Introduction : l'importance de la détection du courant dans un système de gestion des bâtiments
Avec l'essor de l'industrie mondiale des véhicules à énergie nouvelle, le système de gestion de la batterie (BMS) est devenu une technologie clé qui détermine la sécurité, l'autonomie et la durée de vie des véhicules électriques. La détection précise du courant, qui est l'une des fonctions essentielles du BMS, a une incidence directe sur la précision de l'estimation de l'état de la batterie (SOC), de l'évaluation de l'état de santé (SOH) et de la prédiction de l'état de puissance (SOP).
Dans les systèmes de batteries d'alimentation, la détection du courant doit couvrir une large gamme allant des milliampères aux kiloampères, tout en maintenant des mesures de haute précision dans des environnements de température difficiles allant de -40℃ à 85℃. Ce défi technique a donné lieu au développement et à la concurrence d'une variété de solutions de détection de courant, les shunts et les capteurs à effet Hall étant les deux voies technologiques les plus courantes sur le marché aujourd'hui.
I. Exigences techniques pour la détection du courant dans le système de gestion des bâtiments
1.1 Exigences de précision
Selon la norme GB/T 38661-2020 "Battery Management System Technical Conditions for Electric Vehicles", la précision de détection du courant du BMS doit atteindre ±1%FS (pleine échelle) ou plus. Toutefois, les exigences réelles des équipementiers sont souvent plus strictes, et certains modèles haut de gamme exigent que la précision de détection du courant atteigne ±0,5%, voire ±0,3%. En effet, l'intégration du courant est l'une des principales méthodes de calcul du SOC, et même de petites erreurs de mesure accumulées sur une longue période peuvent entraîner des écarts significatifs du SOC.
1.2 Réponse dynamique
Le courant de la batterie d'un véhicule électrique peut changer rapidement dans des conditions de fonctionnement telles que l'accélération rapide et la récupération d'énergie. Par exemple, lors d'un freinage d'urgence, le courant de récupération d'énergie peut passer de 0A à des centaines d'ampères en quelques dizaines de millisecondes. Par conséquent, les capteurs de courant doivent avoir une bande passante suffisante (typiquement ≥10kHz) pour capturer avec précision ces changements transitoires.
1.3 Stabilité de la température
Les batteries d'alimentation ont une plage de température de fonctionnement extrêmement large, allant de -40°C dans les régions froides à 85°C dans les régions chaudes de l'été, ce qui est nécessaire pour un fonctionnement normal. L'élément de détection de courant doit maintenir une précision de mesure stable sur toute la plage de température, et le coefficient de résistance à la température (TCR) est un indicateur clé pour évaluer cette performance.
II. principes et caractéristiques de la technologie des séparateurs
2.1 Principes de fonctionnement
Un shunt est un élément de mesure du courant basé sur la loi d'Ohm. Lorsqu'un courant traverse une résistance de précision dont la valeur est connue, une chute de tension proportionnelle au courant est générée aux bornes de la résistance : U = I × R. En mesurant précisément cette chute de tension, la valeur du courant traversant la résistance peut être calculée.
Le cœur du shunt est un corps de résistance de précision fabriqué à partir d'alliages spéciaux tels que le cuivre au manganèse et le cuivre conique. Ces alliages ont des coefficients de température très faibles (le TCR peut être aussi bas que ±5ppm/°C) et une excellente stabilité à long terme, ce qui permet de maintenir des valeurs de résistance constantes dans des conditions de fonctionnement sévères.
2.2 Avantages des alliages manganèse-cuivre
L'alliage manganèse-cuivre (manganine) est le matériau résistif le plus couramment utilisé pour les shunts, avec des compositions typiques allant de Cu-12%Mn-2 à 4%Ni. L'alliage présente les excellentes propriétés suivantes :
- Coefficient de température très faible :Le TCR peut être contrôlé à ±10ppm/°C dans la plage de 0~100°C.
- Faible potentiel thermique :Potentiel thermique inférieur à 0,5μV/°C pour le cuivre, évitant des erreurs de mesure supplémentaires.
- Grande stabilité :Le taux de dérive annuel peut être contrôlé dans la limite de 0,01%
- Bonne usinabilité :Facile à souder et à mouler
2.3 Application des shunts dans les BMS
Dans les applications BMS EV, les shunts sont généralement placés à la borne négative haute tension (HV-) du bloc-batterie, en utilisant un schéma de détection côté bas. Les valeurs de résistance de shunt typiques vont de 25 μΩ à 100 μΩ pour produire des chutes de tension mesurables (typiquement 50mV à 150mV) à des courants élevés tout en maintenant les pertes de puissance dans des limites acceptables.
Pour les mesures de haute précision, les shunts sont souvent utilisés avec des CAN Sigma-Delta d'une résolution de 24 bits ou plus. Ces CAN ont une excellente réjection du bruit et un rapport de réjection du mode commun (CMRR) élevé pour extraire avec précision les petits signaux de tension sur le shunt.
III. principes et caractéristiques de la technologie des capteurs à effet Hall
3.1 Principes de fonctionnement
Les capteurs à effet Hall utilisent l'effet Hall pour mesurer le courant. Lorsqu'un conducteur est traversé par un courant, un champ magnétique proportionnel à la taille du courant est généré autour de lui. Un élément Hall placé dans ce champ magnétique émettra un signal de tension proportionnel à l'intensité du champ magnétique, mesurant ainsi indirectement le courant.
3.2 Capteurs à effet Hall en boucle ouverte et fermée
Selon le mode de fonctionnement, les capteurs à effet Hall sont classés en boucle ouverte ou en boucle fermée :
Capteurs à effet Hall en boucle ouverteStructure simple, faible coût, mais la précision est relativement limitée (généralement ± 1% ~ ± 2%), et est fortement influencée par la température.
Capteurs à effet Hall en boucle fermée(Après la détection du champ magnétique généré par le courant primaire, un courant de compensation est généré par la bobine secondaire pour contrebalancer le champ magnétique primaire, de sorte que le circuit magnétique conserve toujours un état de flux nul. Cette méthode améliore considérablement la précision de la mesure (jusqu'à ±0,5%) et la largeur de bande (jusqu'à 200kHz), mais le coût est en conséquence plus élevé.
3.3 Nouvelle technologie magnétorésistive
Ces dernières années, les capteurs à effet magnétorésistif tunnel (TMR) et à effet magnétorésistif géant (GMR) ont fait l'objet d'une attention croissante dans le domaine des systèmes de gestion du bâtiment en tant que nouvelle génération d'éléments de détection de courant. Par rapport aux éléments Hall traditionnels, les capteurs TMR ont une dérive de température plus faible (jusqu'à 0,1~0,2%), une sensibilité plus élevée et une consommation d'énergie plus faible, et devraient remplacer certaines applications de capteurs Hall à l'avenir.
IV. analyse comparative des shunts et des capteurs à effet Hall
4.1 Comparaison de la précision
| paramètres | Répartiteur de haute précision | Capteurs à effet Hall en boucle fermée |
|---|---|---|
| Précision typique | ±0,1%~±0,5% | ±0,5%~±1% |
| coefficient de température | ±5~±50ppm/°C | ±100~±500ppm/°C |
| taux annuel de dérive | <0,01% | <0,1% |
En termes de précision, le shunt présente un net avantage, notamment en termes de stabilité sur une large plage de températures.
4.2 Sécurité et séparation
L'un des principaux avantages des capteurs à effet Hall est l'isolation électrique naturelle qui existe entre le côté primaire et le côté secondaire, ce qui constitue une caractéristique de sécurité importante dans les systèmes à haute tension. Les shunts, en revanche, sont connectés directement en série dans le circuit et nécessitent des mesures d'isolation supplémentaires (par exemple, des amplificateurs d'isolation) pour réaliser l'isolation du signal.
4.3 Consommation d'énergie et production de chaleur
Les shunts subissent des pertes de puissance importantes à des courants élevés. Un shunt de 100μΩ, par exemple, consomme 25W à 500A, ce qui non seulement affecte l'efficacité du système mais pose également des défis thermiques. En revanche, la consommation d'énergie des capteurs à effet Hall provient principalement des circuits électroniques, typiquement seulement quelques dizaines de milliwatts.
4.4 Comparaison des coûts
Les shunts de haute précision et les solutions ADC qui les accompagnent sont relativement peu coûteux, alors que les capteurs à effet Hall en boucle fermée sont généralement 2 à 3 fois plus chers que les solutions de shunt. Les shunts sont donc plus compétitifs dans les applications sensibles aux coûts.
V. Recommandations de sélection et tendances de développement
5.1 Considérations relatives à la sélection
Lors du choix d'une solution de détection de courant, les ingénieurs doivent tenir compte des facteurs suivants :
- Exigences de précision :Les solutions de fractionnement sont privilégiées pour les exigences de haute précision
- Gamme actuelle :Envisager les capteurs à effet Hall pour les applications à très haut courant (>1000A)
- Besoins de ségrégation :Les capteurs à effet Hall sont plus avantageux lorsqu'une isolation électrique est nécessaire.
- Conditions de dissipation de la chaleur :L'impact thermique du shunt doit être évalué lorsque la dissipation de la chaleur est limitée.
- Budgétisation des coûts :Solution de shunt préférée pour les applications sensibles aux coûts
5.2 Conception de la redondance des deux capteurs
À mesure que les exigences en matière de sécurité fonctionnelle (ISO 26262) augmentent, de plus en plus de systèmes de gestion des bâtiments (BMS) adoptent la double redondance des capteurs shunt + Hall. Deux capteurs ayant des principes différents peuvent être étalonnés l'un par rapport à l'autre afin d'améliorer la fiabilité et la sécurité du système.
5.3 Tendances futures
À l'avenir, la technologie des shunts évoluera vers des valeurs de résistance plus faibles, une densité de puissance plus élevée et de meilleures caractéristiques de température. L'application de nouveaux matériaux d'alliage et de procédés de soudage avancés permettra d'améliorer encore les performances du shunt. Parallèlement, les solutions intégrées (par exemple, module intégré shunt + ADC + MCU) deviendront également un axe de développement important pour simplifier la conception du système et réduire le coût global.
remarques finales
La technologie de détection du courant est le fondement essentiel du système de gestion des bâtiments, qui influe directement sur la sécurité et l'expérience de l'utilisateur des véhicules électriques. Avec ses avantages de haute précision, de haute stabilité et de faible coût, le shunt occupe une position importante dans le domaine de la détection de courant du BMS. Avec le développement continu de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle, les exigences en matière de précision et de fiabilité de la détection du courant continueront à s'améliorer, ce qui favorisera également l'innovation et le progrès continus de la technologie des shunts.
Safran est spécialisé dans le développement et la production de shunts de haute précision, largement utilisés dans les véhicules à énergie nouvelle, les systèmes de stockage d'énergie et d'autres domaines. Pour plus de détails techniques ou une aide à la sélection des produits, veuillez contacter notre équipe technique.
