如何使用高精度温度传感器最大限度地提高动力总成效率和可靠性

1.前言

如果我们设计汽车系统，我们可能会感到巨大的压力，需要重新定义汽车动力系统 ，以满足欧盟、美国、中国和日本等倡议制定的减少温室气体 (GHG) 排放目标。为了实现这些目标，一些汽车制造商正在为轻度混合动力汽车实施 48V 系统，但大多数汽车制造商正在将传统的内燃机 (ICE) 模型过渡到全电动动力系统，如图 1 所示。

由于减排的环境目标，预计电动汽车 (EV) 将在未来十年内迅速增加其市场份额。为帮助加快电动汽车的普及，动力总成供应商正在设计集成电动动力总成，将牵引逆变器、DC/DC 转换器和车载充电器集成在一个盒子中。虽然这种方法可以减轻车辆重量、降低总成本并提供更高的功率密度，但它需要更加关注热管理。这是因为更高的功率密度和更小的外形会增加工作温度，这会降低动力系统性能——甚至更糟的是，损坏它。温度传感器一直是车辆动力系统中的必要组件，但由于它们经常被重新考虑或在设计中重复使用多年，因此它们对电动动力系统的积极影响有限。正确实施的新温度传感器技术可以对集成电动动力总成系统的效率和可靠性产生重大影响。

图 1：电动动力总成系统

2.更好的温度精度有助于提高集成电动动力系统的效率

消费者希望电动汽车充电更快，一次充电后行驶里程更长。为了实现这一点，设计人员必须提高集成电动动力系统的效率。一种方法是增加功率级内的电压电平和开关频率。然而，在如此小的占地面积上这样做会增强功率密度并导致温度升高，从而增加热失控的风险。要在提高效率的同时限制热损坏风险，需要正确使用准确的温度传感器和主动冷却反馈回路。

安全地推动组件达到其峰值性能通常会导致更高的工作温度更接近设备极限。如图 2 所示，最大限度地提高传感器精度使处理器能够将误差的温度安全裕度降至最低，从而可以更精确地控制车辆充电和功率流等功能——即使在接近设备的热工作极限时也是如此。

图 2：准确性如何影响安全裕度

3.低漂移温度传感器有助于长期保持集成动力系统的可靠性

消费者希望他们的车辆经久耐用。在集成电动动力系统中发现的电子设备的使用寿命与其暴露的温度直接相关。为了使功率级场效应晶体管等组件多年正常运行，温度传感器必须可靠且漂移最小。

许多电子产品随时间漂移，温度传感器也不例外。漂移与传感器的材料成分有很大关系。例如，基于硅的温度传感器的传感器随时间漂移可以忽略不计，而电阻温度检测器的漂移范围为每年 ±0.1 至 ±0.5°C，而传统的负温度系数 (NTC) 热敏电阻通常随时间漂移 >5%（不包括外部元件的漂移）。随着系统老化，传感器漂移会增加温度传感解决方案的误差，并通过迫使其过早关闭或对组件造成热损坏来限制其效率。

在设计长期性能时，最好使用温度传感器集成电路 (IC)，它可以在整个工作温度范围内提供有保证的精度，而不是像 NTC 热敏电阻这样的分立实现在未校准时具有可疑的精度。TMP126-Q1数字温度传感器可在高达 175°C 的极端温度下以 ±1°C 的精度进行精确监控，并在很宽的温度范围内低至 ±0.3°C。在系统内出现电压瞬变和浪涌的情况下，温度会迅速升高。

如图 3 所示，TMP126-Q1 通过检测温度尖峰来帮助我们的系统采取先发制人的行动，这可能是温度达到危险水平之前的热问题的领先指标。

图 3：TMP126 中的新压摆率警报功能

正如我之前提到的，我们可能希望增加开关频率以提高效率，但这可能会导致不必要的电磁干扰 (EMI)。为了在高 EMI 条件下运行，TMP126-Q1 具有内置循环冗余校验，以确保仅在数据无差错时才使用数据。此外，TMP126-Q1 随附功能安全及时故障 (FIT) 率和故障模式分布 (FMD) 文档，以帮助实现系统级认证。该器件的高精度和可忽略不计的漂移使集成动力系统能够降低其保护裕度，减少关闭频率，同时仍能保护系统免于过热，从而提高效率。

4.总结

毫不奇怪，我们会发现 20 多个温度传感器分布在集成的电动动力总成系统中。准确的感应有助于最大限度地提高系统效率，防止控制系统的错误触发，并更有效地保护 IC 或其他组件。使用由硅制成的低漂移传感器，能够随着时间的推移保持这种效率，使汽车在路上行驶的时间更长。无论我们选择哪种温度传感器，请记住选择准确可靠的传感器，遵循传感器放置最佳实践，并利用新的传感器功能。