En viktig del i hybrid- och elfordon är den batteriströmgivare som mäter batteriets laddnings- och urladdningsnivå, liksom dess hälsotillstånd. Ramon Portas och Gauthier Plagne, LEM, ger här en bakgrund till problemet och dess lösning.

Fordonsindustrin har förändrats mycket under de senaste åren.  Efter mer än ett sekel av förbättringar och utveckling av de traditionella bensin- och dieselmotorer som driver fordon börjar biltillverkarna nu i allt högre grad förse denna traditionella teknik med någon form av elektriskt stöd.  Dessa så kallade “hybrid”-fordon klarar att uppfylla eller överträffa kundernas förväntningar vad gäller effekt och gensvar samtidigt som de drar mindre bränsle och därmed ger mindre avgaser. De nya elektriska systemen i dessa fordon, inkluderande energiåtervinningssystem för bromsar, start-/stop-funktion och elmotordrivna hjul, kräver alla noggrann mätning och styrning av det elektriska flödet i fordonet för optimerad prestanda och för att undvika katastrofala fel.
En viktig del i dessa system är den batteriströmgivare som mäter batteriets laddnings- och urladdningsnivå, och dess hälsotillstånd. Det finns flera existerande tekniker som kan utnyttjas för en bra strömgivare för fordonsbatterier. Shuntgivare är det alternativ som vissa biltillverkare valt, medan andra föredrar att utnyttja halleffekts- eller fluxgate-baserade givare i sina konstruktioner. Som vanligt finns det  både fördelar och nackdelar med de olika teknikerna.

Ofta använd shunt
Shuntbaserade strömgivare har använts mycket under det senaste årtiondet för att mäta batteriström framför allt i dyra bilar. Sådana bilar har avancerad elektronik som noggrant spårar batteriets laddningskapacitet och hälsotillstånd, och ibland någon form av prestandaförbättrande elektrisk assistans.
Shunten är ett motstånd gjort av relativt dyr material såsom mangan eller nickel/krom-legeringar, vars impedans är mycket låg, väl känd och noggrant karaktäriserad över en rad olika temperaturer och spänningar. Genom att mäta spänningsfallet över shuntmotståndet kan strömflödet genom motståndet beräknas med hjälp av Ohms Lag. Motståndet är placerat i strömflödets väg till och från bilens batteri, vilket ger noggrann, högupplöst information om spänning och ström (en temperaturavkänningsmöjlighet läggs också till). Dessutom kan de mäta ett mycket brett område av strömamplituder, från milliampere till över en tusen ampere i korta utbrott som uppkommer när bilen startar.   Användningen av shuntar kan vara problematisk vid mätning av mycket hög ström, eftersom dessa måste dimensioneras att acceptera höga strömflöden, och de förbrukar mycket energi.  Deras fördelar och frånvaron av alternativ med likvärdig prestanda under det senaste decenniet har gjort att de har valts av tillverkare av dyrare bilar, låt vara till relativt hög kostnad per enhet.
Halleffektsbaserade strömgivare har utnyttjats i industritillämpningar under flera decennier och även inom fordonsindustrin under många år.  Halleffektsgivare är känsliga för magnetiska fält.  Genom att koncentrera de magnetiska fält som genereras av den ström som passerar i exempelvis batterikablar på givarens halleffektscell kommer givaren att ge en signal som är proportionell mot strömmen.  Den signalen kan sedan bearbetas vidare i den analoga eller digitala delen för att utesluta brus, och för att kompensera för de fel som tekniken medför.  En analog spänningsutgång, eller någon form av PWM, eller SENT-baserad signalutgång kan sedan ges till fordonets batterihanteringsprocessorer, som i sin tur integrerar denna för att bestämma laddningen och/eller batteriets hälsotillstånd.
En egenskap hos halleffektsgivare som har förhindrat vissa biltillverkare, framför allt bland de som gör dyrare fordon, från att utnyttja dessa i sina batterihanteringssystem är deras offset-fel. De elektriska och magnetiska offset-felen ökar osäkerheten hos den uppmätta signalen. De kan inte kompenseras för till fullo och kan därmed påverka beräkningen av batteriladdningsnivån. Offset-fel är även temperaturberoende, ibland med väsentlig variation mellan komponenter.  Shuntbaserade givare saknar dessa magnetiska hystereseffekter.    Sammanlagda fel på 3 till 5 procent var vanliga i halleffektsgivare för bara några år sedan. De senaste teknikförbättringarna gör att felet i många fall minskar till 1 till 2 procent. Krets- och magnetkärnekonstruktioner av halleffektsgivare är de främsta drivkrafterna för denna förbättring. Som en jämförelse har shuntar en noggrannhet på cirka 1 procent.
Halleffektgivare har flera fördelar över shuntbaserade givare. De främsta är isolation och tillförlitlighet. Halleffektgivare är galvaniskt isolerade från primärströmmen eftersom de är placerade runt kabeln och fångar det magnetiska fältet för att ge sin avläsning. De kan motstå mycket högre ström- och spänningstoppar utan att ta skada. Dessutom är begränsas inte placeringen av halleffektsgivare till  batteriterminalen, såsom flertalet shuntar, utan de kan placeras varsomhelst längs den kabel eller ledare vars ström behöver mätas. Detta ger biltillverkare stora ekonomiska fördelar eftersom de kan hitta en enda, standardkomponent för användning i vilken som helst och samtliga olika motor- och batterikonfigurationer med olika kabellängder.

Halleffekt billigare
Halleffektsgivare är i allmänhet mycket billigare att tillverka än motsvarande shuntar. Shuntar utnyttjar stora mängder av dyra material och elektronik för att filtrera och behandla utsignalen, medan halleffektsgivare endast kräver små mängder av järnhaltigt material och en integrerad krets (ASIC).
Om en shunt måste tillhandahålla en galvaniskt isolerad utsignal, innebär det en väsentlig extrakostnad för produkten. Halleffektsteknikens stora kostnadsfördelar har gjort att många biltillverkare har valt den tekniken för sina strömavkänningstillämpningar för batterier, i utbyte mot lite mindre noggrannhet jämfört med shuntbaserade alternativ.

Fluxgate-tekniken
Fluxgate-tekniken överbryggar gapet mellan halleffektsgivare och shuntar genom att tillhandahålla fördelarna med en isolerad givare med obetydlig signal-offset. Denna teknik har under många år använts i dyra industrikomponenter, men fluxgate-baserade strömgivare finns nu i fordonskvalificerade lösningar till kostnader jämförbara med shuntar. I likhet med halleffektsgivare är dessa känsliga för de magnetiska fält som genereras runt primärkabeln.  Mätprincipen är dock unik och all signal-offset utsläcks automatiskt av växelströmmen i lindningarna hos den fasta magnetiska kärnan. Mätfelet hos Fluxgate-givare är mindre än 0,5 procent med en sammanlagd offset på mindre än 10 mA i en produkt med området 400 A, vilket är en stor fördel.

Fig 1. Noggrannheten i transducers.
När strömvärden ingereras över tiden för exempelvis en beräkning av laddningstillståndet i ett fordon multipliceras den förbättrade noggrannheten, vilket ger fluxgate-givare en klar fördel jämfört med halleffekts- och t o m shunt-baserade tekniker.

Fig 2. Jämförelse av strömsensorer i en “state-of-charge”-tillämpning (SOC).

Fig 3. SOC-fel vid en typisk strömprofil för ett elfordon.

De kan dessutom placeras varsomhelst längs ledaren, nära eller långt ifrån batteriet, och erbjuder därmed biltillverkare en konstruktionsflexibilitet som hjälper till att minska kostnaden.   Fluxgate-givare passar utmärkt för hybrid- och elfordon där noggrann strömmätning är kritisk, och där de höga strömamplituderna och sensorisoleringen ställer till problem för shuntbaserade alternativ.
Det finns flera tekniker för mätning av ström i fordonsbatterier, vardera med vissa fördelar och nackdelar. Tillverkare av dyra bilar har hittills föredragit shuntbaserade lösningar på grund av deras höga noggrannhet och stora mätområde.
Fluxgate-teknik, som en gång i tiden bara utnyttjades i mycket dyra industritillämpningar, har nu omarbetats och blivit ett konkurrenskraftigt alternativ även för fordonstillämpningar, och erbjuder bättre noggrannhet än shuntar samtidigt som de fortfarande är galvaniskt isolerade. När kostnaden fortsätter att vara av högsta prioritet är halleffektsgivare den bästa lösningen. Deras historiskt sett främsta nackdel (offset-fel) håller på att åtgärdas genom tekniska framsteg för att ge noggrannhet i billigare produkter. Det ökade behovet av strömmätning i bilar innebär möjligheter för fortsatt utveckling av dessa tekniker så att de kan bli en nödvändig del av konstruktionen och tillverkningen av framtida fordonssystem.

Filed under: Fordonselektronik