Écrit par Grant Maloy Smith, l'expert en acquisition de données 

Cet article est paru dans Evaluation Engineering et a été publié ici avec autorisation.

Les progrès en matière de technologie de test des batteries sont rapides, et les ingénieurs doivent connaître les dernières meilleures pratiques et les méthodologies de test émergentes.

SIRIUS-XHS-PWR device with DC CT current tranduces

Avec chaque voiture électrique vendue aujourd'hui, les performances économiques et l'autonomie ne font que gagner en importance. Pour les ingénieurs concepteurs, il est essentiel d'extraire le moindre joule d'énergie des batteries et du système électrique. De nombreux équipementiers et fournisseurs de niveau 1 encouragent le développement de batteries solides à haute énergie par volume, prêtes pour la production en série.

Pendant le développement du véhicule, les ingénieurs effectuent une analyse du flux d'énergie afin de comprendre l'efficacité du transfert d'énergie et la proportion de la consommation d'énergie entre les différents sous-systèmes. Cette analyse alimente le modèle de simulation de l'analyse de la performance économique, guidant la formulation d'indicateurs de performance raisonnables. La mesure et la prédiction précises de la consommation d'énergie des véhicules sont nécessaires tant pour le développement que pour l'exploitation des véhicules. Le développement de composants électriques efficaces et sans émissions CEM, comme les moteurs électriques, les onduleurs, les chargeurs et les systèmes de gestion de l'énergie, bat son plein.

À l'extérieur du véhicule, la gestion intelligente de l'énergie du véhicule au réseau, les câbles pour un flux d'énergie rapide et de grande puissance et les solutions de recharge par induction sont en cours de développement. La technologie nécessaire pour soutenir ces mégatendances a largement dépassé le stade de la "liste de souhaits". En conséquence, les récents développements de véhicules électriques montrent un besoin de capteurs de courant avec des classes de précision de 0,1% à 0,01% pour des mesures de puissance précises, avec des pics de courants allant jusqu'à 2000 A.

Pour soutenir le développement des véhicules électriques d'aujourd'hui et de demain, le fabricant de système d'acquisition de données Dewesoft a mis au point le système de mesure de courant et de tension élevés SIRIUS XHS-PWR. Obtenir la combinaison d'une large bande passante et d'une extrême précision de mesure de la tension et du courant requise pour ces tests, dans un format petit et robuste adapté à l'environnement de test, a été le principal défi technique de la création du SIRIUS XHS-PWR.

Technologies de base

Par exemple, le système d'acquisition de données pour véhicules électriques SIRIUS XHS-PWR est basé sur plusieurs technologies de base avancées, dont la plus remarquable est le transducteur de détection de courant DC-CT. Cette approche permet d'obtenir des mesures de courant extrêmement précises dans les applications les plus exigeantes, notamment la mesure de pics de courant très élevés et de courants de fuite. Le système de transducteur de mesure de courant DC-CT est construit sur un seul noyau à haute perméabilité et sur un principe de mesure en boucle fermée à flux nul, avec l'innovant capteur de flux Platiše (PFS)(Figure 1).

Inside the SIRIUS XHS-PWR with Integrated DC-CT Current TransducerFigure 1 : Intérieur du SIRIUS XHS-PWR avec capteur de courant DC-CT intégré

Le transducteur DC-CT peut être considéré comme un transformateur de courant alternatif (CT), où les enroulements primaires et secondaires couplent le transformateur pour les signaux alternatifs, jusqu'à quelques Hertz. Comme pour les autres technologies en boucle fermée, le PFS mesure en permanence le flux magnétique résiduel dans le noyau résultant de la différence entre les courants primaire et secondaire (de compensation). La sortie du PFS est proportionnelle au flux magnétique dans le noyau. Elle commande un circuit de contrôle de rétroaction pour ajuster le courant de compensation afin de restaurer l'équilibre optimal du flux nul dans le noyau. Par conséquent, le courant de compensation reflète exactement le courant primaire, mis à l'échelle par le nombre de tours primaires et secondaires.

La technologie DC-CT avec le capteur de flux Platiše représente la dernière technologie de détection de courant avec des gammes de 100, 500 et 1000 ampères, une bande passante >500 kHz et des performances élevées. La linéarité, la précision, l'exactitude, l'immunité aux champs magnétiques externes, les faibles décalages et la dérive thermique extrêmement faible sont excellents pour un fonctionnement à faible puissance. Il peut également mesurer directement la tension jusqu'à 2000 V crête (avec une sécurité CAT II 1000 V), avec une bande passante allant jusqu'à 5 MHz.

La technologie DC-CT utilise un principe innovant de mesure isolée des courants continus et alternatifs. Dans un noyau magnétique, le flux magnétique ne peut être mesuré que s'il est non constant (c'est-à-dire changeant ou alternatif). Étant donné qu'un courant continu génère un flux magnétique constant, le principe innovant redistribue ce flux entre deux ou plusieurs chemins périodiquement dans un seul noyau. Si nous observons ce flux magnétique à partir d'un seul chemin, il apparaît alternatif et est donc facilement mesuré par un simple enroulement dont la tension est proportionnelle au courant de mesure.

Ce résultat a été obtenu grâce à l'invention d'un circuit à réluctance variable commandé par le courant. Ce composant essentiel est composé d'un "enroulement infini" intégré dans un noyau sans entrefer qui conserve les bonnes propriétés des matériaux à haute perméabilité. Si l'on compare ce principe aux capteurs à effet Hall largement utilisés et insérés dans un noyau magnétique, la solution DC-CT ne crée aucun entrefer, conservant ainsi une très grande sensibilité et une immunité aux champs magnétiques externes. En outre, le nouveau principe de détection DC-CT est indépendant de la température.

Comparons ce principe aux capteurs à grille de flux haut de gamme les plus utilisés, dans lesquels une grille de flux ajoute de l'énergie au noyau pour alterner le flux entre les limites opérationnelles maximale et minimale du noyau, consommant ainsi une quantité importante d'énergie. La valeur du courant peut être extraite des harmoniques secondaires, de la modulation de la largeur d'impulsion dans les solutions auto-oscillantes, ou d'autres méthodes (tableau 1).

  Type Isolé Gamme Bande passante Linéarité Précision Dérive T° Consomation
DC-CT® DC/AC Oui Haut Haut Excellente Très grande Très faible Moyenne
Flux-gate DC/AC Oui Haut Haut Excellente Excellente Faible Haute
Hall DC/AC Oui Haut Moyen Moyenne Moyenne Haute Faible-Moy
Shunt DC/AC Non Moyen Moyen Bonne Haute Moyenne Haute
Rogowsky AC Oui Haut Haut Bonne Moyenne Faible Faible
CT AC Oui Haut Moyen Moyenne Moyenne Faible Faible

Tableau 1 : Comparaison du DC-CT avec d'autres capteurs de courant

Les solutions à base de à flux-gate haut de gamme nécessitent jusqu'à trois noyaux au lieu d'un seul, comme dans le cas du capteur de courant DC-CT. Deux d'entre eux sont nécessaires pour la détection, fonctionnant dans des directions opposées pour réduire le bruit injecté, et le troisième est utilisé pour étendre la bande passante en courant alternatif. Les capteurs flux-gate réinitialisent le noyau de façon répétée, tandis que le DC-CT démagnétise le noyau sur demande. Le DC-CT est donc économe en énergie, de taille compacte, à faible bruit, à bande passante élevée, indépendant de la température et rentable. Les produits existants sont disponibles de 2 A à 2000 A, avec une bande passante allant jusqu'à 1 MHz et une précision cible de 0,1% à 0,01%.

D'autres utilisations potentielles incluent le remplacement des capteurs de courant résiduel DC/AC de classe B+. Si l'on regarde de plus près le capteur de flux Platiše, sa conception est basée sur un noyau magnétique (B) au centre duquel passe un fil transportant le courant à mesurer, également appelé courant primaire Ip (A). L'enroulement secondaire de compensation (C) Lcomp contient un plus grand nombre de tours et est réparti autour de la majorité du noyau magnétique. Le matériau magnétique introduit alors des ouvertures supplémentaires, pour former un capteur de flux Platiše (PFS). Le PFS est composé d'une réluctance variable contrôlée par le courant (CCVR) et de l'enroulement Ls (D) sur le côté gauche de l'ouverture, et de l'enroulement de mesure du flux Lm (E) sur le côté droit de l'ouverture.

La différence entre les courants primaire et secondaire crée un flux résiduel ou non compensé dans le noyau, et sans la présence du courant dans l'enroulement Ls, la partie CCVR se redistribue de manière quasi égale entre les chemins (D) et (E). La stimulation de l'enroulement Ls (D) par un courant électrique diminue la perméabilité et augmente donc la résistance du chemin (D). Il agit comme une sorte d'interrupteur magnétique qui, en présence d'un courant, s'ouvre quasiment ; le flux qui était auparavant réparti de manière quasi égale entre les voies (D) et (E) est alors forcé de circuler principalement à travers (E). Dans le cycle de mesure PFS, l'enroulement Ls commute continuellement et coupe le flux magnétique résiduel non compensé, et redistribue continuellement le flux entre les chemins (D, E) et (E) uniquement.

Pour simplifier, disons qu'au cours de la première étape, chaque chemin voit la moitié du flux, et qu'au cours de la deuxième étape, la totalité du flux circule uniquement à travers (E), et aucun à travers (D). Par conséquent, un changement de flux aussi important dΦ/dt à travers le chemin (E) est facilement capturé par l'enroulement Lm. L'amplitude de la sortie redressée (démodulée) est directement proportionnelle à l'amplitude du flux magnétique résiduel, et sa phase est proportionnelle au signe du flux.

Système analogique-numérique HybridADC

Le système d'acquisition de données HybridADC est une autre technologie de base importante du SIRIUS XHS-PWR. Après tout, il est inutile de placer un capteur à large bande passante dans un système d'acquisition de données qui n'a pas la bande passante nécessaire pour le gérer. L'un des deux modes d'enregistrement peut être sélectionné pour chaque voie indépendamment, en fonction de l'application. Il existe un mode à large bande passante, avec une bande passante de plus de 5 MHz et un taux d'échantillonnage allant jusqu'à 15 Méch/s. Le SIRIUS XHS-PWR peut acquérir des signaux impulsionnels, des signaux en palier et des signaux carrés sans oscillation ni saturation. Ce mode est parfait pour l'enregistrement des phénomènes transitoires et l'analyse de puissance et utilise la technologie SAR ADC à faible latence. Il existe également un mode haute dynamique avec une fréquence d'échantillonnage allant jusqu'à 2 Méch/s, qui peut être sélectionné avec une résolution de 24 bits et un filtrage anti-repliement de type brick-wall, ce qui signifie que les fréquences supérieures à la bande passante sont entièrement rejetées. Dans ce mode, le SIRIUS XHS-PWR fonctionne avec la technologie CAN sigma-delta (Figure 2).

Schematic diagram of Platiše Flux DC-CT Sensor (PFS)Figure 2 : Schéma de principe du capteur DC-CT Platiše Flux (PFS)

Il est important de noter que chacune des voies peut être réglée sur l'un ou l'autre de ces modes : certaines peuvent être à large bande passante et d'autres très dynamiques, et tous les signaux sont parfaitement synchronisés dans le temps les uns avec les autres avec un déphasage nul. Les données peuvent être synchronisées avec d'autres sources de données, telles que les interfaces de bus véhicule comme CAN ​​​​​ (et autres), ainsi que le GPS, IMU, la vidéo, etc. Les instruments SIRIUS XHS-PWR peuvent être synchronisés à l'aide du protocole PTPv2, du code temporel IRIG ou d'un signal PPS. La synchronisation en temps absolu peut également être réalisée à l'aide de serveurs de temps internes ou de GPS.

Le logiciel DewesoftX calcule et stocke automatiquement non seulement les données brutes des capteurs de tension et de courant, mais aussi tous les paramètres de puissance, comme P, Q, S, D, Cos φ, le facteur de puissance, ainsi que P, Q, cos φ pour chaque harmonique, et plus encore. Chaque paramètre peut être affiché visuellement dans une variété de graphiques d'historique, de graphiques FFT, d'oscilloscopes et d'affichages numériques. Les affichages centrés sur la puissance, tels que Vector Scope et Harmonic FFT, sont également inclus et peuvent être placés n'importe où sur l'écran. En utilisant une carte graphique d'ordinateur comme plate-forme de calcul multithread, le module de puissance DewesoftX peut calculer tous ces paramètres jusqu'à la fréquence d'échantillonnage maximale de 15 MS/sec (figure 3).

ADC modes of SIRIUS XHS-PWR HybridADC
Figure 3: Modes du CAN du SIRIUS XHS-PWR HybridADC

Compatibilité avec les protocoles standard

Dans le monde actuel de la chaîne de réseaux ouvert et de l'intercommunication, les appareils doivent être compatibles avec les protocoles standard. Tous ces protocoles peuvent être utilisés simultanément avec SIRIUS XHS-PWR. OPC UA est plus qu'un simple protocole standard de l'industrie, OPC UA est un cadre solide où le SIRIUS XHS-PWR peut être décrit et configuré dans n'importe quel système, y compris SCADA, MES, ERP, appareils mobiles, et autres.

XCP sur Ethernet (TCP/IP) a débuté avec la version 1.4, XCP, et est devenu un protocole d'interface très puissant pour l'échange de données dans l'industrie automobile. À l'heure de l'e-mobilité, les taux d'échantillonnage doivent être plus élevés que jamais, et cette interface XCP de 1 Gbit permet des transferts de données jusqu'à 1 Méch/s. Surveillance CAN 2.0 et CAN FD, avec des données mesurées de SIRIUS XHS-PWR transmises via CAN à toute interface CAN tierce. Les systèmes sur le bus véhicules peuvent être lus via l'interface CAN FD tandis que les données mesurées peuvent également être transmises via ce protocole standard "en or".

Les données peuvent donc être synchronisées avec d'autres sources de données comme CAN, GPS, IMU, vidéo, etc. Les instruments SIRIUS XHS-PWR peuvent être synchronisés à l'aide du dernier protocole de synchronisation PTPv2 (Figure 4). Le SIRIUS XHS-PWR peut être installé directement dans un véhicule. Les lignes électriques traversent directement l'appareil, qui mesure 279 x 151 x 63 mm (10,98 x 5,94 x 2,48 pouces). Comme le SIRIUS XHS-PWR a une plage de température de fonctionnement de -40 à 70°C (-40 à 158°F), il convient également aux essais dans les conditions les plus extrêmes. Sa construction en aluminium fraisé et sa faible masse (typ. 4,4 kg / 9,7 lb.) lui permettent de résister à des conditions de conduite réelles et difficiles, et il est étanche à la poussière et aux liquides avec un indice de protection IP67.

Typical SIRIUS XHS-PWR ADC displayFigure 4 : Affichage typique de l'ADC du SIRIUS XHS-PWR

Voir plus loin

SIRIUS XHS-PWR est conçu pour être installé dans un véhicule directement sur les lignes électriques. Sa protection IP67 lui permet de fonctionner dans des environnements difficiles comme les essais de conduite réelle. Il s'agit d'une combinaison unique de convertisseurs analogique-numérique HybridADC à large bande passante, de conditionneurs de signaux de tension à haute précision et à large bande passante, de transducteurs de courant DC-CT à haute précision et à large bande passante, le tout dans un format compact et robuste avec d'excellentes spécifications environnementales. Ce système permet aux ingénieurs chargés des essais de véhicules électriques d'effectuer des analyses de flux d'énergie comme jamais auparavant, et donc d'optimiser leurs conceptions pour obtenir les meilleures performances énergétiques possibles dans les véhicules électriques d'aujourd'hui et de demain.

Le monde des voitures électriques évolue rapidement, et il n'a jamais été aussi important que les ingénieurs soient à jour sur les technologies clés de l'e-mobilité. Veuillez cliquer sur les liens intégrés pour en savoir plus sur le SIRIUS XHS-PWR, ses spécifications techniques, et sur les percées dans les tests de véhicules électriques et hybrides.