Sensor voor batterijbeheersystemen

Sensoren, rijbereik en veiligheid van EV's

Het accupakket in een elektrisch voertuig is gebaat bij een goede BMS. Sensoren helpen daarbij om het laden en ontladen te controleren om oververhitting te voorkomen. Ze dragen ook bij aan het aanpakken van de uitdagingen op het gebied van het rijbereik dat de markt voor elektrische voertuigen domineren. De trend die we zien is dat één sensor bijna alles in de gaten houdt.

Wanneer er over elektrische voertuigen (EV’s) wordt gesproken, is het belangrijkste onderwerp dat aan de orde komt de afstand die ze kunnen afleggen op één acculading. Ook al staat de afgelegde afstand met een volle tank meestal ver onderaan de lijst van criteria bij benzine- of dieselauto, bij elektrische auto’s staat deze helemaal bovenaan. Dit is merkwaardig aangezien de gemiddelde autorit ongeveer 16 kilometer bedraagt. Desondanks benadrukten bestuurders in een recent onderzoek dat ze van een elektrische auto verwachtten dat ze ongeveer 600 kilometer konden rijden op één acculading. De realiteit is natuurlijk dat de meeste bestuurders zelden deze afstand in één keer zullen reizen.
De manier waarop het publiek kijkt naar een EV benadrukt een duidelijk dilemma voor de automobielsector: de technologie die in elektrische auto’s wordt gebruikt, is compleet anders dan waar klanten bekend mee zijn en vergelijkingen met de verbrandingsmotor mogen eigenlijk niet gemaakt worden.
Er is nog een ander criterium dat steeds meer de keuze van mensen voor elektrische voertuigen bepaalt, namelijk veiligheid – een onderwerp dat naar verwachting de komende jaren nog belangrijker zal worden. Waarom is veiligheid zo’n groot probleem geworden? Simpelweg omdat moderne EV’s zo snel mogelijk geladen moeten worden om aan de eerder beschreven eisen te voldoen. De boordsystemen krijgen daardoor te maken met hogere stromen en spanningen. Er bestaat in de automobielsector een oprechte zorg om alle voordelen te bieden waar bestuurders naar op zoek zijn.
De grote uitdaging waar de automobielsector mee te maken krijgt, zal dus zijn hoe de cirkel van prestaties, nauwkeurigheid, CO₂-voetafdruk en veiligheid vierkant kan worden gemaakt.

Toestand, gezondheidstoestand

Centraal staat het batterijbeheersysteem (BMS) dat in elk elektrisch voertuig is geïnstalleerd. Deze evalueert als eerste de laadstatus (SoC) en het laadniveau, en dus het rijbereik. Ten tweede beheert de BMS de gezondheidstoestand van het accupakket en verzorgt de veiligheidsfunctie die oververhitting en brand moet voorkomen.
Wil een BMS deze vitale functies kunnen leveren, dan moet hij betrouwbare en nauwkeurige sensoren bevatten. De derde generatie CAB-transducers van LEM zijn ontwikkeld voor het leveren van zeer nauwkeurige SoC-cijfers. Het eerste model dat 12 jaar geleden op de markt kwam, bevatte een baanbrekende technologie voor nauwkeurigere, contactloze stroommetingen door de magnetische offset te elimineren. Het volgende model stond bekend om zijn hogere stroombereik (van 300 A tot 500 A) en zijn verbeterde veiligheidsniveaus.

CAB 1500 – het nieuwe lid

De nieuwste telg uit de familie is de high-end CAB 1500 met een stroombereik tot ±1500 A. Op het gebied van functionele veiligheid voldoet deze ASIL-C-sensor (automotive safety integriteit level) aan de ISO26262 en maakt redundante stroommeting mogelijk met slechts één enkele stroomsensor in de BMS in plaats van een paar, dankzij twee interne onafhankelijke kanalen. De elektrische functies die in de CAB 1500 zijn ingebouwd voor veiligheidsbeheer omvatten detectie van overstroom, die reageert op stromen hoger dan 1600 A. Andere kenmerken zijn een veiligheidsdoelovertredingsvlag die digitaal uitgelezen kan worden (afhankelijk van de plausibiliteitscontroleresultaten tussen de analoge en digitale kanalen), een sequentieteller en een CRC-controle voor end-to-end (E2E) communicatiebescherming. De sensor bevat dan ook veel meer intelligentie dan u op het eerste oog zou verwachten (afbeelding 1).
De plug-and-play CAB 1500 biedt de mogelijkheid om het stroombereik binnen dezelfde footprint als zijn voorgangers te verdrievoudigen en levert de beste nauwkeurigheid in zijn klasse van 0,5% over een temperatuurbereik van −40 °C tot +85 °C. Naast de extreem lage offset, die een nauwkeurige coulomb-telling voor SoC-schattingen mogelijk maakt, maakt de nieuwe sensor gebruik van het non-intrusive meetprincipe en biedt tegelijkertijd volledige galvanische isolatie en compatibiliteit met 800V-toepassingen. Andere belangrijke kenmerken van de CAB 1500 zijn onder meer de mogelijkheid om op rail of paneel te worden gemonteerd. Bovendien is de fluxgate-detectiekop gemaakt van een inductiespoel die een zeer hoge permeabiliteit combineert met een lage remanentie (Hc), waardoor een snelle overgang tussen lineaire en verzadigde toestand wordt gegarandeerd. Fluxgate is de ideale technologie voor hoogwaardige beheersystemen omdat het de beste resolutie in zijn klasse biedt tot 0,1%, de beste nauwkeurigheid in zijn klasse Ip max en offset, niet-intrusieve metingen en isolatie tot 2,5 kV, en een laag stroomverbruik in vergelijking met shunt technologie.

State-of-the-art

De nieuwe sensor is multifunctioneler geworden en neemt de rol op zich van het detecteren van een breder scala aan verschillende factoren binnen de BMS, een trant die in de toekomst nog verder zal gaan. Dit vergemakkelijkt het ontwikkelen van een goede BMS en op termijn het toenemen van het vertrouwen in EV’s.
Dat het hier gaat om een sensor die veel kan, is af te lezen uit de uitgebreide datasheet en application note die LEM voor dit onderdeel geschreven heeft. Meer daarover op onze website.