Sådan vil en ny generation af integrerede strømsensorer hjælpe til at drive elektrificeringen af to- og trehjulede køretøjer videre ud på det globale marked
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 8 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Charles Flatot-Le Bohec, global produktdirektør, e-mobility, LEM
Elektrificering er blevet en vigtig faktor inden for transportsektoren, der jo leverer et kritisk bidrag til CO2-emissionen for de fossile brændstoffers vedkommende. Mange lande stræber mod fuld CO2-neutralitet i 2035, og hidtil er det busser, taxier og i visse lande privatbiler, der har været i front af den elektriske omstilling. Elbiler er blevet almindelige, men på mange markeder har man overset den lette e-mobilitetssektor, hvor der er et stigende behov for elektrificering af to- og trehjulede køretøjer. Elbilerne har megen fokus i den vestlige verden, men små e-køretøjer udgør nok et endnu større marked på resten af kloden.
Den lette transportsektor er gået mod elektrificering i mange lande, ikke mindst i Sydøstasien som i Malaysia og Indonesien, men også i Indien, Kina (og snart Afrika), hvor tohjulet transport er langt det mest almindelige. Man anslår, at der nu er over 70 millioner elektriske tohjulede køretøjer på verdens veje, og det tal vokser eksplosivt. Man regner også med, at elektrificering af tohjulet transport vil gribe om sig i de mere nordlige økonomier, og mange virksomheder i både USA og Europa arbejder mod at lancere produkter på disse markeder.
Væksten er langt større inden for tohjulede end for firhjulede elkøretøjer, ikke mindst fordi certificering og designudfordringerne er langt mindre komplekse. Tilsvarende er batteri management-systemer (BMS) lettere at designe for denne sektor, da batterier til tohjulere er mindre og bærer mindre spændinger og effekter. Alt dette medfører, at startups kan gå ind på det elektriske mobilitetsmarked for tohjulede køretøjer med langt færre problemer, end tilfældet ville være for design af elbiler – når man nu skal designe køretøjer og systemer helt fra scratch.
I 2021 var rundt regnet seks procent af de lette køretøjer elektriske, mens resten er baseret på forbrændingsmotorer (ICE). I 2023 regner man med, at elektriske scootere og motorcykler vil repræsentere 68 procent af markedet for tohjulede køretøjer. Det svarer til et salg til 30 millioner e-scootere, 23 millioner e-motorcykler og 40 millioner elcykler over de kommende seks år. Typisk er de elektriske tohjulede køretøjer i dag baseret på 48V-systemer, men væksten vil fremover nok komme fra motorcykler med 100V-200V forsyning fulgt af elcykler med 36V-systemspændinger. I Indien udgør de lidt kraftigere motorcykler det største tohjulede marked, og væksten kommer fra en frisk bølge af elektriske designs, hvor lav vægt samt kompakte og robuste komponenter er blandt de vigtigste designkrav.
ICS’er i epicentret
LEM tror på, at de integrerede strømsensorer (ICS’er) med strømfølerfunktionen integreret i én samlet halvleder vil være i epicentret for fremtidens e-mobilitetsmarked. Det skyldes, at en ICS kombinerer præcision, pålidelighed og en høj effekttæthed med en alsidig og prisoptimal måde at opfylde behovet til varierende spændinger og strømme, som kendetegner den lette transportsektor. Inden for stærkt konkurrenceprægede og prisfølsomme miljøer er ICS’er i stand til at give producenter en øjeblikkelig løsning på at holde omkostningerne nede og maksimere pladsudnyttelsen på designets print. Desuden spiller ICS’er en vital rolle i maksimering af sikkerheden, ikke mindst inden for styring af BMS’en, hvorved batterier kan opnå levetider på mindst ti år under normale driftsforhold.
I årevis har LEM haft et øje på de strategiske kernemarkeder, og det har ført til udvikling af en portefølje af sensorer rettet mod e-mobilitetssektoren og ikke mindst de elektriske tohjulede køretøjer og trefasede AC-motorer – og det med produkter, der er lige så avancerede som dem, man kender fra elbilerne. LEM’s udbud af ICS’er dækker alle e-mobilitets subsystemer, hvilket let kan omfatte op til otte sensorer i hvert køretøj.
Der er tre hovedområder, hvor ICS’er er den bedste løsning til elektriske tohjulere. Først er der effektkonverteringen, hvor en oplader omformer elnettets AC-spænding til DC, som køretøjernes litium-ion (Li-Ion) batteri behøver.
Derefter følger typisk tre målepunkter til strømmåling, hvor fokus ikke kun er på effektkonverteringen, men også på effektivitet og styring: Én ICS udfører måling på AC-input, hvor laderen skal tjekke den strøm, der føres ind i systemet. En anden ICS moniterer effekttransistorerne og de switche, der konverterer AC til DC. Denne strømsensor synkroniserer transistorerne, så konverteringen bliver udført på den mest effektive måde. Endelig er der måling på DC-output ud af systemet, og denne strøm sammenlignes med den forventede output-strøm. Enhver forskel vil indikere et problem i konverteringstrinnet, som mikrocontrolleren derfor skal justere, så den ønskede output-strøm bliver leveret.
Typiske LEM ICS’er til disse funktioner inkluderer GO-sensorer, da input-sensoren skal isoleres på grund af netspændingen. Med spændinger på elnettet på mellem 200- og 240VAC på input er GO SME ICS’er ideelle til de relativt lave strømme, mens en GO SMS egner sig til de højere strømme. GO SME-sensorer egner sig også til output-trinnet, hvor der kræves mindre isolation, da man typisk arbejder med 48V-batterier.
Undgå skader på batteriet
Det andet vitale ICS-område i elektriske tohjulere er BMS’en, der har til formål at undgå skader på batteriet samt potentielle katastrofale fejl som brand eller eksplosion. BMS’en fungerer som en beskyttelses- og sikkerhedskomponent, og en enkelt sensor i BMS’en tjekker, om der er inrush-strømme eller spikes ind eller ud af batteriet. I så fald vil ICS’en instruere mikrocontrolleren om at åbne et relæ, der forhindrer energistrømmen til eller fra batteriet. Oftest vil ICS’en fungere sammen med en shunt, der anvender en anden slags teknologi til at udføre de samme målinger, hvor mikrocontrolleren så sammenligner signalerne. Denne redundans betyder, at der i tilfælde af fejl på én sensor fortsat vil være en anden til at udføre målingerne uanset årsagen til udfald af den ene sensor.
ICS’ens tredje område er ideelt til tohjulede køretøjer, og det er den motorstyring, hvor DC-strømmen fra batteriet inverteres til en trefaset AC-strøm, der driver den elektriske motor, som står for køretøjets fremdrift. Typisk vil fire sensorer være i brug, én på input-trinnet og tre på output, og de vil alle som regel loddes automatisk og direkte på styringsprintet, hvor de optager minimalt med plads. Igen er mikrocontrolleren her involveret i at tjekke, at både input og output er som forventet. Sikkerheden er forstærket gennem alle sensorer ved, at input og output samarbejder harmonisk for at sammenligne strømme for dermed at sikre, at driften er korrekt. Da mikrocontrolleren styrer transistor gate-driverne med det signal, som controlleren modtager fra strømsensoren, er det en yderst effektiv kontrol-loop, der giver en præcis styring af motoren. Resultatet for slutbrugeren er en jævn acceleration og maksimal driftseffektivitet for køretøjer.
De LEM ICS’er, som typisk ville blive brugt til disse formål, er HMSR SMS-familien, især på grund af den store primære leder med meget lav elektrisk modstand og dedikerede pads, der gør håndtering af store strømme mulig om nødvendigt. Med sin mikromagnetiske kerne er HMSR-sensorerne immune over for eksterne felter, hvorfor de er ideelle til effektelektronik, hvor man må forvente høje forstyrrelsesniveauer fra omgivelserne.
Konklusion
Kort sagt er de integrerede strømsensorer i elektriske to- og trehjulede køretøjer i stand til at levere en overlegen ydelse fra små og prisbillige kapslinger med en imponerende effekttæthed, der gavner lette køretøjer. Sensorerne kombinerer høje isolationsniveauer med præcision og evnen til at kontrollere større strømme om end fra en mere integreret formfaktor, som er let at placere direkte på et styringsprint.
LEM’s stadigt større portefølje af integrerede strømsensorer vil ganske sikkert komme til at spille en vital rolle i væksten inden for det hastigt voksende globale marked for lette to- og trehjulede køretøjer.
Billedtekster:
1: Frem mod 2030 vil elektriske scootere og mindre motorcykler tegne sig for en stadigt større del af det globale marked for to- og trehjulede køretøjer og dermed overhale antallet af fossilt drevne lette køretøjer.
2: Schweiziske LEM udvikler stadigt mindre strømsensorer/-transducere, hvilket er en betingelse for brug i lette elektriske køretøjer.
3: Strømfølere kan i dag virkelig defineres som ”komponenter” – også til større nominelle strømme.
4: Strømsensorer indgår i alle led i den elektriske ”fødekæde” fra laderne helt ud til motorstyringen af mindre elkøretøjer.
