La industria del automóvil se ha transformado durante los últimos años. Tras más de un siglo de haber mejorado y perfeccionado los motores tradicionales de gasolina y diésel, los fabricantes de coches complementan cada vez más esta tecnología tradicional con algún tipo de impulso eléctrico.

Estos vehículos denominados “híbridos” son capaces de cubrir o superar las expectativas de los clientes en cuanto a potencia y respuesta con un menor consumo de combustible, emitiendo por tanto menos gases de escape. Los nuevos sistemas eléctricos que incorporan estos vehículos, como los sistemas de recuperación de la energía de frenado, la capacidad de arranque-parada y los motores eléctricos que controlan las ruedas, requieren en todos los casos la medida y el control con precisión de la electricidad que circula por el vehículo para optimizar sus prestaciones y evitar un fallo catastrófico. Una parte fundamental de estos sistemas es el sensor de corriente de la batería, que mide el nivel de carga y descarga de la batería, así como su estado de salud. Existen varias tecnologías para realizar un buen sensor de corriente de la batería en el automóvil.

El derivador (shunt) ha sido la opción escogida por algunos fabricantes de coches, mientras que otros prefieren utilizar el efecto Hall o los sensores de inducción magnética en sus diseños. Como ocurre a menudo, cada tecnología tiene sus ventajas e inconvenientes.

Los sensores de corriente basados en derivador se han utilizado mucho durante la última década para medir corriente de la batería, sobre todo en coches de gama alta. Estos coches emplean electrónica avanzada para monitorizar la capacidad de carga de la batería y su estado en general, y en ocasiones también algún tipo de asistencia eléctrica para aumentar las prestaciones. El derivador es una resistencia hecha de materiales relativamente caros como las aleaciones de manganeso o níquel-cromo, cuya impedancia es muy baja, bien conocida y caracterizada con precisión dentro de un rango de temperaturas y tensiones. Al medir la caída de tensión en la resistencia de derivación se puede calcular el flujo de corriente en la resistencia mediante la ley de Ohm. Esta resistencia se coloca en la ruta del flujo de corriente hacia y desde la batería del coche, ofreciendo así una información precisa y de alta resolución sobre la tensión y la corriente (también se añade una función de sensado de temperatura). Además, pueden medir un amplio rango de amplitudes de corriente, desde miliamperios hasta más de mil amperios en cortas ráfagas que se generan cuando el coche arranca. Los derivadores tienen un problema al medir corrientes muy altas ya que se deben dimensionar de forma que acepten elevados flujos de corriente y disipan un nivel significativo de potencia. Estas ventajas y la ausencia de alternativas de prestaciones equivalentes a lo largo de la pasada década los han convertido en la opción preferida para los fabricantes de coches de gama alta, si bien a expensas de un coste relativamente alto de cada unidad.

Los sensores de corriente basados en efecto Hall han estado presentes en las aplicaciones industriales durante varias décadas y también la industria del automóvil durante muchos años. Los sensores de efecto Hall son sensibles a los campos magnéticos. Al concentrar los campos magnéticos generados por las corrientes que pasan por el cable de la batería en la célula Hall del sensor, por ejemplo, el sensor suministrará a la salida una señal que es proporcional a la corriente. Esta señal se puede procesar a continuación en el dominio analógico o digital para eliminar el ruido y para compensar los errores inherentes a la tecnología. Se puede proporcionar a los procesadores de gestión de la batería en el vehículo una salida analógica (tensión), o algún tipo de señal PWM o SENT que a su vez se integrará para determinar la carga y/o la salud de la batería.

Una de las características de los sensores de efecto Hall que han evitado su uso por parte de algunos fabricantes de coches en sus sistemas de gestión de la batería, especialmente de gama alta, es su error de offset. Los errores de offset eléctrico y magnético aumentan la incertidumbre de la señal medida. No se pueden compensar por completo y ello puede afectar a los cálculos de los niveles de carga de la batería. El error de offset también depende de la temperatura, en ocasiones con importantes variaciones entre dispositivos. Los sensores basados en derivador no experimentan estos efectos de la histéresis magnética. Errores totales del 3 al 5 por ciento eran habituales en los sensores de célula Hall hace tan sólo unos pocos años. Los avances tecnológicos más recientes reducen este error al 1 o el 2 por ciento en muchos casos. Los diseños de chip o núcleo magnético de los sensores de efecto Hall son los que están impulsando en mayor medida este avance. A modo de comparativa, los derivadores tienen una precisión del orden del 1 por ciento.

Los sensores de efecto Hall tienen algunas ventajas respecto a los sensores basados en derivador y las principales son el aislamiento y la fiabilidad. Los sensores de efecto Hall están aislados galvánicamente de la corriente primaria ya que se encuentran alrededor del cable y capturan el campo magnético a través del espacio para ofrecer su lectura. Pueden resistir picos de corriente y tensión mucho más elevados sin sufrir daños. Además, la ubicación de los sensores de efecto Hall no se ve limitada al poste terminal de la batería como ocurre con la mayoría de derivadores, sino que se puede colocar en cualquier punto a lo largo del cable o conductor cuya corriente haya que medir. Esto proporciona a los fabricantes de coches importantes ventajas de tipo económico ya que pueden adquirir un solo componente estándar en las diversas configuraciones del motor y la batería con diferentes longitudes de cable. La fabricación de los sensores de efecto Hall generalmente es mucho menos costosa que para los derivadores equivalentes.

Los derivadores emplean grandes cantidades de materiales y dispositivos electrónicos costosos para filtrar y acondicionar la señal de salida, mientras que los sensores de efecto Hall sólo necesitan pequeñas cantidades de material ferroso y un circuito integrado (ASIC). Si es necesario que un derivador proporcione una salida aislada galvánicamente se añade un considerable coste al producto. La convincente relación entre coste y beneficios de la tecnología de efecto Hall ha provocado que muchos fabricantes de coches escojan esta tecnología para sus aplicaciones de sensado de corriente de la batería a expensas de una modesta reducción de la precisión si se compara con las alternativas basadas en derivador.

La tecnología de inducción magnética (fluxgate) cubre el hueco existente entre los sensores de efecto Hall y los derivadores al ofrecer las ventajas de un sensor aislado con una insignificante relación entre señal y offset.  Durante muchos años ésta ha sido una tecnología utilizada en costosos componentes industriales pero ya hay sensores de corriente de inducción magnética disponibles en soluciones homologadas para automoción con costes comparables a los del derivador. De forma muy parecida a los sensores de efecto Hall, son sensibles a los campos magnéticos generados alrededor del cable primario. No obstante, su principio de medida es único y cualquier señal de offset se cancela automáticamente por las corrientes alternas en los devanados del núcleo magnético sólido. El error de medida de los sensores de inducción magnética es inferior al 0,5%, con un offset global inferior a 10 mA en un producto con un rango de 400 A, lo cual les proporciona una ventaja inherente (Fig.1). Al integrar valores de corriente a lo largo del tiempo para obtener el cálculo del estado de carga en un vehículo, por ejemplo, el efecto de la mejor precisión se ve multiplicado, dando así a los sensores de inducción magnética una clara ventaja respecto al efecto Hall, e incluso a las tecnologías basadas en derivador (Fig. 2 y Fig. 3). También se pueden colocar en cualquier punto a lo largo del conductor, cerca o muy lejos de la batería, y por tanto ofrecen la flexibilidad de diseño necesaria a los fabricantes de coches que les ayuda a reducir costes. Los sensores de inducción magnética son ideales para vehículos híbridos y eléctricos, en los cuales la medida de la corriente tiene una importancia crítica y las amplitudes de alta corriente y el aislamiento del sensor representan un reto para las alternativas basadas en derivador.

Existen varias tecnologías para medir las corrientes de la batería en el automóvil, cada una con sus ventajas e inconvenientes. Los fabricantes de coches de gama alta han preferido hasta ahora las soluciones basadas en derivador debido a su alta precisión y amplio rango de medida. La tecnología de inducción magnética, inicialmente reservada a aplicaciones industriales de muy alto nivel, ha evolucionado para tener un precio competitivo en aplicaciones de automoción, y ofrece una mejor precisión que los derivadores al tiempo que sigue teniendo aislamiento galvánico. Cuando el coste sigue teniendo la máxima prioridad, los sensores de efecto Hall son la solución ideal. Su principal inconveniente histórico (errores de offset) se está afrontando con avances tecnológicos para ofrecer precisión en un producto de bajo coste. La creciente necesidad de medidas de corriente eléctrica en los coches concede una oportunidad para un mayor desarrollo de estas diversas tecnologías y que se conviertan en un elemento fundamental en el diseño y la producción de los futuros sistemas del automóvil.

Autor:

Por: Ramon Portas y Gauthier Plagne, LEM

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