Autojen sähköistäminen on saanut paljon huomiota ja näkyvyyttä, mutta vielä paljon voimakkaampi trendi on kehittymässä eri puolilla maailmaa. Kevyen liikenteen 2- ja 3-pyöräisiä kulkuvälineitä sähköistetään kiihtyvään tahtiin. Integroiduilla virta-antureilla on tässäkin kehityksessä keskeinen osa.

Sähköistäminen on noussut tärkeäksi tekijäksi liikennevälineissä, koska liikenne on yksi merkittävistä kasvihuonekaasujen päästölähteistä. Kun eri maat pyrkivät hiilidioksidipäästöissä kohti neutraalitasoa vuoteen 2035 mennessä, muutoksen eturintamassa ovat olleet henkilöautot, bussit ja taksit. Sähköajoneuvoista (EV) on tullut jo arkipäivää, ja henkilöautojen lisäksi täyssähköiset pakettiautot, taksit ja linja-autot kuljettavat yhä enemmän ihmisiä ja paketteja kohteisiinsa.

Koska kaikkialla keskitytään niin vahvasti sähköautoihin, saattavat helposti jäädä huomioimatta monet kevyen liikenteen moottoroidut välineet: erityisesti kaksi- ja kolmipyöräiset kulkuneuvot. Niillä on kuitenkin nopeasti kasvava tarve siirtyä sähköistettyihin ratkaisuihin. Vaikka sähköautot ovat varmasti saaneet eniten huomiota ja näkyvyyttä, vielä paljon voimakkaampi trendi on kehittymässä eri puolilla maailmaa.

Yleisin kulkuväline

Kevyessä liikenteessä sähköistyminen on kiihtynyt nopeasti erityisesti Kaakkois-Aasian maissa (Malesia, Indonesia), Intiassa ja Kiinassa (pian myös Afrikassa). Näillä alueilla kaksipyöräiset ajoneuvot ovat ylivoimaisesti yleisin liikkumistapa. Arvioiden mukaan näiden alueiden teillä liikkuu noin 70 miljoonaa kaksipyöräistä kulkuneuvoa ja määrät kasvavat kovaa vauhtia.

On odotettavissa, että kaksipyöräisten ajoneuvojen sähköistyminen yleistyy nopeasti myös pohjoisemmilla talousalueilla seuraavan vuosikymmenen aikana. Monet amerikkalaiset ja eurooppalaiset kulkuvälineiden valmistajat suunnittelevatkin jo sähköisten tuotteiden lanseerausta näille markkinoille.

Kuva 1. Polttomoottoriin (ICE) ja sähkömoottoriin perustuvien kaksipyöräisten ajoneuvojen markkinaosuudet.

Kasvun kannalta tämä sektori laajenee nopeammin kuin nelipyöräisten ajoneuvojen markkinat, eikä vähiten siksi, että suunnitteluun ja sertifiointiin liittyvät kysymykset ovat paljon yksinkertaisempia. Samoin akunhallintajärjestelmiä (BMS) on helpompi suunnitella näihin kulkuneuvoihin, koska akustot ovat kooltaan pienempiä ja toimivat alhaisemmilla jännite- ja tehotasoilla.

Kaikki tämä tarkoittaa, että pienet start up -yrityksetkin pystyvät ratkaisemaan paljon helpommin sähköistykseen liittyvät ongelmat kaksipyöräisissä kulkuvälineissä verrattuna EV-järjestelmien suunnitteluun puhtaalta pöydältä.

Kuva 2a ja 2b. Virranmittaustoiminnon miniatyrisoinnin kehitysvaiheet.

Vuonna 2021 noin kuusi prosenttia kaikista kevyistä kulkuneuvoista oli sähköistetty, loput hyödynsivät perinteistä polttomoottoria (ICE). Vuoteen 2030 mennessä sähköistettyjen mopojen, skootterien ja moottoripyörien arvioidaan vievän jo 68 prosenttia kaksipyöräisten ajoneuvojen markkinoista. Tarkemmin ilmaistuna, seuraavien kuuden vuoden aikana e-skootterien kappalemääräisen myynnin odotetaan nousevan 30 miljoonaan, e-moottoripyörien 23 miljoonaan ja sähköpolkupyörien 40 miljoonaan.

Tällä hetkellä kaksipyöräisten e-kulkuneuvojen markkinoita hallitsevat 48 voltin järjestelmään perustuvat sähköskootterit, mutta suurimman kasvun odotetaan tulevan 100-200 voltin jännitteellä toimivista e-moottoripyöristä, joita seuraavat 36 voltin järjestelmiin perustuvat sähköpolkupyörät.

Esimerkiksi Intiassa tehokkaat moottoripyörät ovat olleet suurin kaksipyöräisten kulkuvälineiden ryhmä, ja tämän markkinasektorin nopea kasvu inspiroi jo nyt uutta kehitysaaltoa sähkösuunnitteluun. Siinä komponenttien keveys, kompakti koko ja kestävyys ovat keskeisiä vaatimuksia.

Integroidut anturit keskiössä

LEM-yhtiössä uskotaan, että integroidut virta-anturit (ICS), joiden virranmittaustoiminto on integroitu puolijohdeyksikköön, ovat keskeisellä sijalla sähköisten ajoneuvojen markkinoilla. Niissä yhdistyvät tarkkuus, luotettavuus ja suuri tehotiheys monipuoliseen ja kustannustehokkaaseen tapaan käsitellä tälle sovellusalueelle ominaisia jännitteen ja virran vaihteluja.

Tällaisessa vahvasti kilpaillussa ja kustannusherkässä ympäristössä ICS-anturit voivat tarjota selkeän ratkaisun kulujen pitämiseksi alhaisina. Samalla voidaan hyödyntää käytettävissä oleva niukka piirilevyala mahdollisimman tehokkaasti. Lisäksi antureilla on keskeinen osa turvallisuuden maksimoinnissa erityisesti ohjattaessa akkujenhallinnan BMS-järjestelmiä. Niiden avulla on mahdollista saavuttaa akkujen käyttöiäksi vähintään 10 vuotta tavanomaisissa käyttöoloissa.

LEM on seurannut näitä keskeisiä strategisia markkinoita jo vuosia ja kehittänyt tuotevalikoimaa, joka täyttää kevyen liikenteen kuluvälineiden vaatimukset ratkaisuilla, jotka ovat yhtä kehittyneitä kuin sähköautoissa käytettävät. Erityisesti kohteena ovat kaksipyöräiset kulkuneuvot, jotka toimivat kolmivaiheisilla vaihtovirtamoottoreilla. Yhtiön kehittämä ICS-valikoima kattaa kaikki sähköisten ajoneuvojen alijärjestelmien osat, jotka sisältävät tyypillisesti jopa kahdeksan anturia ajoneuvoa kohden.

Tällä alueella on kolme kohdetta, joissa ICS-anturit soveltuvat parhaiten sähkökäyttöisiin kaksipyöräisiin. Ensimmäinen on virranmuunnos, jossa laturi muuttaa sähköverkosta saatavan vaihtovirran tasavirraksi ajoneuvon litiumakulle.

Laturissa on puolestaan tyypillisesti kolme virranmittauspistettä, jotka vastaavat tehon muuntamisen lisäksi ohjauksesta ja mahdollisimman korkeasta hyötysuhteesta:

- Yksi ICS-anturi suorittaa AC-tulovirran mittauksen, jonka avulla laturi voi varmistaa järjestelmään syötettävän virran.

- Toinen ICS valvoo tehotransistoreita ja -kytkimiä, jotka muuntavat AC-signaalin tasavirraksi. Tämä virta-anturi synkronoi transistorit varmistaakseen, että muunnos suoritetaan hyvällä hyötysuhteella.

- Lopuksi DC-lähdön virta-anturi mittaa järjestelmästä poistuvan virran ja vertaa sitä oletettuun lähtövirran arvoon. Kaikki poikkeamat kertovat jostain ongelmasta muunninasteessa, jota mikro-ohjaimen avulla voidaan säätää halutun lähtövirran varmistamiseksi.

LEMin tälle sovellusalueelle kehittämät ICS-anturit ovat tyypillisesti galvaanisesti erotettuja GO-sarjan antureita, koska tuloanturi täytyy eristää verkkojännitteestä. Koska AC-verkkojännite on luokkaa 220-240 V, tuloasteessa ihanteellinen on GO SME -sarjan anturi pienille virroille ja GO SMS -sarjan ICS-anturi suuremmille virroille. GO SME -anturit soveltuvat myös lähtöasteeseen, koska 48 voltin akkuja käytettäessä vähempikin eristystaso riittää.

Akkuvauriot vältettävissä

Toinen tärkeä ICS-anturien sovelluskohde sähköisissä kaksipyöräisissä on akkuja hallinnoiva BMS-järjestelmä, jonka tavoitteena on välttää akkuvauriot sekä niiden aiheuttamat, pahimmillaan katastrofaaliset vikatapahtumat kuten tulipalot tai jopa räjähdys. BMS-järjestelmässä yksi anturi toimii suoja- ja turvalaitteena ja varmistaa, ettei akuissa esiinny liian suuria syöksyvirtoja. Jos sellainen havaitaan, ICS anturi kehottaa mikro-ohjainta avaamaan releen, jotta akun läpi ei enää pääse kulkemaan energiaa.

Usein ICS-anturi on kytketty rinnakkain shuntin kanssa, joka käyttää toisenlaista tekniikkaa samojen mittausten suorittamiseen, ja mikro-ohjain vertailee niiden signaaleja. Tämä kaksinkertainen redundanssi tarkoittaa, että jos anturi jostain syystä epäonnistuu mittauksessa, toinen jatkaa mittausten tekemistä.

Kolmas kohde, jossa ICS-anturit ovat ihanteellisia sähkötoimisille kaksipyöräisille, on moottorinohjaus. Siinä akusta saatava tasavirta muunnetaan kolmivaiheiseksi vaihtovirraksi ohjaamaan ajoneuvon voimanlähteenä toimivaa sähkömoottoria. Tyypillisesti tähän käytetään neljää anturia – yksi tuloasteessa ja kolme lähdössä. Kaikki anturit voidaan tuotantolinjalla liittää automaattisesti juottamalla suoraan piirilevyn pinnalle, joten ne vievät mahdollisimman vähän tilaa.

Tässäkin mikro-ohjain on mukana varmistamassa, että tulo- ja lähtötasot ovat odotetun mukaiset. Turvallisuutta lisäävät kaikki tulon ja lähdön anturit, jotka toimivat keskenään harmonisesti vertaillakseen mittauslukemia ja varmistaakseen, että kaikki toimii niin kuin pitää.

Kun mikro-ohjain hallinnoi transistorien hilaohjaimia virta-anturin lähettämän signaalin avulla, syntyy erittäin tehokkaasti toimiva ohjaussilmukka, joka antaa tarkan ohjauksen moottorille. Tuloksena saadaan loppukäyttäjälle ajoneuvon tasainen kiihtyvyys ja maksimaalinen hyötysuhde käytön aikana.

Tyypillisiä näissä kohteissa käytettäviä LEMin ICS-antureita ovat HMSR SMS -sarjan anturit. Reilun kokoinen ensiöjohdin takaa erittäin pienen resistanssin, ja laajat liitostäplät antavat mahdollisuuden käsitellä tarvittaessa hyvin suuria virtoja. HMSR-antureissa on mikromagneettinen sydän, jonka ansiosta ne ovat immuuneja ulkoisille kentille. Näin ne soveltuvat ihanteellisesti tehoelektroniikan sovelluksiin kohteissa, joiden häiriötaso on korkea.

Kuva 3. Sähköisen kulkuneuvon tyypillinen rakenne ja virran mittauspisteet.

Kaikki toiminnot piirilevyllä

Lyhyesti ilmaistuna, kevyen liikenteen sähköisten 2- ja 3-pyöräisten ajoneuvojen integroidut virta-anturit voivat lisätä merkittävästi suorituskykyä entistä pienemmässä edullisessa kotelossa. Se tarjoaa mahtavan tehotiheyden kevyiden kulkuneuvojen sovelluksiin. Anturien korkea eristystaso ja tarkkuus yhdistyvät kykyyn käsitellä entistä suurempia virtoja. Tämä kaikki tarjotaan tiiviissä paketissa, joka pystyy hoitamaan tarvittavat toiminnot suoraan piirilevyllä.

Kevyiden ajoneuvojen maailmanlaajuisen sähköistyksen odotetaan lähtevän lähiaikoina kovaan nousuun. Tarkkuuden, luotettavuuden, integroinnin ja suuren tehotiheyden ansiosta LEMin kehittämien integroitujen ICS-anturien alati laajeneva valikoima tulee olemaan keskeisessä asemassa alan kasvun edistämisessä.