In jedem elektrischen System ist der Strom ein wichtiger Parameter. Sowohl Ladesysteme für Elektrofahrzeuge (EV) als auch Solarsysteme erfordern die Erkennung des Stromniveaus, um die Stromumwandlung, das Laden und Entladen zu steuern und zu überwachen. Stromsensoren messen den Strom, indem sie den Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand oder das durch den Strom in einem Leiter erzeugte Magnetfeld überwachen.
Steuerungsschemata für Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) nutzen Strominformationen, um den Betrieb des PV-Wechselrichters zu steuern oder den Strom am oder vom AC-Ausgang zu erfassen, um Komponenten vor Überstrom oder Fehlerereignissen zu schützen. Es gibt viele verschiedene Arten von Stromsensoren und jede Technologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Welcher Stromsensortyp für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist, hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Leistungsniveau des Systems, der erwarteten Genauigkeit und den Kosten. In diesem Artikel wird untersucht, welche Geräte zur Strommessung in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge und Photovoltaik-Wechselrichtern geeignet sind.
Strommessung in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge
In Ladegeräten für Elektrofahrzeuge werden Stromsensoren verwendet, um den Strom an Stellen wie der Eingangs-Wechselstromversorgung, dem DC/DC-Wandler und der Ausgangsstromversorgung zu messen, um zu bestätigen, ob das Ladegerät korrekt Wechselstrom an das Bordladegerät des Elektrofahrzeugs liefert System oder Gleichstrom wird direkt an die Batterie geliefert. Heutzutage werden 400-V-Batterien auf 800 V und höhere Spannungen umgestellt, um mehr Leistung und schnelleres Laden zu ermöglichen.
Bei Ladegeräten der Stufen 1 und 2 liefert das Ladegerät Wechselstrom an das Bordladegerät des Elektrofahrzeugs, das wiederum den eingehenden Wechselstrom in geeignetere Spannungs- und Stromwerte zum Laden der Batterie des Elektrofahrzeugs umwandelt. Bei häuslichen Ladegeräten der Stufen 1 und 2 erfordert die Strommessung normalerweise keine sehr hohe Genauigkeit, da dem Benutzer keine Kosten entstehen. Aktuelle Informationen verschaffen Nutzern jedoch über eine App oder die Benutzeroberfläche am Ladegerät einen Überblick über Strom und Stromverbrauch. Abbildung 1 zeigt zwei Ladegeräte für Elektrofahrzeuge der Stufe 2 und zwei ladende Elektrofahrzeuge auf einem Parkplatz.
In einem EV-Ladegerät der Stufe 3 wandelt die Ladeinfrastruktur Wechselstrom in Gleichstrom um, um Gleichstrom schnell direkt an die Batterie zu liefern. Dabei werden herkömmliche Bordladegeräte umgangen und ein ultraschnelles Laden von Elektrofahrzeugen an der Ladestation ermöglicht. Eine erhöhte Leistungskapazität in Ladegeräten und Batterien für Elektrofahrzeuge trägt dazu bei, den Bedarf an schnellem Laden und größerer Reichweite zu decken. Die Strommessung kann dabei helfen, den Ladevorgang zu steuern, um ein optimales und sicheres Laden von Batterien zu gewährleisten und so die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen und Batteriesystemen zu verlängern.
Bei einem Ladegerät der Stufe 3 beträgt die Frequenz des Schaltsignals 50 kHz bis 100 kHz, daher ist ein Stromsensor von mindestens 250 kHz erforderlich, um entsprechende Messdaten zu erhalten. Darüber hinaus ist auch die Ausbreitungsverzögerung sehr wichtig, da der Stromsensor schnell auf Änderungen in der Signalumschaltung reagieren muss. Geräte wie der TMCS1123 von Texas Instruments weisen ohne Kalibrierung einen maximalen Fehler von ±1,75 % über Temperatur und Lebensdauer auf, der nach einer Einzelpunktkalibrierung auf ±1,00 % über Temperatur und Lebensdauer sinkt.
Da der TMCS1123 über eine hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit bei der Bereitstellung aktueller Informationen verfügt, ermöglichen diese Genauigkeits- und Geschwindigkeitsspezifikationen Systemingenieuren, DC-Sperrkondensatoren aus isolierten DC/DC-Wandlern zu eliminieren, wodurch Systemingenieure bei der Entwicklung von Ladegeräten der Stufe 3 Kosten sparen können. .
Stromerfassung in Photovoltaik-Wechselrichtern
In PV-Wechselrichtersystemen werden Stromsensoren verwendet, um den Strom in verschiedenen Konfigurationen zu messen, z. B. an den AC- und DC-Eingängen des Wechselrichters, DC/DC-Boost, DC/DC-Wandlern und Netzausgang, und helfen so bei der Überwachung und Steuerung der Leistung Umwandlungsprozess. Die Strommessung erfolgt an einzelnen Stromschienen in PV-Wechselrichtern für Privathaushalte, wobei die Spannungspegel auf den Schienen bis zu 1.000 VDC betragen können, die Spannung am PV-Eingang jedoch typischerweise etwa 500 V bis 600 VDC beträgt und der Netzeingang und -ausgang bis zu 1.000 VDC betragen kann 400VAC. Die Stromerfassungsfunktion kann zur Optimierung des PV-Wechselrichtersystems beitragen und sicherstellen, dass die am Netzausgang gelieferten Leistungspegel und Frequenzen zuverlässig und angemessen sind, sodass sich alle Lasten innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs (SOA) befinden.
Die Schaltsignale in Photovoltaik-Wechselrichtern ähneln denen in Ladegeräten für Elektrofahrzeuge und liegen bei Frequenzen zwischen 50 kHz und 100 kHz. Darüber hinaus können Stromsensoren zu Diagnosezwecken eingesetzt werden, beispielsweise zur Überwachung von Solarmodulen auf Fehler, die auf lose Verbindungen oder beschädigte Module hinweisen könnten. Der TMCS1123 bietet eine verbesserte Betriebsspannung von ±1.100 VDC und ist somit ideal für den Einsatz mit den meisten String-Wechselrichtern. Abbildung 2 zeigt mehrere Beispiele für die Strom- und Spannungsmessung, die in einphasigen String-Wechselrichtern verwendet werden, wobei die entsprechenden Schaltungsteile in roten Kästchen markiert sind.
Aktuelle Überlegungen zum Sensordesign
Werfen wir einen Blick auf einige der wichtigsten Überlegungen bei der Auswahl von Stromsensoren für Ladesysteme für Elektrofahrzeuge und Photovoltaik-Wechselrichtersysteme:
• Nennleistung. Der Stromsensor (ob magnetbasiert, shuntbasiert oder mit einer anderen Technologie) muss in der Lage sein, die Betriebsstrom- und Spannungspegel des Systems zu verarbeiten. Entwickler müssen auf der Grundlage der Systemeingänge geeignete Techniken auswählen, um sicherzustellen, dass der Strom während seiner gesamten Lebensdauer ununterbrochen in das System fließen kann.
• Genauigkeit. Stromsensoren müssen genau genug sein, um die vorgesehenen Steuer- und Überwachungsfunktionen bereitzustellen und sicherzustellen, dass das System innerhalb der SOA wie erwartet funktioniert. Die hohe Genauigkeit trägt zur Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrads bei und reduziert gleichzeitig die Anzahl der Komponenten sowie jegliche Oberschwingungen, die aufgrund verrauschter Schaltsysteme in das Netz eingespeist werden können.
• Bandbreite. In Schaltsystemen ist die Geschwindigkeit ein wichtiger Parameter. Der TMCS1123 bietet eine Signalbandbreite von 250 kHz und eine Ausbreitungsverzögerung von 600 ns, was dem System genügend Geschwindigkeit gibt, um entsprechende Messungen durchzuführen. TI entwickelt außerdem weitere Hochgeschwindigkeitsgeräte mit ähnlichen mechanischen Abmessungen. Wir beobachten, dass bei unseren Geräten die Ausbreitungsverzögerung mit zunehmender Bandbreite abnimmt.
• kosten. Bei der Auswahl eines Stromsensors müssen die Kosten des Sensors gegen die Vorteile abgewogen werden, die er bietet. Während in einem Stück verpackte Hall-Effekt-Stromsensoren oft auf die Erkennung von Strömen innerhalb eines bestimmten Bereichs beschränkt sind, sind Shunt-basierte Systeme flexibler, da Sie den Shunt-Widerstandswert basierend auf Systemparametern wählen können.
Shunt-basierte Stromerfassungstechnologie
In Ladesystemen für Elektrofahrzeuge, Photovoltaik-Wechselrichtersystemen und anderen Systemen, die eine Strommessung erfordern, sind Hall-Effekt-Stromsensoren und Shunt-basierte Stromsensoren die gebräuchlichsten Stromsensortechnologien.
Shunt-basierte Stromsensoren sind im Allgemeinen über den gesamten Strombereich genauer als Hall-Effekt-Stromsensoren. Bei Verwendung stabiler Verstärkertechnologie oder Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und Präzisions-Shunt-Widerständen können Shunt-basierte Stromsensoren über den gesamten Strommessbereich, Betriebstemperaturbereich und die gesamte Lebensdauer eine Genauigkeit von weniger als 1 % erreichen. Eine Shunt-basierte Lösung kann so einfach sein wie ein Operationsverstärker, ein speziell entwickelter Strommessverstärker (wie der INA241A von TI), ein isolierter Verstärker für höhere Spannungen (wie der AMCS1300B von TI) oder ein Σ-Δ-Modulator mit digitalem Ausgang ( wie TIs AMCS1306). Dieser Verstärkertyp wird typischerweise verwendet, um den Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand zu überwachen und einen proportionalen Spannungsausgang bereitzustellen. Jede Lösung unterscheidet sich in Betriebsspannung, Offsetspannung, Drift, Bandbreite und Benutzerfreundlichkeit. Ähnlich wie All-in-one-Hall-Effekt-Lösungen sind Shunt-basierte Sensoren eine aufdringliche Technologie, die Widerstände beinhaltet, und auch der Stromverbrauch ist ein Faktor, der bei der Gesamtkonstruktion berücksichtigt werden muss.
Hall-Effekt-Stromerkennungstechnologie
Einteilig verpackte Hall-Effekt-Stromsensoren sind in Hochspannungssystemen beliebt, da sie eine verstärkte oder doppelte Isolierung bieten. Hall-Effekt-Stromsensoren neigen jedoch dazu, im Laufe der Temperatur und Lebensdauer zu driften, was ihnen einen schlechten Ruf einbringt. TI hat den Driftfehler des TMCS1123 drastisch auf ±0,5 % reduziert. Das Gerät verfügt über eine differenzielle Hall-Effekt-Erkennung, die Magnetfeldinterferenzen oder Übersprechen erheblich reduziert, und bietet zusätzliche Funktionen wie Überstromerkennung, präzise Spannungsreferenz und Sensoralarme; siehe Abbildung 3. Bei Verwendung einer All-in-One-Gehäuselösung fließt Strom innerhalb des Gehäuses durch den Leadframe, was den Leadframe-Widerstand und thermische Einschränkungen des Chips mit sich bringt, was wiederum die Strommenge begrenzt, die das Gerät verarbeiten kann. Die Geräteproduktfamilie TMCS1123 ist in der Lage, 75 Arms Strom bei 25 °C zu messen.
Andere Lösungen umfassen Umgebungs-Hall-Effekt-Sensoren oder Fluxgate-Sensoren (wie DRV401 von TI), die möglicherweise unterschiedliche Arten von Kernen, Abschirmungen oder mechanischen Designs erfordern, um ordnungsgemäß zu funktionieren, sowie Geräte oder Leiterplatten im Herstellungs- oder Verwendungsprozess. Bewegungen können zu Verschiebungsfehlern führen und möglicherweise die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Bei Hochspannungsanwendungen gibt es mehrere Designherausforderungen, die den Entwurf von Systemen schwieriger und kostspieliger machen. Mit dem Produktportfolio und den Ressourcen von TI können Sie Designprobleme schnell und kostengünstig lösen, technologische Fortschritte für die breite Masse zugänglich machen und einen größeren Einfluss auf unser Leben haben.