L'industria automotive ha subito un'importante trasformazione durante gli ultimi anni. Dopo più di un secolo di miglioramenti e perfezionamenti dei tradizionali motori a benzina e diesel che alimentano le automobili, i produttori di auto stanno ora progressivamente integrando questa tradizionale tecnologia con qualche forma di alimentazione elettrica. Questi veicoli "ibridi" sono in grado di soddisfare o superare le aspettative dei clienti in termini di potenza e risposta e allo stesso tempo di consumare meno combustibile e quindi di emettere meno gas di scarico. I nuovi sistemi elettrici di questi veicoli, incluso i sistemi di recupero energia in frenata, funzionalità start&stop e i motori elettrici che pilotano le ruote, richiedono tutti un'accurata misura e controllo degli assorbimenti elettrici per ottimizzarne le prestazioni ed evitare guasti catastrofici. Una parte essenziale di questi sistemi è il sensore di misura della corrente di batteria che misura il livello di carica e scarica della stessa, e il suo stato di salute. Ci sono diverse tecnologie esistenti per creare un buon sensore di corrente per il monitoraggio della batteria dei veicoli. Lo shunt è stata la scelta di alcuni produttori di automobili, mentre altri hanno preferito usare i sensori ad effetto Hall e fluxgate. Come nella maggior parte delle cose, ogni tecnologia ha i suoi vantaggi e svantaggi.
Tecnologie diverse per applicazioni diverse
I sensori di corrente basati su shunt sono stati largamente usati nell'ultimo decennio prevalentemente nella fascia auto premium. Queste auto impiegano elettronica avanzata per tracciare accuratamente la capacità di carico della batteria e lo stato generale di salute, e qualche volta alcune forme di assistenza elettrica per migliorare le prestazioni. Lo shunt è una resistenza costituita da materiali relativamente costosi come leghe di Manganese o Nickel-Cromo, la cui impedenza è molto bassa, ben conosciuta, e con caratteristiche precise nel range di temperatura e tensione. Misurando la caduta di tensione attraverso uno shunt, la corrente che fluisce attraverso il resistore può essere calcolata utilizzando la legge di Ohm. Questo resistore è posizionato sul conduttore attraverso il quale la corrente fluisce da e verso la batteria dell'auto, fornendo informazioni accurate circa tensione e corrente (viene anche aggiunta una funzionalità di rilevamento della temperatura). Inoltre, possono misurare un ampio range di corrente, dai milliampere a oltre mille ampere in brevi picchi che si verificano normalmente quando l'auto viene messa in funzione. Gli shunt hanno problemi nel misurare correnti elevate, dato che debbono essere dimensionati per accettare importanti flussi di corrente, e dissipano una significativa quantità di potenza. Questi vantaggi e l'assenza di alternative di prestazioni equivalenti nell'ultima decade trascorsa ne hanno fatto la scelta preferita per i produttori di automobili nella fascia Premium, sebbene ad un costo relativamente superiore. I sensori di corrente basati sulla tecnologia ad effetto Hall per applicazioni industriali esistono da diverse decadi e nell'industria automobilistica da diversi anni. I sensori ad effetto Hall sono sensibili ai campi magnetici. Concentrando i campi magnetici generati dalla corrente che fluisce attraverso i cavi della batteria sulla cella Hall del sensore, per esempio, il sensore produrrà un segnale che risulterà proporzionale alla corrente che lo attraversa. Questo segnale può quindi essere ulteriormente elaborato per eliminare il rumore, e compensare gli errori tipici insiti in questa tecnologia. Una tensione analogica in uscita, o qualche forma di segnale Pwm, o Sent in uscita può essere fornito al processore di gestione della batteria del veicolo che, a sua volta, lo integrerà per determinare la carica o lo stato di salute della batteria. Una delle caratteristiche dei sensori ad effetto Hall che ha impedito ai costruttori di auto, specialmente quelli del settore Premium, di usarli nei sistemi di gestione delle batterie è il loro errore off-set. Gli errori di off-set elettrici e magnetici aumentano l'incertezza della misura del segnale. Questi non possono essere pienamente compensati e possono quindi avere effetto sul calcolo del livello di carica delle batterie. L'errore off-set varia anche secondo la temperatura, alcune volte con significative variazioni ai due estremi. I sensori basati su shunt mancano di questi effetti di isteresi magnetica. Errori generali del 3 o 5 percento erano comuni nei sensori ad effetto Hall anche solo di pochi anni fa. Gli ultimi miglioramenti tecnologici riducono questi errori a un 1 o 2 percento in molti casi. I progetti chip-core e magnetic-core dei sensori ad effetto Hall guidano la spinta al miglioramento. Come termine di paragone, gli shunt hanno una precisione di circa un 1 percento.
I sensori ad effetto Hall hanno diversi vantaggi rispetto agli shunt, tra i principali isolamento ed affidabilità. I sensori ad effetto Hall sono galvanicamente isolati. Possono resistere a valori di corrente molto superiori e a picchi di tensione senza subire alcun danneggiamento. Inoltre, il posizionamento di un sensore ad effetto Hall non è limitato al solo terminale della batteria come è nel caso per la maggior parte degli shunt, ma possono invece essere posizionati ovunque lungo cavi e conduttori la cui corrente si debba misurare. Questo offre ai produttori di auto significativi benefici economici dato che possono utilizzare un unico componente standard per tutti i motori e configurazioni di batterie per cavi di differenti lunghezze. I sensori ad effetto Hall sono generalmente molto meno costosi da produrre degli equivalenti shunt. Gli Shunt impiegano grosse quantità di materiali costosi ed elettronica per filtrare e condizionare il segnale in uscita, mentre i sensori ad effetto Hall richiedono solo modeste quantità di materiale magnetico ed un circuito integrato. Se oltre allo shunt si richiede un'uscita galvanicamente isolata, si devono aggiungere dei costi rilevanti. Gli innegabili costi-benefici della tecnologia ad effetto Hall hanno fatto si che molti produttori di automobili scegliessero questa tecnologia per le loro applicazioni di rilevamento della corrente di batteria, a fronte di modeste riduzioni di precisione se comparata alle alternative shunt.
Tutti i vantaggi della tecnologia Fluxgate
La tecnologia Fluxgate colma il gap tra i sensori ad effetto Hall e gli shunt offrendo i vantaggi di un sensore isolato con trascurabile off-set di segnale. Per molti anni questa è stata una tecnologia usata nei componenti industriali più costosi ma oggi sono disponibili in soluzioni automotive-qualified ad un costo comparabile a quello dello shunt. Più similmente ai sensori ad effetto Hall, essi sono sensibili ai campi magnetici generati attorno al cavo primario. Tuttavia il loro principio di misurazione è unico, e ogni off-set di segnale viene automaticamente cancellato attraverso la corrente alternata che circola nell'avvolgimento del nucleo magnetico. L'errore di misurazione dei sensori Fluxgate è inferiore allo 0.5% con un offset globale inferiore a 10 mA per un prodotto da 400 A, offrendo un vantaggio intrinseco. Nell'integrare i valori di corrente nel tempo per ottenere il calcolo dello stato di carica in un veicolo, per esempio, l'impatto del miglioramento nella precisione viene moltiplicato, dando ai sensori fluxgate un chiaro vantaggio su quelli di tecnologia ad effetto Hall, e persino su quelli shunt-based. I sensori Fluxgate sono ideali per i veicoli ibridi ed elettrici dove un'accurata misurazione della corrente è critica, e dove l'elevato livello di corrente in gioco e l'isolamento del sensore pongono una sfida alle alternative shunt-based. Quando i costi rimangono la più grande delle priorità, i sensori ad effetto Hall sono la soluzione ideale. Il loro principale storico svantaggio (errori off-set) stanno per essere risolti con miglioramenti tecnologici che forniscono precisione in un prodotto low-cost. La crescente esigenza di misurazioni di corrente elettrica nelle auto fornisce l'opportunità per queste varie tecnologie di ulteriori sviluppi e di divenire elementi essenziali nella progettazione e produzione dei sistemi automotive del futuro.
