Un autre avantage majeur de cette approche est sa taille. La taille de l'implémentation complète du capteur n'est plus dictée par la taille du concentrateur de flux ou du blindage. Cela signifie que l'approche à blindage symétrique peut être optimisée en termes de taille, de poids et de coût, quelle que soit la taille du jeu de barres ou le courant mesuré.

Conclusion

Bien que les trois solutions présentées ici aient leurs avantages relatifs, l'application influencera finalement le choix. Si des niveaux élevés d'immunité sont nécessaires, la conception basée sur le noyau est difficile à surpasser. Si une faible erreur hystérétique et une petite taille sont des facteurs déterminants, la configuration du capteur à blindage symétrique est susceptible d'être favorisée. Les résultats présentés dans le tableau 1 donnent un bon aperçu de la discussion.

La demande de détection de courant sans contact robuste, rentable et fiable dans les véhicules électriques augmente. Alors que de plus en plus de fabricants élargissent leurs offres de produits dans ce domaine, les consommateurs peuvent profiter des avantages des transmissions entièrement ou partiellement électriques.

Cet article a été rédigé par Lukas Klar, ingénieur d'application, TDK Micronas (Fribourg-en-Brisgau, Allemagne). Pour plus d'informations, contactez M. Klar à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir. ou visitez ici .