Contexte du projet

Le système hybride léger 48V est une solution de transition importante pour l'électrification des véhicules, qui peut réduire efficacement la consommation de carburant de l'ensemble du véhicule de 10-15%, tout en réduisant les émissions de CO₂. Un fournisseur de niveau 1 de pièces automobiles de renommée internationale développe actuellement une nouvelle génération de modules BMS 48V pour un certain nombre de grands constructeurs automobiles européens, et a besoin d'une solution de détection de courant de haute précision et de haute fiabilité.

Exigences en matière de spécifications du système :

• Plage de mesure : ±250A courant bidirectionnel
• Précision de mesure : meilleure que ±1% sur toute la plage de température
• Température de fonctionnement : -40°C à +85°C (température de stockage : -40°C à +125°C)
• Durée de vie : 15 ans/300 000 kilomètres
• Exigences de certification : Certification AEC-Q200 de qualité automobile

Défis techniques rencontrés

1. maintien de la précision dans une large gamme de températures

Les applications automobiles ont des températures ambiantes extrêmement variables, allant de -40°C dans les hivers du nord de l'Europe à 85°C ou plus dans les compartiments moteur en été. Les shunts conventionnels en alliage de cuivre et de manganèse ont un coefficient de température d'environ ±100ppm/°C, et la valeur de la résistance peut varier jusqu'à 1,25% dans la plage de variation de température de 125°C, ce qui ne permet pas de répondre à l'exigence de précision de ±1%.

2. mesures à large gamme dynamique

La plage de courant des systèmes 48V est extrêmement large dans différentes conditions de fonctionnement : l'autodécharge de la batterie n'est que de quelques dizaines de milliampères au ralenti et à l'arrêt, alors que le courant lors d'une accélération rapide ou d'une récupération d'énergie peut atteindre 200-250 A. Le système doit maintenir une précision de mesure suffisante sur l'ensemble de la plage, avec une plage dynamique de plus de 1:10 000.

3. perte de puissance et dissipation de chaleur

La perte de puissance du shunt à des courants élevés est convertie en chaleur. Si l'on choisit une valeur de résistance plus grande pour obtenir une meilleure amplitude du signal, la perte de puissance augmente ; une valeur de résistance trop petite donne un signal faible qui est sensible au bruit. Un équilibre doit être trouvé entre les deux.

4. une fiabilité digne d'un véhicule

L'environnement automobile est difficile et le shunt doit résister aux vibrations mécaniques, aux chocs thermiques, à l'humidité et aux cycles de chaleur, et maintenir des performances stables pendant une durée de vie de 15 ans. Les produits doivent satisfaire à la norme AEC-Q200 et à d'autres tests de certification de qualité automobile.

Solutions techniques

1. dimensionnement et conception des shunts

Après des analyses techniques détaillées et des tests comparatifs, le shunt FL-U de type 200µΩ avec un courant nominal de 300A a finalement été sélectionné (une marge de 20% a été laissée pour le courant de fonctionnement maximal de 250A). Paramètres clés :

• Valeur de la résistance : 200µΩ ±0,5%
• Chute de tension nominale : 60mV @300A
• Coefficient de température (TCR) :<25ppm>
• Potentiel thermoélectrique (CEM) :<3µV/°C
• Stabilité à long terme :<50ppm>

Avec un courant de 250A à pleine charge, le shunt génère un signal de 50mV aux deux extrémités avec une perte de puissance de 12,5 W. Cette amplitude de signal assure un rapport signal/bruit suffisant, tandis que la consommation d'énergie reste dans des limites acceptables.

2. les matériaux et les procédés

Le corps de la résistance de shunt est constitué d'un alliage de manganèse-cuivre de haute pureté (Cu-Mn-Ni), dont le coefficient de température et le potentiel thermique sont très faibles et qui est le matériau de prédilection pour les shunts de précision. Le corps de la résistance et les bornes en cuivre sont soudés par un procédé de soudage par faisceau d'électrons, qui présente une grande résistance du cordon de soudure, une petite zone affectée par la chaleur et ne présente pas de faux soudage ou de fissure lors d'un cycle thermique à long terme.

3. conception des connexions à quatre bornes (Kelvin)

Adoptant la méthode de mesure standard à quatre bornes, le circuit de courant (C+, C-) et le circuit de mesure de la tension (S+, S-) sont complètement séparés. Le point d'échantillonnage de la tension est placé à l'intérieur du corps de la résistance, ce qui élimine efficacement l'influence de la résistance du fil conducteur et de la résistance de contact sur la précision de la mesure, et améliore la précision de la mesure de plus de 0,1%.

4. conception structurelle compacte

Adoptant une structure en U, la dimension externe n'est que de 35mm×15mm×8mm, ce qui est facile à mettre en place dans un module BMS compact. Le shunt est directement connecté à la barre de bus négative de la batterie, ce qui raccourcit le chemin du courant élevé et réduit la résistance de contact et le risque CEM.

Intégration et essais des systèmes

Le shunt est utilisé en conjonction avec l'amplificateur de détection de courant de haute précision INA240-Q1 de TI, qui présente les caractéristiques suivantes :

• Options de gain : 20V/V, 50V/V, 100V/V, 200V/V
• Plage de tension en mode commun : -4V à +80V
• Tension d'offset : ±25µV (max)
• Erreur de gain : ±0,2% (max)
• Largeur de bande : 400 kHz

Le système est soumis à des tests de validation rigoureux :

• Essai de cyclage en température : -40°C ↔ +125°C, 1000 cycles
• Durée de vie à haute température : +125°C, 1000 heures
• Cycles de température et d'humidité : +85°C/85%RH, 1000 heures
• Vibrations mécaniques : 10-500 Hz, conformément à la norme ISO 16750-3.
• Chocs mécaniques : 50g/11ms
• Essai au brouillard salin : 96 heures

Résultats du projet

• Indicateurs de précision :Précision de la mesure du courant du système de ±0,8% sur toute la plage de température de -40°C à +85°C, meilleure que l'objectif de conception de ±1%
• Précision du SoC :Précision améliorée de l'estimation de l'état de charge (SoC) de ±3% basée sur un comptage coulombien de haute précision, nettement supérieure à la moyenne de l'industrie de ±5%.
• Fiabilité :Les produits ont passé tous les tests de fiabilité automobile AEC-Q200 avec une documentation PPAP complète.
• Approvisionnement en vrac :La production de masse commence en 2023, avec plus de 800 000 unités livrées à ce jour.
• Reconnaissance des clients :Utilisé dans les modèles hybrides légers 48V de nombreuses marques automobiles européennes célèbres, avec un bon retour d'information de la part des clients.

Résumé des paramètres techniques