创新背后：重新定义电流检测的方法

关键要点：

• TMCS2100 是 TI 适用于电动汽车牵引逆变器的新款多轴无芯霍尔效应电流传感器，无需使用磁芯，也不会影响电流测量精度。
• 与在一个方向上测量电流周围磁场的传统无芯电流传感器不同，TMCS2100 可在两个方向上测量磁场，因此对振动不太敏感，并且能够更好地耐受物理位移。
• 这款新型多轴无芯霍尔效应电流传感器解决了牵引逆变器设计中长期存在的权衡难题：在实现无磁芯、高精度电流检测的同时，降低电机相间串扰和转矩脉动，从而有助于提升续航里程并带来更平稳的驾驶体验。
• TMCS2100 由 TI 的 Kilby 实验室与 TI 传感器团队合作开发，使汽车制造商能够在兼顾尺寸和重量的情况下获得所需的精度，同时适用于更小、更高效的牵引逆变器。

多年来，同样的问题一直困扰着成千上万名设计电动汽车牵引逆变器的工程师，并令他们倍感挫败。

在牵引逆变器中，实现精确的电机控制需要精确的电流测量。长期以来，这意味着必须面对一个基本的权衡；虽然磁芯可以提供必要的电流测量精度，但会增加设计的重量和尺寸。去掉磁芯后，仅振动就可能影响电流读数。

TI 的工程师们不愿接受这种权衡作为最终答案；相反，他们将其视为一次创新契机。

“我们的客户明确表示，需要一种用于牵引逆变器的、兼具无磁芯和高精度特点的电流检测解决方案。”TI 传感器产品部副总裁兼总经理 Jason Cole 说道。为开发该解决方案，TI 的传感器业务团队与 Kilby 实验室展开了合作。Kilby 实验室是 TI 的先进 R&D 机构，与 TI 各技术业务部门协作，共同攻克那些尚无明确答案的工程挑战。

将技术挑战转化为解决方案

TI 与两位面临着牵引逆变器权衡难题的汽车工程师进行了合作，从项目伊始便将实际设计约束纳入考量。设计人员遇到的主要问题成为了 TI 的起点：无芯解决方案能否提供牵引逆变器所必须具备的精度，同时避免工程师长期以来不得不接受的各种权衡？

“理想情况下，你需要有几位能够与你紧密合作的关键协作者。”Kilby 实验室系统经理 Lei Ding 说道。“这样，您就可以组建一个小型团队，快速构建原型、评估这一概念，并不断完善它。”

这次合作确定了项目最初的发展方向。早期的概念依赖外部微控制器，在事后改正测量误差。但 Kilby 实验室与传感器团队之间的讨论指向了一个更具挑战性的目标：开发一种能够在内部校正测量误差的传感器。

从此，项目走上了不同的发展路径。TI 的工程师开始重新思考传感器如何测量牵引逆变器中的电流，而不是优化最初的设计。

团队很快将原型样机送到德国客户的实验室，并在那里花了三天时间，在传感器实际会面临的条件下进行测试，包括不同的电流水平、不同的频率和不同的调制方式。

有时，这些测试会引发更多问题。例如，这些测试在实际系统中能否经受住考验？但有趣的是，不确定性成为了过程的一部分，而不是警告信号。

“我们没有去寻找那些能证明某个想法可行的简单案例，而是采取了相反的方法：寻找那些会证明它失败的案例。”Kilby 实验室工艺开发工程师经理 Dok Won Lee 说道。“这样就能很快得出解答。”

有一个问题一直在反复出现。现有的无芯传感器可测量一个方向上电流周围的磁场。如果传感器能在两个方向上测量磁场呢？

共同打造更智能的传感器

截至目前，市场上还没有任何解决方案能够实现复杂的电流检测，并兼顾信号的多轴特性。TI 工程师知道，如果他们想要减少会影响精度的意外影响，就需要采用多轴传感器设计。

多轴传感器设计避免了行业内长期存在的权衡。通过在两个方向上读取磁场，传感器对振动的敏感性得以降低。多轴测量功能还可实现更准确、更可靠的磁感测，从而提高器件对物理位移的耐受能力。更高的精度可降低电机相间串扰和转矩脉动。这种顿挫现象会影响电动汽车的续航里程和驾驶平稳性。

“因为这不是一个简单的问题，所以我感觉非常有价值。”Dok Won 说道。“风险很高，但潜在收益也很高。有很多不确定因素可能导致我们走入死胡同。但我们最终得以实现产品化。”

多轴传感器最终成为一款真正的产品：用于牵引逆变器的 TMCS2100 多轴无芯霍尔效应电流传感器。

“这仅仅是创新的一部分。”TI HEV/EV 及动力总成事业部总经理 Jerry Shi 说道。“我们的客户将能够更进一步。将这款器件安装到车辆上时，它将帮助汽车制造商实现所需的精度，而无需对尺寸和重量进行权衡，同时还适用于更小、更高效的牵引逆变器。”

TMCS2100 的开发历经数轮审查、改进和重新调整，过程中可能探索了多个方向。但最终，他们走向了同一个目标。

“我们是工程师，为工程师而创新。我们的目标是了解客户面临的问题，并共同创造出一个他们甚至不知道可行的解决方案。”Jason 说道。“这项技术正体现了这一点。”