Vítejte, dnes je
neděle
22.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Elektrifikace tvoří v oblasti přepravy hlavní téma. Jedná se totiž o jeden z předních zdrojů emisí skleníkových plynů. Pokud jde o CO2, státy se snaží dosáhnout v globálním měřítku neutrality do roku 2035, přičemž auta, autobusy či taxíky jsou na mušce jako první. Elektromobily (EV) již proto nikoho nepřekvapují – po hlavních třídách se ladně a také neslyšně pohybují vozidla taxislužby, zatímco balíky nebo i lidi rozváží „100% elektrické“ dodávky či autobusy.
S tak obrovským důrazem, kladeným na EV, však snadno přehlédneme související oblast lehké e-mobility, zejména pak rostoucí poptávku po elektrifikovaných přibližovadlech se dvěma nebo i třemi koly. EV si většinu pozornosti a také obdivu v oblasti přepravy získaly právem. Po celém světě ale vzniká mnohem větší trend.
Nejčastější způsoby přepravy
Oblast lehké mobility zažívá z pohledu elektrifikace výrazný vzestup. Obzvláště pak v zemích jihovýchodní Asie, jako je Malajsie a Indonésie, stejně jako v Indii, Číně a brzy také Africe, kde se stroje na dvou kolech stávají zdaleka nejběžnějšími dopravními prostředky. Odhaduje se, že na cestách zde máme zhruba 70 miliónů dvoukolových vozidel a jejich počty dále překotně rostou. Obecně se předpokládá, že elektrifikace zmíněných dopravních prostředků bude v příští dekádě častější v severských ekonomikách. Spousta firem z USA či Evropy již proto zvažuje uvedení produktů na zmíněný trh.
Pokud hovoříme o růstu, právě popsaný sektor expanduje rychleji, než je tomu v případě vozidel se čtyřmi koly, zejména kvůli tomu, že vývoj a certifikace zde nejsou zase tolik složité. Podobně je snadnější navrhnout i systém pro řízení baterií (BMS), protože články pro stroje na dvou kolech nejsou tak velké a pracují s menšími výkony i napětím. To vše tedy znamená, že start – upy dokáží řešit otázky spojené s elektromobilitou na dvou kolech mnohem snadněji, než kdyby musely od začátku navrhovat systémy právě pro EV.
V roce 2021 bylo elektických asi 6 % prostředků lehké mobility, zbytek počítal se spalovacími motory (ICE). Do roku 2030 se pak očekává, že e-skútry a e-motocykly budou mít na trhu s vozidly o dvou kolech podíl 68 %. Přesněji řečeno, u prodeje e-skútrů počítáme, že v příštích šesti letech dosáhneme 30 miliónů, v případě e-motorek 23 miliónů a pro elektrokola se zase odhaduje 40 miliónů. Trh s dvoukolovými prostředky poháněnými elektřinou vychází v současné době z 48V e-skútrů, nicméně růst se očekává především u 100-200V e-motorek následovaných elektrokoly s 36V systémy. Největší trh s dvoukolovými vozidly je např. v Indii reprezentován silnými motorkami a jejich rozmach již stojí za novou vlnou elektrických řešení, pro která jsou klíčové lehké, kompaktní a také odolné součástky.
Obr. 1 Trh s jednostopými vozidly a zastoupení spalovacích motorů vs. elektropohonů
V centru dění s ICS
Firma LEM věří, že integrované snímače proudu (integrated current sensor, ICS) s funkcí měření, zapracovanou v rámci jediného polovodičového prvku, budou hrát v oblasti e-mobility klíčovou roli. Může za to spojení přesnosti, spolehlivosti a vysoké hustoty výkonu s univerzálním a cenově efektivním přístupem k široké škále napětí a proudů, která je pro zmíněný sektor příznačná. V takovém konkurenčním prostředí, které klade velký důraz na cenu, dokáží ICS nabídnout okamžité řešení zabraňující růstu nákladů, zatímco dále nejvyšší možnou měrou využijeme i prostor na DPS. Vedle toho hrají zásadní úlohu při maximálním navyšování bezpečnosti, především pak v rámci řízení s BMS, takže baterie za běžných provozních podmínek vydrží přinejmenším deset let.
Společnost LEM má tento strategický trh v hledáčku již mnoho let a vyvíjí přitom nástroje, které vyhovují potřebám lehké mobility, obzvláště pak dvoukolových vozidel poháněných elektřinou s třífázovými AC motory. Zmíněné produkty jsou přitom vyspělé stejně jako ty, které se používají v EV. Nabídka ICS od LEM počítá v rámci e-mobility s každou součástí subsystému, kde se také pro jedno vozidlo zpravidla využije až osm senzorů.
U elektrovozidel se dvěma koly existují tři hlavní oblasti, ve kterých se ICS uplatní na výbornou. Jako první jde o konverzi napájení s nabíječkou zpracovávající síťový AC vstup na DC výstup pro potřeby palubní lithium – iontové (Li-Ion) baterie.
V takovém případě se u nabíječky zpravidla jedná o tři měřicí body pro sledování proudu, kdy nepůjde jen o konverzi napájení, ale také účinnost a řízení:
Typické ICS LEM, které v této oblasti použijeme, mohou zahrnovat senzory GO, protože vstupní čidlo potřebujeme kvůli síťovému napětí izolovat. Pokud uvážíme střídavé napětí okolo 200 až 220 V, budou se na vstupu pro menší odběry hodit ICS GO SME a v případě vyšších proudů zase GO SMS. Senzory GO SME vyhoví též potřebám stupně na opačné straně, protože při práci s 48V bateriemi si dále vystačíme s jednodušším oddělením.
Obr. 2 K miniaturizaci obvodů zajišťujících funkci měření proudu
Předcházíme poškození baterie
Další klíčovou oblastí se pro ICS u elektrických dvoukolových vozidel stává BMS, zde s cílem zamezit poškození baterie a stejně tak i možnému katastrofickému scénáři, jako je požár či výbuch. Jediný senzor, pracující jako ochranný a bezpečnostní prvek, bude v rámci BMS u baterie v obou směrech kontrolovat výskyt proudových nárazů či nestandardních odběrů. Pokud se potvrdí, ICS vyšle pokyn mikrokontroléru, aby rozpojil relé a na straně baterie již nemohla proudit žádná další energie. Čidlo ICS je často provozováno souběžně s bočníkem, který za účelem totožných měření využívá odlišnou technologii, zatímco mikrokontrolér bude signály dále porovnávat. Tato dvojnásobná redundance znamená, že pokud z jakékoli příčiny dojde k selhání jednoho z čidel, další může v měření stále pokračovat.
Třetí oblastí, ve které se ICS u elektrovozidel na dvou kolech s výhodou uplatní, je řízení motoru. DC proud z baterie se tam přemění na třífázový AC proud umožňující chod elektrického stroje, který dále vše pohání. Obvykle se tu potkáme se čtyřmi snímači – jedním na vstupu a třemi pak na výstupu. Všechny lze přitom automaticky pájet rovnou na DPS, kde také zabírají minimum prostoru. Při kontrole, zda vstupní a výstupní úrovně vyhovují předpokladům, se opět uplatní mikrokontrolér. Díky tomu, že veškerá čidla na vstupu či výstupu pracují koordinovaně, porovnávají příslušné úrovně a jsou zárukou, že systém funguje přesně tak, jak by měl, nám roste i bezpečnost. Mikrokontrolér zde ovládá budiče hradla tranzistoru s přispěním signálu zajišťovaného proudovým senzorem, takže vzniká vysoce efektivní smyčka pro přesné řízení motoru. Koncový uživatel proto zaznamená plynulou akceleraci, ale též maximální provozní účinnost vozidla.
Typickými ICS od firmy LEM zde mohou být zástupci rodiny HMSR SMS, a to především kvůli velkému primárnímu vodiči s velmi nízkým elektrickým odporem a speciálními ploškami, které v případě potřeby umožní pracovat s vyššími průtoky. Senzory HMSR jsou díky mikromagnetickému jádru imunní vůči vnějším polím a vytváří tak ideální řešení pro aplikace ze světa výkonové elektroniky, u kterých se předpokládá vysoká míra rušení.
Obr. 3 Typické řešení systému e-mobility a místa, kde dochází k měření proudu
Závěr
Integrované proudové snímače dokáží u dvou- a také tříkolových vozidel poháněných elektřinou zkrátka zajistit vynikající výsledky. Sází přitom na drobnější a také levná provedení pouzder, která jsou v oblasti lehké mobility zárukou skvělé hustoty výkonu. Izolace a přesnost na vysoké úrovni se u senzorů snoubí se schopností uchopit i vyšší proudy, nicméně díky lepší integraci vše nyní dokážeme vyřešit rovnou na desce plošného spoje.
Elektrifikace vozidel se dvěma či třemi koly je po celém světě v plném proudu a rostoucí nabídka integrovaných senzorů proudu od firmy LEM zde bude v souvislosti s přesností, spolehlivostí, integrací a také hustotou výkonu hrát při dalším rozvoji ve zmíněné oblasti klíčovou roli.
