Požadavek na nižší emise skleníkových plynů moderních automobilů dal vzniknout vozům s hybridním nebo v budoucnu i jen čistě elektrickým pohonem. Ať tak či tak, je v případě každého použití elektrické soustavy v automobilu víc než důležité přesně měřit hodnotu elektrického proudu a to i v případě hodnot mnoha ampér. Jde o to, že regulace soustavy generátor / motor - baterie musí být co nejlépe vyvážená, protože každý watt vydané elektrické energie z baterií musí být nějakým způsobem pokrytý zpětným předáním energie do baterie z jiného zdroje. V případě využívání energie zpětné přeměny pohybu při jízdě z kopce nebo při brždění, jde z pohledu baterie prakticky o neustálé střídání nabíjení a vybíjení článků, které je nutné přesně monitorovat a správně řídit, aby bylo neustále v zásobě dostatek energie pro okamžitou potřebu rozjezdu či zrychlení a zároveň byla maximalizována životnost drahých baterií. Zvláště je správná regulace toku el. energie důležitá v případě hybridních pohonů (kombinace spalovací motor a elektromotor), kdy akumulátory automobilu mají relativně dost malou kapacitu, protože jsou využívány primárně při rozjezdu či pomalém popojíždění ve městech, a elektrická energie do baterií se získává jen z generátoru v automobilu. Navíc jsou tendence využívat vysokonapěťový rozvod a jímání energie pro snížení hodnot proudů. Řídící elektronika však zde musí mít přesně neustále „jasno“ o tom, kolik energie se v bateriích ještě skrývá, kdy je ještě vhodné využívat elektrický pohon, kdy již spalovací a kdy je nutné baterie nabíjet.
Příklad konstrukce hybridního elektro-spalovacího motoru rakouské společnosti STEYR.
Právě pro tento účel je nutné zvolit správné měření elektrického proudu na vodičích k bateriím a to jak stejnosměrnou DC složku, tak i střídavou AC složku.
Obecně se pro měření el. proudu využívají následující metody:
- měření úbytku napětí na snímacím rezistoru
- systém s proudovým transformátorem
- systém s Hallovým senzorem a otevřenou smyčkou
- magneticky vyvažovaný systém
Každá z uvedených metod má své výhody a nevýhody:
V prvním případě se systém s měřícím rezistorem nehodí pro soustavy s vyšším napětím a velkými krátkodobými nabíjecími a vybíjecími proudy o velikosti až stovek ampér obvyklé u hybridních pohonů. Jejich slabinou je elektrická izolace a hlavně generování velkého množství ztrátového tepla.
Druhý případ využívající proudový transformátor neumožňuje měření stejnosměrné složky, což je v případě využívání baterií k ničemu.
Pro přesné měření velkých proudů nevhodné metody: měření úbytku napětí (vlevo) a proudový transformátor (vpravo).
V případě měření s otevřenou smyčkou a magnetickým vyvažováním je nutné vzít na vědomí, že zde je velmi důležitá přesnost měření, kdy se hlavně musí minimalizovat tzv. akumulovaná chyba měření, aby bylo možné trvale mít přesný přehled o uložené energii. Metoda měření s otevřenou smyčku totiž jen zesiluje napěťový signál z Hallova snímače měřícího magnetický tok. Výhodou je jednoduchost a nízké náklady na výrobu, ale problém je právě kumulovaná přesnost měření díky chybě převodní charakteristiky. Tento problém právě odstraňuje magneticky vyvažovaný systém měření, který se však naopak vyznačuje velkými rozměry a složitou konstrukcí. Pro celkově drahý hybridní systém automobilů nejsou tyto negativa až tak problematická. Navíc zároveň splňuje požadavek na bezkontaktní měření zachovávající vysokou izolaci el. rozvodu od nízkonapěťových systémů a měří stejně dobře stejnosměrnou i střídavou složku i velké hodnoty proudu do 200 A. Také je toto měření nevíce odolné proti negativním vlivům jakými jsou okolní elmag. rušení, vibrace a vliv velkých změn vlhkosti a teploty, které jsou u dopravních prostředků běžné.
Magneticky vyvažovaný snímač proudu pro automobilový průmysl od společnosti TDK.
Magneticky vyvažovaný snímač proudu TDK
Jedním z výrobců těchto měřících systémů pro automobilový průmysl je i společnost TDK-EPC. Ta vyvinula magneticky vyvažovaný proudový snímač s elektrickým i napěťovým výstupem – viz zapojení níže.
Blokové schéma provedení snímače proudu s proudovým výstupem.
Celé zapojení se točí okolo hlavní a v měřícím systému největší komponenty – cívky L1, která je realizována jako velký toroid se vzduchovou mezerou (permalloy s jen velmi malým zbytkovým magnetickým tokem) obtočený několika tisíci závity. Dále je důležitý Hallův senzor H1 vložený do jeho vzduchové mezery. Měřený vodič od baterie prochází právě středem cívky L1. Pokud jím protéká měřený proud, indukuje se v jádře cívky magnetický tok současně procházející i Hallovým senzorem. Jím generované výstupní napětí Vh je pak přivedeno na vstup napěťového operačního zesilovače U1. Jeho výstupem generovaný proud je pak přiveden do závitů cívky L1. Zde generuje opačné magnetické pole, které potlačuje původní pole generované měřeným proudem tak, aby výstupní napětí Hallova senzoru bylo nulové. Takto vzniklá zpětná vazba tak v každý okamžik zajišťuje konstantní hustotu magnetického toku.
Za předpokladu, že:
- měřený proud I(1) je v ampérech,
- měřený vodič vytváří jeden závit,
- zpětnovazební proud zesilovače I(2) je v ampérech,
- počet závitů cívky L1 je 4 000,
pak platí, téměř nezávisle na ostatních okolnostech, poměrový vztah:
Malé hodnoty el. proud I(2) pak již lze snadno změřit jako úbytek napětí na malém rezistoru R1, protože jím generovaný ztrátový výkon je zde minimální. Na následujícím grafu je převodní závislost výstupního proudu snímače na měřeném proudu. Dále je zde graf chyby měření způsobené změnou okolní teploty. Při velkém měřícím rozsahu ±200A je chyba ±0.4A (±0.2%) při rozsahu teplot – 30 až +85°C, které se v automobilu mohou vyskytnout, akceptovatelná. To vše při reakčním času snímače na skokovou změnu 1,2 mikrosekundy.
Převodní (měřící) charakteristika zapojení s proudovým výstupem (vlevo) a graf chyby měření způsobené změnou okolní teploty (vpravo).
Takto konstruovaný snímač však byl napájen „dostatečně“ velkým napětím +/- 12 V, takže z pohledu zpětnovazební regulace bylo možné „zanedbat“ úbytek regulačního napětí na odporu vodiče cívky L1. V současné době se však klade důraz na možnost 5 V napájení snímače. V tomto případě však úbytek napětí např. na odporu vynutí 50 Ohmů může být i +/- 2,5 V a tedy systém snímače je neustále v saturaci.
Blokové schéma zapojení s napěťovým výstupem pro napájení +5 V.
Proto společnost TDK zapojení upravila tak, že přiřadila kompenzační zapojení realizující rovnici Vcc = Vcc(1)+Vcc(2), kde poměr Vcc(1) / Vcc (2) je automaticky nastavován v závislosti na směru a množství proudu procházející cívkou L1 a tím rozšiřuje 5V napájení téměř na rozsah +/-5V. Tím lze stejný princip použít při nízkém napájecím napětí. Dále místo měřícího odporu byl na výstup snímače připojen převodník I -> U, protože signálové napětí je možné hned digitalizovat a zpracovávat např. mikrokontrolérem. Tento snímací systém se od roku 2009 úspěšně využívá v hybridních automobilech. Zde je výstupní charakteristika:
Převodní (měřící) charakteristika zapojení s napěťovým výstupem.
Příklad parametrů proudového snímače s magnetickým vyvažováním společnosti TDK:
- Výstup snímače: napěťový nebo proudový
- Měřící rozsah: -200 až + 200 A
- Napájecí napětí: +/- 12 V nebo + 5V
- Pracovní teplota: -30 až 80°C
- Poměr výstupního a měřeného proudu: 4000:1
- Chyba offsetu: max. +/- 0,8 A
- Chyba zisku: +/- 0,4 %
- Vlastní spotřeba: max. +/- 80 mA
- Odezva: max. 10 mikrosekund
- Izolační impedance: min. 100 MOhmů
Vytvořil z podkladů společnosti TDK: Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Stránky výrobce, společnosti TDK-EPC - www.tdk.co.jp
- Dempa Shimbun: "Technology for Electric Current Sensors Using the Magnetic Balance System", High-Technology October 28, 2009 Edition
- Další odkazy:
- Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz
