Escrito por Grant Maloy Smith, o especialista em aquisição de dados

Este artigo apareceu na Evaluation Engineering e foi publicado aqui com permissão.

Os avanços na tecnologia de teste de bateria estão chegando rapidamente e os engenheiros precisam estar cientes das práticas recomendadas mais recentes e das metodologias de teste emergentes.

SIRIUS-XHS-PWR device with DC CT current tranduces

Com cada carro elétrico vendido hoje, o desempenho econômico e a autonomia se tornam mais importantes. Extrair até o último joule de energia das baterias e do sistema elétrico é essencial para os engenheiros de projeto. O desenvolvimento de baterias de estado sólido prontas para a produção em série por volume está sendo impulsionado por muitos fornecedores OEM e Tier 1.

Durante o desenvolvimento do veículo, os engenheiros realizam análises de fluxo de energia para entender a eficiência da transferência de energia e a proporção do consumo de energia entre os vários subsistemas. Essa análise informa o modelo de simulação da análise de desempenho econômico, orientando a formulação de indicadores de desempenho razoáveis. A medição precisa e a previsão do consumo de energia do veículo são necessárias tanto para o desenvolvimento quanto para a operação do veículo. O desenvolvimento de componentes elétricos eficientes e sem emissão de EMC, como motores eletrônicos, inversores, carregadores e sistemas de gerenciamento de energia está em pleno andamento.

Fora do veículo, o gerenciamento de energia inteligente do Veículo para a Rede, cabos para fluxo de energia rápido e de alta potência e soluções de carregamento indutivo estão em desenvolvimento. A tecnologia para dar suporte a essas megatendências já passou muito do estágio de “lista de desejos”. Como resultado, os recentes desenvolvimentos de veículos elétricos mostram a necessidade de sensores de corrente com classes de precisão de 0,1% a 0,01% para medições precisas de energia, com correntes de pico de curto prazo de até 2.000 A.

Para apoiar o desenvolvimento dos veículos elétricos atuais e futuros, o desenvolvedor de aquisição de dados Dewesoft desenvolveu o sistema de medição de alta corrente e alta tensão SIRIUS XHS-PWR. Alcançar a combinação de alta largura de banda e extrema precisão de medição de tensão e corrente necessária para esses testes, em um formato pequeno e robusto adequado para o ambiente de teste, foram os principais desafios técnicos envolvidos na criação do SIRIUS XHS-PWR.

Tecnologia do Núcleo

Por exemplo, o sistema de aquisição de dados de veículos elétricos SIRIUS XHS-PWR é baseado em várias tecnologias centrais avançadas, mais notavelmente das quais é o transdutor de detecção de corrente DC-CT. Essa abordagem atinge medições de corrente extremamente precisas nas aplicações mais exigentes, incluindo a medição de picos de corrente muito altos e corrente de fuga. O sistema de transdutor de medição de corrente DC-CT é construído em um único núcleo de alta permeabilidade e um princípio de medição de método de loop fechado de fluxo zero, com o inovador Platiše Flux Sensor (PFS) (Figura 1).

Inside the SIRIUS XHS-PWR with Integrated DC-CT Current TransducerFigura 1: Dentro do SIRIUS XHS-PWR com transdutor de corrente DC-CT integrado

O transdutor DC-CT pode ser visto como um transformador de corrente AC (TC), onde os enrolamentos primário e secundário acoplam o transformador para sinais AC, até alguns Hertz. Assim como em outras tecnologias de malha fechada, o PFS mede continuamente o fluxo magnético residual no núcleo resultante da diferença entre as correntes primária e secundária (compensação). A saída do PFS é proporcional ao fluxo magnético no núcleo. Ele aciona o circuito de controle de resposta para ajustar a corrente de compensação para restaurar o equilíbrio de fluxo zero ideal no núcleo. Portanto, a corrente de compensação espelha com precisão a corrente primária, escalonada pelo número de espiras primária versus secundária.

A tecnologia DC-CT com o Platiše Flux Sensor representa a mais recente tecnologia de detecção de corrente com faixas de 100, 500 e 1000 Amps, largura de banda> 500 kHz e alto desempenho. Excelente linearidade, precisão, exatidão, imunidade a campos magnéticos externos, deslocamentos baixos e variação de temperatura extremamente baixa são alcançados em operação de baixa potência. Também pode medir diretamente a tensão de pico de 2.000 V (com segurança CAT II 1000 V), com largura de banda de até 5 MHz.

A tecnologia DC-CT usa um princípio inovador de medição isolada de correntes DC e AC. Dentro de um núcleo magnético, o fluxo magnético só pode ser medido se não for constante (ou seja, mudando ou alternando). Como uma corrente CC gera um fluxo magnético constante, o princípio inovador redistribui esse fluxo entre dois ou mais caminhos periodicamente em um único núcleo. Se observarmos esse fluxo magnético de um único caminho, ele parece alternado e, portanto, é facilmente medido por um enrolamento simples cuja tensão é proporcional à corrente de medição.

Isso foi conseguido pela invenção de um circuito de relutância variável controlado por corrente. Este componente vital é composto de um “enrolamento infinito” embutido em um núcleo sem lacunas que retém as boas propriedades dos materiais de alta permeabilidade. Comparando este princípio com os sensores baseados no efeito Hall amplamente usados inseridos em um núcleo magnético, a solução DC-CT não cria nenhum entreferro, mantendo uma sensibilidade e imunidade muito altas a campos magnéticos externos. Além disso, o novo princípio de detecção DC-CT independe da temperatura.

Isso foi conseguido pela invenção de um circuito de relutância variável controlado por corrente. Este componente vital é composto de um “enrolamento infinito” embutido em um núcleo sem lacunas que retém as boas propriedades dos materiais de alta permeabilidade. Comparando este princípio com os sensores baseados no efeito Hall amplamente usados inseridos em um núcleo magnético, a solução DC-CT não cria nenhum entreferro, mantendo uma sensibilidade e imunidade muito altas a campos magnéticos externos. Além disso, o novo princípio de detecção DC-CT independe da temperatura.

  Tipo Isolado Faixa Largura de banda Linearidade Precisão Temp- Drift Consumo
DC-CT® DC/AC Sim Alto Alto Excelente Muito alto Muito baixo Médio
Flux-gate DC/AC Sim Alto Alto Excelente Excellente Baixo Alto
Hall DC/AC Sim Alto Médio Médio Médio Alto Baixo-médio
Shunt DC/AC Não Médio Médio Bom Alto Médio Alto
Rogowsky AC Sim Alto Alto Bom Médio Baixo Baixo
CT AC Sim Alto Médio Médio Médio Baixo Baixo

Tabela 1: Comparação de DC-CT com outros sistemas de sensores de corrente

As soluções flux-gate de ponta requerem até três núcleos em vez de apenas um, como no caso do transdutor de corrente DC-CT. Dois deles são necessários para detecção, operando em direções opostas para reduzir o ruído injetado, e o terceiro é usado para estender a largura de banda AC. Os sensores de porta de fluxo reconfiguram o núcleo repetidamente, enquanto o DC-CT desmagnetiza o núcleo mediante solicitação. O DC-CT é, portanto, eficiente em termos de energia, compacto em tamanho, baixo ruído, alta largura de banda, independente da temperatura e econômico. Os produtos existentes estão disponíveis de 2 A a 2.000 A, com largura de banda de até 1 MHz e precisão de destino de 0,1% a 0,01%.

Outros usos potenciais incluem a substituição de sensores de corrente residual DC / AC da classe B +. Olhando mais de perto o Sensor de Fluxo Platiše, seu projeto conceitual é baseado em um núcleo magnético (B) por cujo centro passa um fio que conduz a corrente a ser medida, também chamada de corrente primária Ip (A). O enrolamento de compensação secundário (C) Lcomp contém um maior número de voltas e está distribuído em torno da maior parte do núcleo magnético. O material magnético então introduz aberturas adicionais, para formar um Platiše Flux Sensor (PFS). O PFS é composto por uma relutância variável controlada por corrente (CCVR) e o enrolamento Ls (D) no lado esquerdo da abertura, e o enrolamento de medição de fluxo Lm (E) no lado direito da abertura.

A diferença entre as correntes primária e secundária cria um fluxo residual ou não compensado no núcleo, e sem a presença da corrente no enrolamento Ls, a porção CCVR se redistribui quase igualmente entre os caminhos (D) e (E). Estimular o enrolamento Ls (D) com corrente elétrica diminui a permeabilidade e, portanto, aumenta a resistência do caminho (D). Ele atua como uma espécie de interruptor magnético que, com a presença de corrente, quase abre; e então o fluxo que antes era distribuído quase igualmente entre os caminhos (D) e (E) é forçado a fluir principalmente através de (E). No ciclo de medição PFS, o enrolamento Ls está continuamente comutando e cortando o fluxo magnético não compensado residual e redistribuindo continuamente o fluxo entre os caminhos (D, E) e apenas (E).

Para simplificar, digamos que na primeira etapa cada caminho vê metade do fluxo e, na segunda etapa, todo o fluxo flui apenas por (E) e nenhum por (D). Portanto, essa grande mudança de fluxo dΦ / dt através do caminho (E) é facilmente capturada pelo enrolamento Lm. A magnitude da saída retificada (demodulada) é diretamente proporcional à magnitude do fluxo magnético residual e sua fase é proporcional ao sinal do fluxo.

Sistema HybridADC analógico para digital

Outra tecnologia de núcleo importante dentro do SIRIUS XHS-PWR é o sistema de aquisição de dados HybridADC. Afinal, não faz sentido colocar um sensor de alta largura de banda em um sistema DAQ que não tem largura de banda para lidar com isso. Um dos dois modos de gravação pode ser selecionado para cada canal independentemente, de acordo com a aplicação. Existe um modo de largura de banda alta, com largura de banda superior a 5 MHz e taxa de amostragem de até 15 MS / s. O SIRIUS XHS-PWR pode adquirir sinais de impulso, passo e quadrado sem qualquer toque ou ultrapassagem. Este modo é perfeito para gravação de transientes e análise de energia e usa a tecnologia SAR ADC de baixa latência. Há também um modo High Dynamic com uma taxa de amostragem de até 2 MS / s, que pode ser selecionado com resolução de 24 bits e filtragem anti-aliasing de parede de tijolos, o que significa que as frequências acima da banda passante são totalmente rejeitadas. Neste modo, SIRIUS XHS-PWR opera com a tecnologia Sigma-Delta ADC (Figura 2).

Schematic diagram of Platiše Flux DC-CT Sensor (PFS)
Figure 2: Schematic diagram of Platiše Flux DC-CT Sensor (PFS)

É importante observar que cada um dos canais pode ser definido para qualquer um desses modos: alguns podem ter largura de banda alta e alguns podem ser altamente dinâmicos, e todos os sinais estão perfeitamente alinhados no tempo uns com os outros com mudança de fase zero. Os dados podem ser sincronizados com outras fontes de dados, como interfaces de ônibus de veículos como CAN (e outros), bem como GPS, IMU , vídeo e muito mais. Os instrumentos SIRIUS XHS-PWR podem ser sincronizados usando o protocolo PTPv2, código de tempo IRIG ou um sinal PPS. A sincronização de tempo absoluto também pode ser obtida usando servidores de tempo internos ou GPS.

O software DewesoftX calcula e armazena automaticamente não apenas os dados brutos dos transdutores de tensão e corrente, mas também todos os parâmetros de potência, como P, Q, S, D, Cos φ, fator de potência, bem como P, Q, cos φ para cada harmônico e muito mais. Cada parâmetro pode ser exibido visualmente em uma variedade de gráficos de histórico de tempo, gráficos FFT, escopos e exibições numéricas. Monitores centrados em energia, como Vector Scope e Harmonic FFT, também estão incluídos e podem ser colocados em qualquer lugar da tela. Usando uma placa gráfica de computador como uma plataforma de cálculo multithread, o módulo de energia DewesoftX pode calcular todos esses parâmetros até a taxa de amostragem superior de 15 MS / s (Figura 3).

ADC modes of SIRIUS XHS-PWR HybridADCFigura 3: modos ADC do SIRIUS XHS-PWR HybridADC

Compatibilidade com protocolos padrão

No mundo atual de conjunto de ferramentas aberto e intercomunicação, os dispositivos devem ser compatíveis com os protocolos padrão. Todos esses protocolos podem ser usados simultaneamente com o SIRIUS XHS-PWR. OPC UA é mais do que apenas um protocolo padrão da indústria, OPC UA é uma estrutura sólida onde o SIRIUS XHS-PWR pode ser descrito e configurado em qualquer sistema, incluindo SCADA, MES, ERP, dispositivos móveis e outros.

O XCP na Ethernet (TCP / IP) começou com a versão 1.4, XCP, e se tornou um protocolo de interface muito poderoso para troca de dados na indústria automotiva. Nesta era de e-mobilidade, as taxas de amostragem precisam ser mais altas do que nunca, e esta interface XCP de 1 Gbit permite transferências de dados de até 1 MS / s. Monitoramento CAN 2.0 e CAN FD, com dados medidos do SIRIUS XHS-PWR transmitidos por CAN para qualquer interface CAN de terceiros. Os sistemas de barramento do veículo podem ser lidos através da interface CAN FD, enquanto os dados medidos também podem ser transmitidos através deste protocolo padrão “dourado”.

Os dados podem, portanto, ser sincronizados com outras fontes de dados como CAN, GPS, IMU, vídeo e muito mais. Os instrumentos SIRIUS XHS-PWR podem ser sincronizados usando o protocolo de temporização PTPv2 mais recente (Figura 4). O SIRIUS XHS-PWR é adequado para instalação direta em um veículo. As linhas de energia passam diretamente pelo dispositivo, que mede 279 x 151 x 63 mm (10,98 x 5,94 x 2,48 polegadas). Como o SIRIUS XHS-PWR tem uma faixa de temperatura operacional de -40 a 70 ° C (-40 a 158 ° F), ele também é adequado para testes nas condições mais extremas. Sua construção em alumínio fresado e baixa massa (Typ. 4,4 kg / 9,7 lb.) permitem que ele resista a condições de direção reais difíceis e é vedado contra poeira e líquidos com uma classificação IP67.

Typical SIRIUS XHS-PWR ADC displayFigura 4: Visor SIRIUS XHS-PWR ADC típico

Esperando ansiosamente

O SIRIUS XHS-PWR foi projetado para ser instalado em um veículo diretamente nas linhas de alimentação. Sua proteção IP67 permite que ele trabalhe em ambientes adversos, como testes de drives reais. É uma combinação exclusiva de conversores HybridADC analógico-digital de alta largura de banda, condicionadores de sinal de alta precisão / alta largura de banda e transdutores de corrente DC-CT de alta precisão / largura de banda - todos compactados e robustos com excelentes especificações ambientais. Este sistema permite que os engenheiros de teste de veículos elétricos realizem análises de fluxo de energia como nunca antes e, portanto, otimizem seus projetos para obter o melhor desempenho energético possível nos veículos elétricos de hoje e de amanhã.

O mundo dos carros elétricos está evoluindo rapidamente e nunca foi tão importante que os engenheiros estejam atualizados sobre as principais tecnologias de mobilidade eletrônica. Clique nos links incorporados para saber mais sobre o SIRIUS XHS-PWR, suas especificações técnicas e mais sobre inovações em testes de veículos elétricos e híbridos.