EV, HEV i FVE. K měření proudu jedna osa nestačí

Automobily jsou o pohybu. Základní předpoklad a nesporná výhoda však bude mít i svou odvrácenou stranu – zvláště pak pro ty, kteří je sami navrhují. Se samotným vozidlem se totiž společně hýbou a vzájemně posunují též jeho jednotlivé součásti. A problém, který není radno podceňovat, představuje také chvění. To vše na vývojáře doléhá i v případě měření velikosti elektrického proudu. Jak je to možné?

Mezi senzorem a vedením

Jasně, o nějakém úbytku na shunt rezistoru řeč asi nebude – pokud samozřejmě vše správně drží, jak má. Nás budou v dalším textu zajímat spíše vibrace nebo rázy, znamenající drobné pohyby a vzájemné posuny mezi silovým vedením a bezjádrovým snímačem, což může rychle vést ke ztrátě přesnosti měření. A to zejména v situacích, kdy detekujeme magnetické pole pouze v jednom směru, resp. ose. Co s tím?

Pokud se chceme oprostit od magnetických jader, zde např. typu C, nezbývá, než učinit vhodná protiopatření. V případě stávající bezjádrové jednoosé nabídky by mohly pomoci úpravy na samotném vedení, kdy měděný pás za cenu určitých vícenákladů „dovybavíme“ vhodně zvolenými zářezy, otvory či zúžením. Zapomenout ale nesmíme na otázku teploty a přehřívání, zvláště, když nám v elektromobilech potečou stovky ampérů, nebo také parazitní vlivy, odpovídající komplikovanějšímu tvaru silové sběrnice na cestě mezi trakčními měniči a motory. Firma Texas Instruments proto v těchto dnech přichází s řešením [1].

Nové integrované obvody TMCS2100-Q1, celým názvem „Coreless Multi-Sensor Hall-Effect Current Sensor“ již skloňují obě osy, a to současně jak pro horizontální, tak i vertikální složky sledovaného magnetického pole. Obejdeme se proto bez výše zmiňovaných modifikací vedení, obdržíme potřebnou flexibilitu a ještě si oproti stávajícímu bezjádrovému systému třeba i dvacetinásobně polepšíme s přesností. To vše s pouzdry typu TSSOP o 14 vývodech a velikosti 5 × 6,4 mm. A nemusí jít pouze a jen o automobilový průmysl. Součástky se rovněž uplatní ve střídačích, přeměňujících energii třeba ze solárních panelů.

Bez jádra, ale s algoritmem

Víceosá inovace s proudovými čidly, navrženými primárně pro ještě kompaktnější a efektivně fungující trakční systémy, využije pochopitelně Hallova jevu. V praxi se přitom nevymezuje pouze vůči magnetickému jádru, které zde výměnou za rostoucí rozměry či hmotnost slibovalo určitou přesnost, ale pouští se také do svých rozdílových souputníků. Bezjádrové alternativy bývají sice menší, ale obecně ztrácí na přesnosti právě kvůli chybám z posuvu, resp. vychýlení, či z titulu vzájemného magnetického rušení (přeslechů). Roli zde pochopitelně hrají též výrobní tolerance. A samozřejmě teplotní výkyvy.

V Texasu proto vycítili příležitost a nachystali první bezjádrový proudový senzor svého druhu. V případě obvodů TMCS2100-Q1 pak ještě víceosému měření sekunduje chráněný algoritmus. Chyba z posuvu proto i při mechanickém vychýlení o 0,4 mm nepřesáhne ani jedno procento, zatímco za předpokladu jedné desetiny milimetru dále klesá na pouhých 0,25 %, což jen zefektivňuje řízení točivého momentu a umožňuje maximální přenos výkonu bez ohledu na aktuální zatížení či teplotu. Přesnost měření nelze opomíjet, zvláště pak s rostoucími požadavky 800V návrhů. Díky společné multisenzorové architektuře se navíc vývojáři snadno přizpůsobí mechanické konstrukci celého systému a co nejlépe využijí dostupné místo.

Teplotní rozsah od -40 °C až do +150 °C v kontextu AEC-Q100, ale ani předpoklady pro funkční bezpečnost, netřeba dále zdůrazňovat. Nás bude spíše zajímat plně rozdílový výstup, nastavitelné zesílení a v neposlední řadě také svižná odezva. Výrobce slibuje dobu 2,6 μs, šířku pásma 250 kHz a průchozí zpoždění v délce 0,7 μs. Multisenzorový systém, napájený v rozmezí od 3 V do 5,5 V, poté na výskyt nadproudů zareaguje během 500 ns. Čip kromě toho nabízí aktivní frekvenční kompenzace pro potlačení amplitudových chyb, které zde vyvolávají vířivé proudy. Výrobci se u snímačů TMCS2100-Q1 rovněž daří bojovat s přeslechy mezi jednotlivými fázemi. Výsledkem jsou chyby měření pod 0,5 %, a to i při plném zatížení s proudy přesahujícími jeden kiloampér. Vedle logicky zvolených analogových vstupů či výstupů máme k dispozici také číslicové protějšky v čele s rozhraním I²C. Varianta TMCS2100A1QPWRQ1 počítá s rozsahem ±10,6 mT až ±84,4 mT, zatímco pro verzi „A2“ bude typický pobyt spíše v rozmezí od ±5,3 mT do ±42,2 mT, příp. pak za předpokladu „A3“ u magnetického pole ještě uvažujeme rozpětí mezi ±2,6 mT a ±21,2 mT [2].

Další podrobnosti již přináší volně přístupný článek „Smooth operators: How multiaxial Hall-effect current sensors deliver precise torque control“ [3]. A zapomenout nesmíme ani na užitečné nástroje – moduly TMCS2100EVM či TMCS2100CHAREVM, příp. i samotný referenční návrh trakčního 800V střídače TIDM-02014 s populárními tranzistory na bázi karbidu křemíku o výkonu 300 kW, který zde firma Texas Instruments nachystala ve spolupráci s Wolfspeed [4].

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://www.ti.com/about-ti/newsroom/news-releases/2026/ti-debuts-new-approach-to-current-sensing-for-unprecedented-accuracy-in-hev-and-ev-traction-inverter-designs.html

[2] Obvody TMCS2100-Q1, https://www.ti.com/product/TMCS2100-Q1

[3] Technický článek, https://www.ti.com/lit/pdf/ssztdd7

[4] Referenční návrh, https://www.ti.com/tool/TIDM-02014

robenek@dps-az.cz