應對汽車電機控制中的電流檢測挑戰
純電動汽車為何正在革新汽車工程
如今人們普遍認為，與內燃機汽車相比，電池驅動的電動汽車（BEV）對環境更友好。
從工程角度看，純電動汽車（BEV）的設計周期更短，因為其零部件更少，沒有復雜的流體動力學系統，且電子元件技術成熟可靠。此外，車輛投入使用后，其軟件可通過空中下載（OTA）進行更新。
從終端用戶的角度來看，純電動汽車（BEV）具有高效且更可持續的特點，既無尾氣排放、漏油現象，也無震動問題，其長期運營成本現已與內燃機汽車持平。
隨著電子行業持續創新并應對各種設計與技術挑戰，純電動汽車系統將從中受益。典型例證是碳化硅（SiC）材料的獲取變得更便捷且成本更低——這種材料因能降低損耗而有助于熱管理。
隨著先進半導體價格的下降以及競爭對手數量的激增，純電動汽車系統的設備正變得更智能、更優化且更廉價，這進一步推動了電動汽車的廣泛普及。
電流傳感器如何提升電動汽車電機控制的安全性與性能
純電動汽車是電力巨獸，電流在其“血管”中奔流——從電池管理系統和電機控制系統流向車載充電機（OBC）等部件。管理電流至關重要，既能確保車輛高效運行，又能規避安全隱患；為此，電流傳感器被廣泛應用。
電流傳感器監測并精確測量流經電機的電流，確保其正常運行，同時還能保護系統和用戶安全。
在電機控制中，通過測量電流來有效管理和調節電機的轉矩與轉速。為確保變頻器向電機輸送恰當的電流水平，電流傳感器的輸出信號會被接入變頻器的控制回路。
電流傳感器還能保護硬件免受電流波動和失控的影響。過大的電流可能損壞晶體管或母線等元件，導致不可逆的損傷。該傳感器持續監測電流值，若超出設定范圍便會觸發系統警報，甚至強制關機。因此，電流傳感器的高度精確性至關重要。
為防范有害事件，基于現有傳感器的功能安全策略確保車輛在危險事件發生時能夠進入安全模式。
在三相電動機中，每相在逆變器輸出端均配備獨立的電流傳感器，用于監測電流并確保其總和始終為零。此處僅需兩個電流傳感器即可滿足需求，第三相電流可通過另兩相電流之和推算得出。為提升系統安全性和可靠性，設計者通常采用三個電流傳感器，因為功能安全的首要原則就是冗余。
電動機系統中的關鍵應用與設計挑戰
圖1：帶傳感器定位的典型電機控制應用
圖1展示了電機控制應用中需要安裝傳感器的三個區域。這些傳感器可采用現成（OTS）或定制方案，LEM公司均能提供這兩類傳感器。
- 電池組提供的直流電壓必須保持穩定以供系統使用。這是由電容器組成的直流母線段的職責所在。該階段對電流的監測與測量至關重要，但作為獨立功能單元，其作用正逐漸被電池管理系統或電池斷開裝置所取代。LEM為此階段提供多種類型的電流傳感器，具備不同的機械外形規格，包括單相、HSNDR、HSTDR、HAM及HAH1系列產品。
- 在電動機中，逆變器的輸出電流驅動電動機的每相，從而產生驅動電動機旋轉的旋轉磁場。逆變器通過控制輸送至每相電流的頻率和幅值來調節電動機的扭矩和轉速，為此需要電流傳感器。根據原始設備制造商的安全策略，此處可采用兩相或三相傳感裝置。為實現最小占用空間和最低成本，機械集成是可行的解決方案。LEM提供涵蓋HAH2（雙相）、HAH3（三相）以及定制電流傳感器設計的完整產品組合。
- 在轉子勵磁階段，目標是測量直流電流以控制繞線轉子。針對此階段，LEM的HMSR、GO系列及先進集成電流傳感器（預計今年推出）是理想解決方案。
在所有這些階段，微型化都是關鍵所在，半導體技術的創新帶來了性能更優、更智能且更經濟的傳感器。LEM公司通過其電流傳感器集成電路系列作出了回應，該系列產品在小巧的封裝尺寸內提供了多種功能。
在開發新型電流檢測設備時，工程師始終致力于使其體積更小、性能更智能且成本更低廉。
實現這一切的另一種方法是通過集成來提高傳感單元的功率密度。
集成式傳感模塊憑借多重優勢實現最佳使用壽命：生產線末端完成的全套校準支持即插即用部署，機械與電氣耦合性能卓越，磁集中技術確保高精度測量，磁芯結構有效抑制串擾干擾。然而該方案可能存在體積龐大且成本高昂的局限。
其他電流傳感器設計方案還包括C型或U型結構，但這些方案需要投入更多研發精力和內部開發資源，且實際效果參差不齊，具體表現為：
- 機械集成的不確定性會隨時間推移引入機械公差誤差及耦合誤差；
- 逆變器的復雜校準階段；以及
- 因所需額外研發資源導致的成本上升。
圖2：電流傳感器的演變
目前，行業正致力于實現更高的集成度和無芯設計，以縮小占用空間、降低成本并簡化設計集成（見圖2）。這些將采用獨立標準封裝的半導體器件，僅需極少的組裝和集成工作。不過，該方案仍需優秀的機械設計來確保耦合效果并消除串擾。
持續的半導體創新有望帶來關鍵性突破，使無磁芯設計成為現實。真正的無磁芯設計通過去除電流傳感器模塊中的磁芯，成為縮減整體封裝尺寸的最佳方案，但同時也帶來了新的外形要求并需解決性能挑戰：更高精度需要更優耦合、更低串擾、在極寬電流范圍內保持更佳線性度，這進而要求采用更先進的半導體材料、更優化的機械設計理念、加強與原始設備制造商的合作等。
另一個重大挑戰是在保持成本低廉的同時提供適當的安全級別。這可以通過將診斷功能集成到ASIC中來解決。
克服電動汽車傳感器集成領域的行業挑戰
機械集成、安全性和成本是開發汽車電機控制應用完美解決方案的關鍵要素。
在這些應用中，存在顯著的Z軸振動和串擾現象，傳感器可能因校準不準確而失效。可能存在帶寬限制，以及與控制板的二次連接問題。
功率模塊的集成化設計在此發揮關鍵作用，確保機電耦合的可靠性，優化校準過程，并通過壓配合方式實現與控制板的二次連接。
LEM直接與整車制造商和一級供應商合作進行協同設計，以應對開發所需汽車電機控制系統過程中可能出現的任何挑戰。通過其機械集成方案和高效制造流程，LEM能夠提供更精確的傳感器校準服務。這可能需要由逆變器制造商在系統層面管理校準過程。
從項目初期就與OEM廠商和一級供應商的研發團隊緊密協作，將有助于實現電流傳感功能與系統的最佳集成。由于傳感器作為系統組成部分，且已針對特定任務完成校準，因此無需在制造階段添加額外組件，校準精度自始便得到保障。
一個典型案例是LEM與Semikron Danfoss的合作項目，其中電流傳感器被嵌入標準功率模塊框架并完成校準。
在推進無鐵芯創新及與Semikron Danfoss等合作伙伴關系的同時，LEM持續優化現有電流傳感器產品，在保持卓越品質與性能的前提下，確保其市場競爭力。該公司近期對HC5設備進行了重新設計，現更名為HC5FL。
為保持產品組合處于行業領先地位，LEM已實現精簡組裝流程、優化磁芯設計，并計劃在今年推出一款價格具有競爭力的全新ASIC芯片，同時確保器件性能。
定制式與現成式電流傳感器：選擇合適的解決方案
尋找合適的合作伙伴——那些能在早期階段預見客戶需求并提供周全高效解決方案的伙伴——將助力企業加速設計進程，縮短產品上市周期。自1990年代起，LEM便在電機控制領域深耕專業技術，始終根據市場動態調整產品組合。通過持續的市場調研與客戶深度協作，即使在趨勢萌芽階段，LEM也能精準預判市場需求。
憑借逾五十年的經驗積累與應用知識，LEM在機械設計、傳感技術、傳感器校準、ASIC設計及軟件開發等關鍵領域擁有深厚專業實力。這使LEM能夠滿足定制化需求，并與客戶內部研發團隊緊密協作，共同開發所需解決方案。