TI bringt neues Stromsensor-Konzept für ein bisher unerreichtes Genauigkeitsniveau in Traktionsinverter-Designs für Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Die innovative multiaxiale Sensorarchitektur bringt es auf eine 20-mal höhere Genauigkeit als alternative kernlose Ein-Achsen-Lösungen und trägt damit zur Entwicklung kompakterer und effizienterer Traktionsinverter-Systeme bei
Eingebaut in einen Traktionsinverter, ermöglicht der multiaxiale, ohne Eisenkern auskommende Halleffekt-Stromsensor TMCS2100-Q1 von TI die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit höherem Wirkungsgrad, mehr Reichweite und angenehmeren Fahreigenschaften.
Was ist neu?
Texas Instruments (TI) stellte heute den industrieweit ersten multiaxialen, kernlosen Halleffekt-Stromsensor vor, der für sämtliche Traktionsinverter-Anwendungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen (HEV bzw. EV) geeignet ist. Der Sensor des Typs TMCS2100-Q1 basiert auf einem hier erstmals umgesetzten Stromsensor-Konzept, das eine multiaxiale Messung mit einem proprietären Algorithmus kombiniert, wodurch in Traktionsinverter-Designs nicht mehr zwischen Genauigkeit und Systemabmessungen abgewogen werden muss.
Während bestehende kernlose Lösungen auf einachsige Messungen beschränkt sind, ist der TMCS2100-Q1 als erster Sensor in der Lage, Magnetfelder sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung zu messen. Diese multiaxiale Messung ist um den Faktor 20 genauer als einachsige Alternativen und kommt auf einen Verschiebungsfehler von weniger als 1 % bei einer Bewegung von 0,4 mm bzw. von nur 0,25 % bei 0,1 mm. Dieses Maß an Genauigkeit kommt der Drehmomentregelung im EV-Antriebsstrang zugute, maximiert die Effizienz und verbessert die Leistungsentfaltung bei unterschiedlichen Belastungen und thermischen Bedingungen.
„Den Entwicklern wird hier erstmals ein Halleffekt-Stromsensor in die Hand gegeben, der die Restriktionen bestehender Lösungen überwindet. Dies ist insbesondere deshalb entscheidend, weil sich die Genauigkeitsanforderungen an die Traktionsinverter durch den Wechsel auf 800-V-Architekturen erhöhen“, erläutert Jason Cole, Vice President und General Manager für Sensing-Produkte bei TI. „Gestützt auf hochkarätige Forschungsarbeiten der für anspruchsvolle Forschung und Entwicklung zuständigen TI Kilby Labs, wurde der TMCS2100-Q1 entwickelt, um Automobilherstellern ein Hilfsmittel zum Bau von HEVs und EVs zur Verfügung zu stellen, in denen sich die genauere Strommessung unmittelbar durch mehr Reichweite, ein angenehmeres Fahren und eine effizientere Motorregelung auszahlt.”
Worin liegt die Bedeutung dieser Innovation?
Automobilhersteller suchen stets nach Wegen, Traktionsinverter leichter und effizienter zu machen, um die Reichweite und Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge zu verbessern. Bei traditionellen Messkonzepten stehen die Entwickler jedoch vor einem grundlegenden Zielkonflikt:
- Lösungen mit Magnetkern (C-Core-Implementierungen) sind zwar genau, benötigen aber mehr Platz und sind schwerer.
- Bei den kompakteren Alternativlösungen ohne Magnetkern müssen wegen der Verschiebungsfehler und magnetischer Übersprech-Effekte Abstriche an der Genauigkeit gemacht werden.
Die aktuelle Sensortechnologie von TI beseitigt diesen Zielkonflikt auf folgende Weise:
- Messungen erfolgen für beide Achsen gleichzeitig: Durch betriebsbedingte Vibrationen des Fahrzeugs bewegen sich Sensor und Leiter relativ zueinander, weshalb einachsige, differenzielle Sensoren ohne Magnetkern weniger genau sind. Der TMCS2100-Q1 reduziert die vibrationsbedingten Fehler entscheidend, indem Magnetfelder in horizontaler und vertikaler Richtung gleichzeitig gemessen werden.
- Wahrung der Genauigkeit: Durch Fehlerreduzierung und präzise Strommessung werden die Einflüsse von magnetischen Übersprech-Effekten und Drehmoment-Welligkeiten minimiert, die sonst zu ruckartigem Beschleunigen, lautem Motorlauf und ineffizientem Betrieb mit geringerer Reichweite führen.
Indem ohne Nachteile für die Genauigkeit auf den Magnetkern verzichtet wird, ermöglicht der TMCS2100-Q1 kleinere Traktionsinverter-Designs mit höherer Leistungsdichte, sodass die Automobilhersteller EVs mit höherem Wirkungsgrad, mehr Reichweite und angenehmeren Fahreigenschaften entwickeln können. Als jüngste Innovation im Automotive-Portfolio von TI demonstriert der Baustein unsere fortlaufenden Investitionen mit dem Ziel, uns den Herausforderungen unserer Kunden im gesamten Fahrzeug zu widmen.
Weitere Informationen finden Sie im Fachartikel “Smooth operators: How multiaxial Hall-effect current sensors deliver precise torque control.”
Weitere Einzelheiten
- Halleffekt-Stromsensoren detektieren das Magnetfeld, das durch den elektrischen Strom in der Stromschiene zwischen Traktionsinverter und Motor erzeugt wird.
- Bisherige differenzielle, kernlose Sensoren erfordern Anpassungen an der Stromschiene, wie etwa Einkerbungen, Schnitte oder Bohrungen, die das Wärmemanagement erschweren können.
- Durch die Verwendung mehrachsiger Sensoren an der Stromschiene bietet der TMCS2100-Q1 von TI ein innovatives Konzept, das ohne Modifikationen an der Stromschiene auskommt. Die Multi-Sensor-Architektur erleichtert es den Entwicklern, sich an die jeweiligen mechanischen Konfigurationen anzupassen und die Leiterplattenfläche zu optimieren, sodass der Traktionsinverter insgesamt kompakter wird.
Verfügbarkeit
Produktionsstückzahlen des Halleffekt-Stromsensors TMCS2100-Q1 sind ab sofort auf Anfrage auf TI.com verfügbar. Zusätzlich werden folgende Ressourcen angeboten:
| Spezifikation | Wert |
|---|---|
| Genauigkeit ggü. einachsigen Alternativen | 20× höher |
| Verschieb.-Fehler bei 0,4 mm Bewegung | < 1 % |
| Verschieb.-Fehler bei 0,1 mm Bewegung | 0,25 % |
FAQs
Worum handelt es sich bei der kernlosen mehrachsigen Halleffekt-Sensorik?
Der TMCS2100-Q1 von TI ist der industrieweit erste multiaxiale, kernlose Halleffekt-Stromsensor für Traktionsinverter-Anwendungen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Durch gleichzeitige Messung der Magnetfelder in vertikaler und horizontaler Richtung kommt diese Technik auf einen Verschiebungsfehler von weniger als 1 % bei einer Bewegung um 0,4 mm. Dieses Genauigkeitsniveau in Verbindung mit der kernlosen Architektur verbessert die Drehmomentregelung, maximiert den Wirkungsgrad und vergrößert die Reichweite. Entscheidend ist sie insbesondere, weil 800-V-Architekturen höhere Genauigkeitsanforderungen an die nächste Generation von Traktionsinvertern stellen.
Welches Problem löst der kernlose Mehrachsen-Halleffekt-Sensor von TI?
Das Design von Traktionsinverters war in der Vergangenheit stets durch einen Zielkonflikt zwischen Genauigkeit und Platzbedarf geprägt. Traditionelle C-Core-Implementierungen sind zwar präzise, benötigen aber viel Platz, während bisherige kernlose Alternativen zwar kompakt sind, dafür aber durch Vibrationen und magnetische Übersprech-Effekte Verschiebungsfehler von teils mehr als 20 % aufweisen können. Diese Ungenauigkeiten resultieren in Drehmomentwelligkeit, lautem Motorlauf und weniger Reichweite. Der TMCS2100-Q1 beseitigt den Zielkonflikt also durch ein kernloses Design, das sowohl kompakt als auch herausragend genau ist.
Worin unterscheidet sich der kernlose mehrachsige Halleffekt-Sensor von bestehenden Stromsensor-Lösungen ohne Magnetkern?
Bestehende, einachsige Alternativen ohne Magnetkern messen Magnetfelder nur entlang einer Achse und erfordern Anpassungen an der Stromschiene wie etwa Einkerbungen, Schnitte oder Bohrungen. Der TMCS2100-Q1 dagegen misst ohne Änderungen an der Stromschiene gleichzeitig sowohl die horizontale als auch die vertikale Komponente des Magnetfelds. Er ist damit 20-mal genauer als bestehende kernlose Lösungen und ermöglicht zudem mehr Designflexibilität.
Dieses Konzept:
- Bietet einen Verschiebungsfehler von weniger als 1 % bei einer Bewegung von 0,4 mm bzw. von nur 0,25 % bei 0,1 mm.
- Minimiert die magnetischen Übersprech-Effekte zwischen den Motorphasen und sorgt so für störungsärmere, genauere Strommessungen.
Welche Vorteile haben kernlose Mehrachsen-Halleffekt-Sensoren?
- Automobilhersteller können ohne Abstriche an der Genauigkeit leichtere und kompaktere Traktionsinverter-Systeme bauen, was den Wirkungsgrad und die Reichweite von Elektrofahrzeugen verbessert.
- Entwickler können die Leiterplattenfläche optimieren, da der Sensor ohne Modifikationen an der Stromschiene auskommt, was das thermische Design vereinfacht.
- Autofahrer profitieren dank der präziseren Drehmomentregelung von gleichmäßigerer Beschleunigung, leiserem Motorlauf und mehr Reichweite
Über Texas Instruments
Texas Instruments Incorporated (Nasdaq: TXN) ist ein globales Halbleiterunternehmen. Wir entwickeln, produzieren und vertreiben Analog- und Embedded-Processing-Chips beispielsweise für Industrie- und Automotive-Anwendungen, Rechenzentren, den Personal-Electronics-Sektor und die Kommunikationstechnik. Wir arbeiten mit Leidenschaft daran, Elektronik mithilfe von Halbleitertechnologie erschwinglich und dadurch die Welt besser zu machen. Diese Einstellung leben wir jeden Tag: Mit jedem Innovationszyklus wird unsere Technologie noch zuverlässiger, erschwinglicher und stromsparender, sodass Halbleiter überall in der Elektronik eingesetzt werden können. Mehr hierzu finden Sie auf TI.com.