Rutronik GmbH
Avtor: Ralf Hickl
2022-303-28
Z elektromobilnostjo narašča potreba po tipalih za dvosmerno merjenje izmeničnih in enosmernih tokov v vozilih. Biti morajo učinkovita, točna, majhna in prilagodljiva za uporabo. Novo tokovno tipalo zdaj izpolnjuje vse zahteve
Vse več stvari v avtomobilih pridobiva energijo iz baterije, še zlasti, če imajo električni pogon. Hkrati postajajo baterije in porabniki vozil vse zmogljivejši. To pomeni višje napetosti in tokove v električnem omrežju vozila. Pri višjih napetostih veljajo drugi standardi in varnostni predpisi, kot sta galvanska ločitev od drugih napetosti električnega omrežja vozila in večja potrebna zaščita pred dotikom. Visoki tokovi pomenijo večje izgube moči v kablih in vseh drugih ohmskih napravah. To zahteva zelo nizkoohmske soupore, ki prenesejo velike izgubne moči. So razmeroma veliki, kar pomeni veliko materiala, teže in stroškov.
Za zaščito baterije in električnih napeljav električnega omrežja v vozilu pred preobremenitvijo je treba meriti tokove. Požar na električnem kablu lahko namreč hitro pomeni popolno uničenje vozila.
V preteklosti so to zaščitno funkcijo opravljale taljive varovalke. Zdaj uporabljamo polprevodniška stikala, ki se izklopijo pri previsokem toku ali kratkem stiku. Pogoj za to pa je točna meritev toka. Natančno merjenje tokovnih signalov potrebujejo zlasti pogonski razsmerniki.
Magnetna tipala za galvansko izolacijo
Če imamo v vozilu več napetosti, na primer 12 V, 48 V in visoko napetost, imamo s tem večje zahteve po galvanski izolaciji med njimi. Velike prednosti zlasti pri visokih tokovih zagotavljajo tipala, ki merijo magnetno polje, ki nastane zaradi toka, in ga posredujejo kot analogni signal: V primerjavi z uporovnim merjenjem toka s souporom imajo magnetna tipala bistveno manjše izgube moči in hkrati zagotavljajo galvansko izolacijo. To so pomembne lastnosti zlasti za visoke napetosti in tokove. Ločitev potencialov namreč zagotavlja zaščito pred dotikom, majhna izgubna moč pa majhno segrevanje samega tipala.
Za vse te izzive so v podjetju Infineon razvili svoje tokovno tokovno tipalo TLI4971 posebej za uporabo v avtomobilih: Pri novem TLE4972 merjeni tok ne teče več skozi ohišje integriranega vezja kot pri TLI4971. Namesto tega tipalo postavimo brez stika v bližino tokovnega voda na tiskano vezje ali zbiralko.
Tokovno tipalo TLE4972 ne potrebuje jedra …
Zmogljivejši baterijski sistemi omogočajo višje vršne tokove pri običajnem delovanju in pri kratkem stiku. Če ima tokovno tipalo koncentrator pretoka z magnetnim jedrom, ga je treba ustrezno predimenzionirati. Sicer ga lahko tok kratkega stika trajno namagneti in s tem popači prenosno karakteristiko sistema. Ker TLE4972 nima jedra, tudi pri previsokih tokovih, ki se lahko pojavijo na primer pri kratkem stiku, ne more priti do nasičenosti magnetnega jedra s kasnejšo remanenco. To prispeva k visoki linearnosti, hkrati pa prenosna karakteristika nima histereze.
… je hitro …
Hitro merjenje je potrebno zlasti za prepoznavanje previsokega toka ali kratkega stika, zlasti pri glavnem stikalu baterije. TLE4972 to zagotavlja z dvema ločenima izhodoma z odprtim ponorom z nastavljivimi pragovi proženja in programabilnimi filtri za motilne impulze. Ta javljata previsok tok na primer mikrokrmilniku ali gonilniku vrat. Tipičen odzivni čas izhoda OCD (Over Current Detection – zaznavanje previsokega toka) z odprtim ponorom je pod 1 µs. Velik frekvenčni razpon tipala TLE4972, od 0 Hz do vsaj 120 kHz, pomaga pri hitrem zaznavanju previsokega toka brez zamud zaradi izvajanja programske opreme.
Tudi diferencialni analogni izhod omogoča visoko pasovno širino in ga lahko zato uporabljamo za krmiljenje navora pogonskih motorjev v električnih vozilih.
… je točno …
Diferencialna meritev pomeni, da neželena sipana polja, na primer zaradi toka v sosednjih vodnikih, ne vplivajo na izmerjeni signal. Dodatna tipala v integriranem vezju pri tem kompenzirajo tudi vplive temperature in mehanskih obremenitev. To dodatno poveča točnost in stabilnost skozi celotno življenjsko dobo komponente. Na podatkovnem listu je navedena točnost meritve manj kot 2 % za celotno temperaturno območje in življenjsko dobo. Merilno območje TLE4972 je razširljivo s programsko konfiguracijo in mehansko konstrukcijo celotnega sistema.
Celoten sistem, torej tipalo plus vodnik na tiskanem vezju ali tokovno zbiralko, je mogoče po sestavljanju umeriti in s tem kompenzirati proizvodne tolerance. Komunikacija poteka po priključku Aout ob vklopu.
… je varno …
V podjetju Infineon so tokovno tipalo TLE4972 razvili skladno z avtomobilskim standardom za funkcionalno varnost ISO 26262. Z visoko stopnjo pokritosti samodiagnostike to tipalo izpolnjuje zahteve za varnostni element zunaj konteksta (Safety Element out of Context – SEooC) za funkcionalno varnost razreda ASIL B. TLE4972 zato posebej priporočamo za načine uporabe, ki zahtevajo visoko raven funkcionalne varnosti. Razvijalci lahko ustrezno dokumentacijo na zahtevo dobijo od podjetja Infineon. S temi podatki lažje izračunate zanesljivost celotnega sistema in jo hitreje dokažete.
… in prilagodljivo
TLE4972 zagotavlja izmerjene vrednosti v analogni obliki. Izhod lahko konfigurirate in lahko deluje diferencialno, poldiferencialno ali asimetrično (Single-Ended). Asimetrični način pomeni, da tipalo referenčno napetost dobi od zunaj, na primer iz priključenega analogno-digitalnega pretvornika (ADC). V poldiferencialnem načinu ima svojo notranjo referenčno napetost Vref priključeno na izhodni priključek, na primer za uporabo s priključenim ADC. S tem se zmanjšajo sofazne motnje, dokler se ne spreminjajo v času pretvorbe ADC.
V diferencialnem načinu oddaja tokovno tipalo TLE4972 dva protifazna izhodna signala. Ta način delovanja pri uporabi z ADC z diferencialnimi vhodi zagotavlja najboljšo možno odpornost proti sofaznim motnjam na analogni prenosni poti. V tem pogledu se TLE4972 odlično dopolnjuje s programabilnimi sistemi na integriranem vezju (PSoC®) Infineon serij 4, 5 in 6. Ti imajo namreč 12-bitne ADC z diferencialnimi vhodi in enako napajalno napetost kot tipalo, 3,3 V.
Dve vrsti ohišja
TLE4972 je na voljo v dveh ohišjih: V ohišju TDSO-16 je primeren za merjenje tokov do približno 400 A, ki tečejo po vodnikih na ali v običajnem večslojnem tiskanem vezju. Za višje tokove do približno 800 A priporoča podjetje Infineon vgradnjo nad bakreno zbiralko s predpisano geometrijo (sliki 2, 3).
Za tokove od 400 A do 2 kA je idealna izbira TLE4972 v ohišju TSON-6. Ta meri 4,5 x 3,5 mm in ga je mogoče vgraditi tudi navpično v izrez v tokovni zbiralki.
Podpora proizvajalca
Podjetje Infineon podpira razvoj s TLE4972 z novim simulacijskim orodjem, ki je na voljo v spletu na platformi Collaboration Platform podjetja Infineon (dostop si morate vklopiti). Proizvajalec ponuja tudi tri preizkusne plošče za različna merilna območja: TLE4972 EVAL STD PCB (do približno 200 A), TLE4972 EVAL INLAY (do približno 400 A), TLE4972 EVAL LAT BAR (do približno 580 A), TLE4972 EVAL VER (do približno 830 A)
Zaključek
TLE4972 je komponenta za brezpotencialno merjenje visokih dvosmernih tokov. Poleg tega ločeno signalizira previsok tok in izpolnjuje zahteve za ASIL B kot SEooC. Zaradi tega je še posebej primerna za krmiljenje motorjev. Poleg tega lahko z analognimi in digitalnimi funkcijami sistema PSoC elegantno implementiramo vso elektroniko za elektronsko visokonapetostno varovalko.
Strokovnjaki v poslovni enoti Rutronik Automotive Business Unit (ABU) menijo, da bo komponenta koristna v številnih različnih sistemih:
Merjenje faznih tokov motorjev za:
Pogoni BLDC za pogon, pomožni pogon, e-turbinske polnilnike, integrirane zaganjalnike/generatorje, jermenske zaganjalnike/generatorje
Merjenje toka na visoki strani za:
- Elektronske varovalke
- Sistemi za upravljanje baterije (BMS)
- Odklopniki za baterije ali bremenski odklopni ločilniki
