Οι αισθητήρες ρεύματος μπαταρίας
αισθητήρες

Οι αισθητήρες ρεύματος μπαταρίας

Η απόδοση της μπαταρίας, η διάρκεια ζωής, η ασφάλεια και η αξιοπιστία παίζουν ζωτικό ρόλο στα HEV και EV αυτοκίνητα. Ο αισθητήρας ρεύματος της μπαταρίας και η ακρίβειά του σε μεγαλύτερο εύρος μετρήσεων είναι εξαιρετικά σημαντικός για την κάλυψη αυτών των απαιτήσεων.

Η παγκόσμια αγορά ηλεκτρικών (EV) και υβριδικών ηλεκτρικών (HEV) αυτοκινήτων αναπτύσσεται γρήγορα, καθώς αυτά τα αυτοκίνητα προσφέρουν υψηλότερη απόδοση και χαμηλότερες εκπομπές ρύπων, σε σύγκριση με τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν θερμικούς κινητήρες.

Όταν η μπαταρία είναι η κύρια πηγή ενέργειας για συστήματα σε αυτοκίνητα HEV ή EV, είναι απαραίτητο να έχουμε πληροφορίες σχετικά με τους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Για τον έλεγχο της ροής ενέργειας και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης της μπαταρίας τους, είναι απαραίτητη η ακριβής μέτρηση του ρεύματος. Έτσι, οι αισθητήρες ρεύματος είναι η κύρια πηγή πληροφοριών για τα δεδομένα του κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης. Οι απαιτήσεις είναι αυστηρές, αφού τα συστήματα υψηλής τάσης πρέπει να μετρούν μεγάλα ρεύματα, συνήθως πάνω από 400 V. Επομένως, αυτές οι μετρήσεις ρεύματος απαιτούν υψηλή απόδοση και δυνατότητα λειτουργίας σε δυσμενή περιβάλλοντα.

Το σύστημα παρακολούθησης της μπαταρίας χρησιμοποιείται, κυρίως, για την εκτίμηση της κατάστασης υγείας (SOH – state of health) και της κατάστασης φόρτισης (SOC – state of charge). Προκειμένου να λάβει λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τη SOH και τη SOC, είναι σημαντική η χρήση αισθητήρων στο σύστημα παρακολούθησης της μπαταρίας.

Για μία τυπική μπαταρία, οι αισθητήρες ρεύματος τάσης και θερμοκρασίας μετρούν τις ακόλουθες παραμέτρους:

  1. το ρεύμα που εισέρχεται (κατά τη φόρτιση) ή εξέρχεται (κατά την αποφόρτιση) της μπαταρίας
  2. την τάση της μπαταρίας
  3. τις επιμέρους τάσεις των μονάδων και των στοιχείων
  4. τη θερμοκρασία των στοιχείων

Οι μετρήσεις ρεύματος απαιτούν υψηλή απόδοση και δυνατότητα λειτουργίας σε δυσμενή περιβάλλοντα.

Οι απαιτήσεις

Στα σύγχρονα αυτοκίνητα, οι αισθητήρες ρεύματος πρέπει να μετρούν ένα μεγάλο εύρος ρεύματος, από milliamps έως kiloamps. Μέρα με τη μέρα, χρειάζεται να είναι σε θέση να μετρούν όλο και υψηλότερα ρεύμα-τα για να υποστηρίζουν τις ολοένα και μεγαλύτερες χωρητικότητες της μπαταρίας, να παρακολουθούν τη δυναμική του φορτίου, όπως την ανίχνευση του ρεύματος αιχμής (βραχυκύκλωμα στο συν ή στη γείωση), και να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις επιτάχυνσης.

Θα πρέπει, επίσης, να έχουν αρκετή ευαισθησία, καθώς τα ρεύματα αιχμής είναι στην περιοχή των κιλοαμπέρ και διαρκούν από χιλιοστά του δευτερολέπτου έως λίγα δευτερόλεπτα.

Πρέπει, ακόμη, να έχουν και υψηλή ακρίβεια. Η ικανότητα ενός συστήματος διαχείρισης μπαταριών να μετράει με ακρίβεια παραμέτρους, όπως η τάση της μπαταρίας, το ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης, μεμονωμένες τάσεις στοιχείων, η αποσύνδεση της μπαταρίας σε μη κανονικές συνθήκες, είναι απαραίτητες ώστε να υπάρχει λειτουργική ασφάλεια. Η SOC, η SOH και η κατάσταση λειτουργίας (SOF – state of function) εξαρτώνται από την ακρίβεια των πληροφοριών του αισθητήρα. Η ακρίβεια του αισθητήρα ρεύματος είναι σημαντική, ειδικά σε χαμηλότερα ρεύματα, και καθορίζεται, συνήθως, χωριστά για χαμηλότερα και υψηλότερα ρεύματα.

Η θερμοκρασία και η γραμμικότητα είναι κρίσιμοι παράγοντες στους αισθητήρες ρεύματος, λόγω της εξάρτησής τους από τη θερμοκρασία. Η διατήρηση της ίδιας ακρίβειας σε όλο το εύρος θερμοκρασίας είναι απαραίτητη. Για να επιτευχθεί αυτό, απαιτείται ένας αλγόριθμος θερμοκρασίας και αντιστάθμισης.

Οι δύο τεχνολογίες

Οι αισθητήρες ρεύματος της μπαταρίας που χρησιμοποιούνται, σήμερα, σε αυτοκίνητα HEV ή EV λειτουργούν με δύο διαφορετικές τεχνολογίες, είτε με γέφυρα-διακλάδωση (shunt), είτε μαγνητικά (magnetic), με βάση το φαινόμενο Χολ. Κάθε εφαρμογή έχει διαφορετικό κόστος, ακρίβεια, καθυστέρηση, εύρος μέτρησης και απαιτήσεις μεγέθους συσκευασίας. Τόσο οι τεχνολογίες τύπου shunt, όσο και οι μαγνητικές τεχνολογίες έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Στους αισθητήρες ρεύματος τύπου shunt, μία πεπερασμένη ποσότητα ρεύματος διέρχεται από μία αντίσταση διακλάδωσης, ένας αναλογικός ενισχυτής μετρά την πτώση τάσης και, έτσι, υπολογίζεται το ρεύμα. Με τις εξελίξεις στις διακλαδώσεις ακριβείας χαμηλών τιμών και τις τεράστιες βελτιώσεις στα σχετικά κυκλώματα (AFE – analog front end), η τεχνολογία τύπου shunt έχει προσαρμοστεί, ευρέως, για τη μέτρηση των ρευμάτων σε αυτοκίνητα HEV ή EV.

Οι αισθητήρες που λειτουργούν με βάση το φαινόμενο Χολ είναι, από τη φύση τους, μονωμένοι σε σχέση με την καλωδίωση υψηλής τάσης και έχουν πιο συμπαγή κατασκευή.

Αντίθετα, οι λύσεις που βασίζονται στην τεχνολογία Shunt απαιτούν έναν απομονωμένο ενισχυτή ή διαμορφωτή και ένα απομονωμένο τροφοδοτικό από την πλευρά της υψηλής τάσης. Αυτοί οι αισθητήρες επηρεάζονται λιγότερο από τη μεταβολή της θερμοκρασίας και είναι λιγότερο επιρρεπείς σε εξωτερικά μαγνητικά πεδία.

Η πτώση τάσης στην εσωτερική διακλάδωση έχει ως αποτέλεσμα τη θερμική απαγωγή και την απώλεια ισχύος. Ωστόσο, με τις βελτιώσεις στην τεχνολογία τύπου shunt, έχουν μειωθεί οι ωμικές τιμές και έχει βελτιωθεί η ακρίβεια και η απόδοση. Η χρήση πολύ μικρών αντιστάσεων έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη θερμική απώλεια. Οι αισθητήρες που βασίζονται στο φαινόμενο Χολ έχουν, γενικά, περιορισμένο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας (συνήθως από -40°C έως +85°C), ενώ οι λύσεις που βασίζονται στην τεχνολογία τύπου shunt μπορούν να υποστηρίξουν μεγαλύτερα εύρη θερμοκρασίας λειτουργίας (συνήθως από -40°C έως +125°C). Αρχικά, οι σχεδιαστές προτιμούσαν λύσεις που βασίζονται σε αισθητήρες τεχνολογίας shunt για μετρήσεις χαμηλού ρεύματος (<50 A) και λύσεις βασισμένες στο φαινόμενο Χολ για μετρήσεις υψηλού ρεύματος (>50 A).

Σήμερα, υπάρχει μία τάση αποδοχής της τεχνολογίας shunt, καθώς οι απαιτήσεις, ειδικά σε ακρίβεια μέτρησης, γίνονται όλο και πιο αυστηρές.

Διαβάστε ακόμα:
NGK|NTK – Ολοκληρώθηκε με επιτυχία το πρώτο Πρωτάθλημα στην Ελλάδα
Mann+Hummel – Φίλτρο λεπτής σκόνης για ηλεκτρικά οχήματα
Shell V-Power – Νέα βελτιωμένα καύσιμα

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
Εγγραφείτε στο newsletter

Για να λαμβάνετε τα τελευταία νέα, ενημερώσεις και ειδικές προσφορές απευθείας στο email σας.