Sähköauto lupaa mullistaa koko autoilun. Sen tärkein komponentti on akusto, jonka lataaminen ja täysin oikea toiminta edellyttää erittäin tarkkaa virran ja jännitteen mittaamista.

Artikkelin ovat kirjoittaneet ams:n Sabine Jud ja Gernot Hehn. Sabine tuli ams:n palvelukseen vuonna 2008 vastaamaan autoteollisuuden komponenttien markkinoinnista. Viime vuodesta lähtien hän on vastannut ams:n liikeanturien markkinoinnista. Hänellä on markkinoinnin tutkinto Grazin yliopistosta. Gerno Hehn tuli ams:n Automotive-ryhmään sovellusinsinööriksi vuonna 2012. Hänellä on elektroniikkainsinöörin tutkinto Grazin teknisestä korkeakoulusta.

Sähköautot lupaavat vähentää kasvihuonepäästöjä ja muita ympäristövaikutuksia. Lisäksi ne edistävät kestävien energianmuotojen kehitystä, hidastavat ilmastomuutosta ja parantavat ilmanlaatua. Sähköautojen käytön yleistymistä hidastaa kuluttajien hidas uusien teknologioiden omaksuminen, alkuvaiheessa korkeat hankintahinnat sekä latausverkoston puuttuminen. Skeptisyydestä huolimatta sähköautojen edut perinteisiin polttomoottoriautoihin verrattuna ovat ilmeiset: esimerkiksi typpioksidi-, hiilimonoksidi- ja hiilivetypäästöistä päästään kokonaan eroon.

Sähköautoille on jo löytynyt käyttöä pienillä markkinalueilla, joilla kaivataan pienitehoista, lyhyiden matkojen ajoa. Tällaisia ovat esimerkiksi golfautot. Mutta uusien autojen kuten Nissan Leafin ja Chevrolet Voltin myötä pistokkeen kautta ladattavat sähköautot ovat tulleet laajemmin tarjolle. Vuosikymmen aikaisemmin markkinoille tulleiden hybridiautojen myynti kasvaa tasaisesti. Pike Researchin mukaan näiden autojen yhteenlaskettu vuotuinen myyntimäätä kasvaa 3,8 miljoonaan vuoteen 2020 mennessä.

Akun hinta vaikuttaa esiten sähköauton kokonaishintaan. Tällä hetkellä akustot ovat kalliita ja markkinoilla odotetaan akkukonseptin seuraavaa kehitysaskelta. Akku on joka tapauksessa sähköauton avainkomponentti. Sama pätee akun anturiin, sillä akun ladattuna pitäminen ja sen oikea toiminta on erittäin tärkeätä.

Akun hallinta

Akun oikea hallinta on ehdottoman välttämätöntä, jotta akkua suojellaan vahingoittumiselta, sen elinikä pitenee ja se pidetään tilassa jossa akku voi täyttää sille suunnitellut tehtävänsä, joita ovat turvallisuus ja suorituskyky.

Perustason akunhallita (BMS, Bettery Management System) pitää sisällään seuraavat tehtävät:
- akuston jännitteen mittaaminen
- akkuun ladattavan tai siitä purkautuvan virran mittaaminen
- akun kytkeminen pois käytöstä, mikäli arvot eivät pysy vaadittujen raja-arvojen sisällä
- yksittäisten kennojen jännitteiden mittaaminen
- kennojen lämpötilan mittaaminen
- kennoston eri osien välisen varauksen tasapainottaminen
- tarkistusten tekeminen, jotta hallintajärjestelmän funktionaalinen turvallisuus voidaan taata
- akun varaustilan, kunnon ja toimintakyvyn arviointi
- kaiken tämän informaation välittäminen ajoneuvolle

Tämän toiminnallisuuden saavuttamiseksi hallintajärjestelmä on riippuvainen anturijärjestelmänsä tarkkuudesta. Tässä artikkelissa katsotaan tarkemmin virranmittausta, verrataan erilaisia saatavilla olevia tekniikoita ja näytetään, mitä etuja ja haittoja ne tuovat mukanaan.

Hall- ja sunttipohjaisten ratkaisujen vertaaminen

Virranmittaamiseen on kaksi erilaisia perusperiaatetta. Sunttiresistoria voidaan käyttää muuntamaan virta jännitepudotukseksi, joka voidaan suoraan mitata. Magneettista kenttäanturia voidaan käyttää määrittelemään magneettivuo, joka syntyy johtimessa virran kulkiessa sen läpi.

Molemmilla menetelmillä on luontaisia etuja. Sunttipohjainen anturi asennetaan virtapoluille. Vanhemmissa suunnitteluissa tarvittiin korkeampia resistansseja, jotta saatiin mitattavia tuloksia. Tämä johti suurempiin kytkentähäviöihin ja tehon tarpeettomaan hukkaamiseen. Moderneissa menetelmissä käytetään satojen mikro-ohmien resistansseja, joten häviöt ovat magneettianturien tasolla. Jännitepudotus resistorilta vahvistetaan ja digitoidaan.

Toisessa menetelmässä virtajohdin viedään Hall-anturielementin läheltä. Tämä voidaan tehdä joko integroimalla virtajohdin ja Hall-elementti samaan koteloon tai käyttämällä rautarengasta johtimen ympärillä magneettivuon keskittimenä ja istuttamalla anturielementti renkaaseen. Magneettivuo voidaan näin mitata suoraan. Toinen tapa on käyttää suljetun silmukan arkkitehtuuria, jossa magneettivuo kompensoidaan nollaan, jolloin korjausjännite on suoraan suhteessa virtaan. Koska magneettista ratkaisua ei tarvitsee asentaa virtapolkuun, se on jo itsessään eristetty ja siten helpompi asentaa. Ongelmana on kuitenkin epälineaarisuus - Hall-elementit ovat itsessään epälineaarisia - ja se, että mittaus on altis ulkoisille magneettikentille.

Taulukko: Virranmittaamisen kahden eri metodin vertailu.

Jännitteen ja virran mittaaminen erittäin tarkasti

Sähköauton akuston anturijärjestelmän suunnittelun suurin haaste on tarve mitata virtaa hyvin laajalla alueella yhdestä milliampeerista yhteen kiloampeeriin. Tämä vaatii anturiliitäntää, jossa mittausala on yli 1000 millivolttia vähintään yhden mikrovoltin tarkkuudella. Tällaisen mittausjärjestelmän keskeiset tekijät ovat hyvin alhainen kohina, korkea lineaarisuus sekä olematon siirros- eli offset-virta.

Tässä ams:n AS8510-piiri tulee mukaan kuvaan. Sen virta- ja jännitemittauksen tarkkuus on markkinoiden paras. Piirillä on kaksi itsenäistä datankeruukanavaa, jotka voivat samanaikaisesti mitata molempien napaisuuksien virtaa ja jännitettä ilman offset-virtoja.

Litiumioniakussa varauksen tilaa (SOC, state of charge) koskeva data saadaan mittaamalla akkuun ja siitä pois virtaavan virran määrä. Apuna tässä käytetään kuormittamattoman akun jännitearvoihin ja akun lämpötila-arvoihin pohjaavia kalibrointijaksoja. Tarkan SOC-arvon mittaaminen edellyttää erittäin tarkkaa virranmittausta koko signaali- ja lämpötila-alueella, sekä erittäin tarkkaa ajastusta (joka saadaan ulkoisesta kellokiteestä). SOC-data välittää ajoneuvon kuljettajalle “jäljellä olevan virran” indikaattorina ja se myös auttaa akun hallintajärjestelmää estämään akun ylilataamisen.

Virta mitataan sadan mikro-ohmin Manganin-suntissa, joka on erittäin tarkka ja vakaa resistori. AS8510-piirillä on suurilineaarinen 16-bittinen sigma-delta -AD-muunnin, nolla-offset-virran mahdollistava arkkitehtuuri ja tehtaalla lämpötilakorjattu AD-muunnosreferenssi (tyypillisesti 0,2 asteen tarkkuus ajoneuvojen koko lämpötila-alueen läpi). Näiden ansiosta piirillä päästään tarkkoihin mittauksiin koko vaaditulla virta-alueella ja koko akuston eliniän ajan. Referenssin tarkkuus ja vahvistus komponentin eliniän ajan on sertifioitu (AEC Q100 -kvalifiointi).

Jännite on toinen avainparametri, jota hallintajärjestelmän täytyy mitata. Tarkkaa jännitteenmittausta tarvitaan erityisesti turvallista ja tehokasta lataamista varten sekä litiumionialustojen kennojen varausten tasaamiseen. AS8510-piirillä akun jännite digitoidaan suoraan, joko yhtäaikaisesti virranmittauksen kanssa tai toisella näytteistysnopeudella, mikäli konfigurointi on tehty niin. Kuten virtamittauksessa, jännitekanavassa päästään 0,2 prosentin tarkkuuteen, kun käytössä on AD-muunnosreferenssin korjaus lämpötilan suhteen.

AS8510 tarjoaa paremman tarkkuuden, vakauden ja elinajan kuin mikään muu akun mittauspiiri. Sen avulla hybridi- ja sähköautojen valmistajat voivat vastata kuluttajien odotuksiin pidemmistä latausväleistä samalla, kun hybridi- tai sähköauton elinkaarikustannukset alenevat.

BMW i3 on esimerkki massatuotannossa olevasta automallista, jonka akun anturissa on hyödynnetty AS8510-piiriä. Akun hallintajärjestelmä monitoroi jännitettä ja virtaa 400-volttisessa litiumioniakustossa, joka syöttää tehoa auton sähkömoottoreihin, ja varmistaa auton akuston turvallisen toiminnan. Kalibrointiohjelman ansiosta anturijärjestelmä voi mitata virtoja peräti ±0,5 prosentin tarkkuudella ja jännitettä paremmalla kuin ±0,1 prosentin tarkkuudella AS8510-piirin koko lämpötila-alueella (-40 - +125 astetta) akuston koko eliniän ajan.

Ams auttaa BMW:tä ja muita OEM-valmistajia toteuttamaan sähköautoissaan ultratarkkoja akuston parametrien mittauksia. Samalla yhtiö on valmis seuraamaan kaikkia uusia akuston hallinnan teknisiä kehityksiä.