Figure 1: The Hall effect (a) and a Hall effect current sensor (b). Source: Isabellenhütte

Mesurer les différences : Technologie de détection résistive par shunt vs. solutions magnétiques

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Par Matthias Hilpert, Isabellenhütte USA

Initialement publié sur electronics360 website.

L’effet Hall et le shunt sont deux approches de la détection du courant utilisées par les systèmes de gestion des batteries Li‐Ion que l’on trouve dans les véhicules électriques (VE) actuels. Cet article évalue les avantages et les inconvénients de chacune d’entre elles. 

Exigences de l’application 

La batterie d’un VE ou un VE hybride (HEV) doit fournir 100 kW de puissance ou plus, en réponse à la demande du conducteur. Un système de batterie typique pour VE ou VEH est composé de centaines de cellules de batterie au lithium‐ion connectées en série pour générer une tension de 350 V ou plus. 

La tension, le courant et la température du système de batterie doivent être soigneusement surveillés pour contrôler la charge et la décharge, pour équilibrer la charge entre les cellules, pour maintenir les cellules dans leur zone de fonctionnement sûre (SOA) et pour calculer les paramètres clés de la batterie tels que l’état de charge (SOC) et l’état de santé (SOH). 

Le capteur de courant doit être capable de mesurer avec précision des courants allant de quelques milliampères à des centaines d’ampères, à des températures de fonctionnement automobile compris entre ‐40°C à 125°C, sur une durée de vie pouvant atteindre 20 ans. Deux méthodes de mesure basées sur des principes très différents se sont établies au cours des deux dernières décennies : les capteurs de courant magnétiques fluxgate, les transformateurs de courant et les capteurs à effet Hall d’une part, et les capteurs de mesure de courant à base de shunts. 

Magnétique (effet Hall) 

Les capteurs à effet Hall sont le type de capteur de courant magnétique le plus courant. Son fonctionnement repose sur l’effet Hall, comme le montre la figure 1(a), où le courant (I) circulant dans un conducteur en présence d’un champ magnétique appliqué (B) génère une tension de Hall transversale (UH) qui est fonction du courant, du champ magnétique, de l’épaisseur du conducteur et de la densité des porteurs de charge. 

Figure 1: The Hall effect (a) and a Hall effect current sensor (b). Source: Isabellenhütte

Figure 1 : L’effet Hall (a) et un capteur de courant à effet Hall (b) 

L’effet Hall constitue la base du capteur de courant, comme le montre la figure 1(b). Un élément de Hall est monté dans l’entrefer d’un noyau magnétique en ferrite, placé autour du conducteur de courant. La tension de Hall indique le flux magnétique continu, conduisant à une mesure du courant continu dans le conducteur. 

Les dispositifs disponibles dans le commerce comprennent généralement des amplificateurs pour augmenter la faible tension de Hall à un niveau utilisable. 

Résistif (shunt) 

Une conception de détection de courant basée sur un shunt détermine le courant I en mesurant la tension U générée lorsque I circule à travers une résistance de shunt R placée dans la ligne de batterie, comme l’exprime la loi d’Ohm : U = R x I 

La figure 2 montre un arrangement typique de VE ou de VEH où le shunt est placé dans le circuit de retour de la batterie. La résistance du shunt fait partie d’un module qui comprend également un circuit intégré de gestion de batterie, pour mesurer la tension aux bornes du shunt, et communique avec le réseau du véhicule par le biais du bus CAN standard de l’industrie automobile. Notez que le flux de courant peut être positif ou négatif. 

Figure 2: Shunt current measurement. Source: Isabellenhütte

Figure 2 : Mesure du courant de shunt.

Si la résistance d’un shunt “idéal” ne change pas avec le temps, le courant ou la température de fonctionnement, ce n’est pas le cas dans le monde réel. Par exemple, toute résistance dissipe de la puissance selon l’équation P =RI². Plus le courant augmente, plus la température augmente. Dans un composant réel, un changement de température provoque un changement de la valeur de R, caractérisé dans la spécification de résistance comme étant le coefficient de température de la résistance (TCR). En outre, le vieillissement du composant entraîne une modification de sa résistance dans le temps, et un dispositif réel présente également une inductance et une capacité parasites.

À faible courant, une erreur peut se produire en raison de la force électromotrice thermique (FEM) ‐ une tension de l’ordre du microvolt (μV) causée par les variations de température aux bornes de la résistance de dérivation. 

Isabellenhütte a développé une gamme d’alliages spécialisés tels que le Manganin, l’IsaOhm et le Zeranin, spécifiquement dédiés à la mesure de courant. Les résistances shunt fabriquées à partir de ces alliages combinent de faibles résistances avec une inductance, une TCR et des FEM thermiques extrêmement faibles, ainsi qu’une excellente stabilité à long terme. 

Effet Hall vs. Shunt résistif 

Les exigences imposées aux systèmes de mesure actuels dépendent de l’application. La protection contre les surintensités, par exemple, exige un traitement rapide et une bande passante élevée ; le contrôle en boucle fermée nécessite une haute résolution et une grande linéarité ; et la mesure de la puissance exige un traitement rapide et une grande précision. 

Parmi les facteurs à prendre en compte, on peut citer l’étalonnage sur toute la durée de vie de l’appareil, les fonctions disponibles dans un seul module, les tolérances de précision, la sensibilité aux interférences magnétiques et la précision/dérive en température. 

Les avantages des capteurs à effet Hall comprennent la capacité de mesurer à la fois le courant continu et le courant alternatif, l’isolation galvanique inhérente, la faible perte de puissance et le découplage thermique de l’électronique de puissance. 

Leurs principaux inconvénients sont une faible largeur de bande, une dérive de sortie et une non‐linéarité en fonction de la température, ainsi qu’un auto‐échauffement à des courants élevés, qui conduit à une faible capacité de surintensité. Le noyau magnétique présente une hystérésis, et sa saturation entraîne des caractéristiques de décalage et de linéarité non idéales. En outre, le noyau contribue à une taille et un poids relativement importants. 

Un système de mesure par shunt se caractérise par une bande passante élevée, de bonnes performances dans des conditions de surintensité et peut mesurer à la fois les courants alternatifs et continus. Sans noyau magnétique, le système complet est léger, la saturation et l’hystérésis ne se produisent pas, et il est moins sujet au bruit dans le signal causé par les interférences électromagnétiques. Le système à base de shunt se caractérise également par une grande précision sur toute la plage de température ; les alliages résistifs spécialisés utilisés ont un comportement de résistance à la température très prévisible, ce qui permet une compensation précise de la température. La figure 3 illustre la précision supérieure du système à base de shunts sur la température par rapport à un système à effet Hall.

Figure 3: Accuracy comparison versus temperature. Source: Isabellenhütte

Figure 3 : Comparaison de la précision en fonction de la température. Source: Isabellenhütte

Il existe aussi quelques inconvénients à cette technologie. Le courant mesuré doit passer par la résistance shunt, ce qui nécessite l’inclusion d’un étage d’isolation entre l’étage de mesure et le reste du système. Les courants élevés génèrent de la chaleur dans le shunt, qui doit être dissipée efficacement ; cependant, avec des valeurs de résistance aussi faibles que 5µΩ, les résistances shunt Isabellenhütte sont conçues pour une augmentation de température maximale de 20K, même à des courants nominaux allant jusqu’à 2500 A.

La faible quantité de chaleur générée alors peut être dissipée par la connexion sur busbar, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des techniques supplémentaires de dissipation thermique. 
La figure 4 montre une comparaison de certains paramètres clés entre ces deux dispositifs. L’un des dispositifs est un transducteur de courant à effet Hall, compensé en boucle fermée, d’un grand fabricant. L’autre est un dispositif comparable, de la famille des modules IPC d’Isabellenhütte, contenant un capteur de courant à base de shunt et un convertisseur analogique‐numérique sigma‐delta à grande vitesse. Les deux appareils sont conçus pour un courant nominal de 1 000 A efficaces.

Figure 4: Performance comparison between a shunt resistor module and a Hall effect device. Source: Isabellenhütte

Figure 4 : Comparaison des performances entre un module à shunt et un dispositif à effet Hall.

Autres considérations relatives à la conception 

Outre les spécifications de performance électrique, le concepteur doit également prendre en compte d’autres critères, notamment le coût des composants, le coût total de possession, la taille du boîtier et la facilité d’intégration du système. 

Les comparaisons détaillées dépendent de chaque application, mais en général, les capteurs de courant à effet Hall sont simples à installer et compacts si le courant à mesurer est inférieur à environ 500 A. Ils sont également moins coûteux pour les applications à faible courant et à faible performance. Les systèmes de mesure par shunt sont plus légers, consomment moins d’espace et sont généralement moins chers dans les applications à courant élevé et à haute performance. Les solutions de mesure shunt modulaires offrent un choix d’options couramment utilisées telles que la détection de surintensité (OC). Elles offrent également des caractéristiques programmables : temps de cycle, déclenchement par logiciel, ainsi que des paramètres liés au CAN tels que les ID, les fichiers journaux et les journaux d’erreurs.

Figure 5: The IVT-S current measurement module. Source: Isabellenhütte

Figure 5 : Le module de mesure du courant IVT‐S 

La technologie shunt dans les applications pour véhicules 

La famille IVT de capteurs de courant et de tension intelligents est spécialement conçue pour être utilisée dans des systèmes de gestion de batteries haute tension, afin de surveiller l’état des batteries Li‐Ion. La famille regroupe un shunt de précision et un circuit intégré spécifique à l’application (ASIC) dans un seul boîtier, permettant la mesure de courants continus jusqu’à 2500 A et une communication via une interface CAN 2.0 

La conception modulaire du système permet d’ajouter d’autres fonctions à la mesure de base du courant. Par exemple, jusqu’à trois lignes de détection de haute tension, un compteur d’énergie et un calcul de puissance synchrones dans le temps, des plages de courant sélectionnables, une détection de surintensité programmable et une mesure de la température au niveau des conducteurs cuivre. Une terminaison CAN interne est une autre option sélectionnable. 

Si la conception nécessite une mesure de courant du côté positif du système de batterie, qui peut atteindre plusieurs centaines de volts, l’interface de communication et la tension d’alimentation des modules de mesure peuvent être isolées galvaniquement (figure 6).

Figure 6: Performance characteristics of the IVT current measurement module. Source: Isabellenhütte

Figure 6 : Caractéristiques de performance du module de mesure du courant IVT 

La technologie de détection de courant dans d’autres applications 

En dehors des applications VE/VEH, des capteurs de courant se trouvent aussi dans des véhicules spécialisés tels que les motos électriques, les chariots élévateurs, les tracteurs et les camions miniers. Les applications non automobiles comprennent les systèmes ferroviaires et maritimes, le stockage à l’échelle du réseau pour les systèmes d’énergie renouvelable, la technologie des entraînements industriels, les alimentations électriques et les systèmes d’alimentation sécurisés pour les centres de données. 

La mesure du courant par shunt est également une option compétitive pour ces applications, mais chaque application apporte son propre ensemble d’exigences et de défis de conception. Par exemple, des tensions allant jusqu’à 22 kV peuvent être présentes dans les applications de distribution d’énergie ; les convertisseurs industriels nécessitent des mesures extrêmement précises des courants de phase, pour une efficacité de fonctionnement maximale ; et les batteries des systèmes d’alimentation sans coupure doivent pouvoir rester complètement chargées pendant des années, et être prêtes à fournir un courant élevé pendant une période prolongée à tout moment. 

Conclusion 

La technologie de détection à base de shunt peut être une solution intelligente et efficace pour les applications automobiles et stationnaires. Les composants magnétiques ont leur place, mais les solutions basées sur les shunts sont préférables lorsque la précision des performances sur une large gamme de températures est une priorité. Isabellenhütte propose une gamme de produits de mesure pas shunt qui conviennent à un grand nombre d’applications. Visitez leur site web pour plus d’informations. 

(article paru dans Electronics 360, 15 juin 2020)