Amélioration de la détection de courant sans contact dans les VE : Solutions de conception pratiques

L'industrie automobile va au-delà de la petite voiture électrique de banlieue 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 VE antérieurs. Ils nécessitent des moteurs électriques plus grands qui, à leur tour, consomment plus de puissance. Qu'il s'agisse de véhicules entièrement électriques, hybrides rechargeables ou hybrides légers, les niveaux de tension et de courant impliqués sont considérables. Dans la plupart des cas, les batteries doivent fournir plusieurs centaines de volts pour atteindre l'expérience de conduite nécessaire pour amener les véhicules électriques au niveau de performance supérieur. C'est pourquoi la surveillance précise du volume de courant circulant vers le moteur devient une fonction critique pour les constructeurs automobiles.

Le défi des mesures de courant précises dans les environnements VE

Le passage de la combustion interne aux groupes motopropulseurs électriques soulève de nombreux nouveaux défis pour les ingénieurs de multiples disciplines. Pour les ingénieurs système, le défi est d'équilibrer le rapport puissance/poids, tandis que les ingénieurs électriques et électroniques doivent se concentrer sur la gestion de l'énergie. Plus de puissance signifie des véhicules plus rapides et plus réactifs — mais utiliser trop de puissance trop rapidement entraîne une décharge rapide des sources d'énergie et une autonomie réduite. Il est donc crucial que chaque partie de la conception soit optimisée.

La clé de la gestion de l'énergie est la mesure précise — le capteur de courant est l'équivalent VE du capteur de débit de carburant dans un véhicule conventionnel. La mesure de courant peut être facilement réalisée à l'aide d'une shunt, ou résistance de faible valeur. Plus le courant est élevé, plus la shunt doit être grande, donc mesurer des courants de l'ampleur requise pour les moteurs électriques puissants exigerait des shunts physiquement grandes, lourdes et coûteuses.

La détection de courant sans contact offre une alternative attrayante à la résistance shunt. Basée sur l'effet magnéto-résistif ou Hall, elle tire parti des champs électromagnétiques générés lorsque le courant traverse un conducteur. En raison de leur taille plus petite, 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 privilégiée par les constructeurs de véhicules électriques.

Types de capteurs sans contact pour applications automobiles

La taille du champ magnétique entourant le conducteur est proportionnelle au courant qui y circule, mais même avec de forts courants, la force du champ reste 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 par blindage ou en appliquant des techniques de compensation.

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

En général, il existe trois approches pour la détection de courant sans contact, comme le montre la Figure 1. Celles-ci incluent le capteur à noyau, le capteur en U et le capteur blindé symétrique « sandwich ». Bien que comparer les trois soit difficile en raison du nombre de variables présentées par des applications uniques, il est utile de mesurer la performance sur un scénario typique. Dans ce cas, les capteurs ont été évalués en utilisant une barre omnibus de 20 mm de large sur 2,5 mm d'épaisseur, de section rectangulaire, transportant 1000 A.

Capteurs de courant sans contact à noyau

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 le capteur de champ magnétique est placé. Le noyau aide à focaliser le flux induit par le courant circulant dans la barre omnibus vers le capteur.

La sensibilité du capteur au flux généré par le courant dépend de plusieurs facteurs. Le premier est la taille de l'entrefer, car un entrefer plus petit permet une plus grande quantité de flux d'atteindre le capteur. Il s'ensuit qu'un capteur plus petit permettrait un entrefer plus petit. Comme montré à la Figure 2, dans cette expérience, un courant de 1000 A entraîne l'enregistrement par le capteur d'une densité de flux de 200 mT. Par comparaison, sans noyau, 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 externe avec une densité de flux de 5 mT. Les résultats figurent à la Figure 2, montrant comment le champ magnétique est guidé 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 courant est réduite d'un facteur 40. La conclusion est que le capteur à noyau offre un bon niveau de blindage contre d'autres sources de CEM, et avec un conditionnement de signal approprié, ses effets peuvent être encore atténués. Dans ce cas, on peut s'attendre à une erreur de décalage de seulement 0,06 % à pleine échelle.

Cependant, l'approche à noyau a l'inconvénient d'être relativement difficile à monter, car la barre omnibus doit passer à travers le noyau, tandis que le capteur doit être situé dans l'entrefer. De plus, pour éviter la saturation due aux forts courants, le noyau doit également être physiquement grand. En outre, la quantité de matériau magnétiquement sensible utilisée dans le noyau lui-même peut le rendre source d'erreur hystérétique et d'interférences.

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

Capteur de courant blindé en U

Comme son nom l'indique, le capteur en U présente un entrefer plus grand, mais offre toujours un degré de blindage contre les CEM parasites. Le capteur bénéficie d'un blindage sur trois de ses côtés grâce à l'utilisation d'un matériau magnétique doux. La forme du concentrateur facilite l'assemblage par rapport à une configuration à noyau, car le capteur lui-même peut être positionné au-dessus de la barre omnibus, monté sur un petit circuit imprimé.

Ce style de capteur blindé aura une sensibilité inférieure à l'approche à noyau, ce qui est l'un des compromis que les ingénieurs doivent considérer lors de la sélection du design le plus approprié pour leur application. Comme le montre la Figure 3, avec 1000 A traversant la barre omnibus, le capteur a détecté une densité de flux magnétique de 50 mT, correspondant à un gain de 2.

Le faible gain a ses avantages. Cela signifie que presque n'importe quel capteur peut être utilisé, comme le HAL 24xy, ou le capteur à boucle fermée CUR 423x basé sur la tunnel-magnéto-résistance (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 causée par le champ parasite est de 0,55 % à pleine échelle. Ajuster la forme du blindage et l'espace autour du capteur peut améliorer cette erreur de décalage.

La solution à noyau est symétrique en termes de susceptibilité, tandis que la configuration en 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, cette configuration a une erreur hystérétique plus faible que le capteur à noyau, car il y a moins de matériau magnétique présent. Inversement, la taille et la forme du capteur sont encore largement dictées par le niveau de blindage nécessaire.

Le capteur à blindage symétrique offre une autre option, apportant des avantages tant en taille qu'en capacité de blindage.

Capteurs de courant à blindage symétrique

Pour les applications nécessitant un niveau de blindage plus élevé au coût de la sensibilité, la configuration à blindage symétrique — sandwich — peut être la plus appropriée. Dans cette approche, le capteur est situé centralement au-dessus de la barre omnibus, comme avec l'approche en 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 la barre omnibus. Ainsi, les champs générés par la barre omnibus et les CEM parasites sont tous deux dirigés à travers le plan de mesure du capteur.

Cela entraîne un gain de 0,3, comme le montrent les résultats de simulation à la Figure 4, signifiant que pour le même courant de 1000 A, le capteur ne mesure que 7,8 mT. Cela indique une atténuation de 70 %. De ce fait, seuls les capteurs à haut niveau de sensibilité, comme le capteur TMR CUR 423x de TDK, peuvent être utilisés.

Le principal avantage de cette configuration est le niveau de blindage relativement élevé qu'elle offre par rapport aux configurations à noyau et en U. De plus, bien que le signal soit atténué et combiné avec les CEM parasites, le résultat reste une erreur de décalage de seulement 0,51 % PE, comparable à l'approche en U mais sans les inconvénients que cette configuration apporte.

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

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 pour la taille, le poids et le coût, quelle que soit la taille de la barre omnibus ou le courant mesuré.

Conclusion

Bien que les trois solutions présentées ici aient leurs avantages respectifs, l'application influencera finalement le choix. Si des niveaux élevés d'immunité sont nécessaires, la conception à noyau est difficile à surpasser. Si la faible erreur hystérétique et la petite taille sont les facteurs déterminants, alors la configuration de capteur à blindage symétrique sera probablement privilégiée. Les résultats présentés dans le Tableau 1 donnent un bon aperçu de la discussion.

La demande pour une détection de courant sans contact robuste, rentable et fiable dans les véhicules électriques augmente. À mesure que de plus en plus de fabricants étendent leurs offres dans ce domaine, les consommateurs pourront profiter des avantages que procurent les groupes motopropulseurs entièrement ou partiellement électriques.

Cet article a été rédigé par Lukas Klar, Ingénieur d'application, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Allemagne). Pour plus d'informations, contactez M. Klar à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser. ou visitez .