Pomiary napięcia w układach hybrydowych – kluczowe wyzwania

Wraz z rosnącą popularnością pojazdów hybrydowych coraz większego znaczenia nabiera precyzyjne monitorowanie ich układów elektrycznych. W przeciwieństwie do klasycznych systemów 12 V, baterie trakcyjne osiągają setki voltów, a jednocześnie wymagają pomiarów bardzo małych różnic napięć na poziomie pojedynczych ogniw. To połączenie powoduje, że tor pomiarowy musi sprostać wyjątkowo trudnym warunkom.

Poniżej przedstawiamy kilka kluczowych aspektów, które szczególnie warto uwzględnić przy pracy z układami hybrydowymi – od roli napięcia wspólnego, przez wymagania dotyczące izolacji, aż po wpływ pojemności pasożytniczej.

Pomiar niewielkich napięć przy wysokim potencjale wspólnym

Typowy przykład z baterii hybrydowej wygląda następująco: chcemy zmierzyć napięcie jednej celi, wynoszące ok. 3 V, podczas gdy jej potencjał względem masy znajduje się na poziomie ponad 300 V.

W takiej sytuacji wzmacniacz musi nie tylko odczytać właściwą różnicę napięć, ale również odfiltrować bardzo duże napięcie wspólne (common mode voltage). Parametrem, który mówi o jego zdolności do tego zadania, jest CMRR – Common Mode Rejection Ratio.

W praktyce widać, że wzmacniacze osiągają bardzo wysokie wartości CMRR w zakresie 50/60 Hz, ale przy wyższych częstotliwościach – typowych dla falowników sterujących silnikami elektrycznymi – parametr ten potrafi wyraźnie spaść. To naturalna konsekwencja konstrukcji toru pomiarowego i jedna z głównych trudności przy pracy z napędami hybrydowymi.

Rola izolacji – blokowa czy indywidualna?

Izolacja galwaniczna jest niezbędna zarówno ze względów bezpieczeństwa, jak i dla ochrony samego systemu. W praktyce wykorzystywane są dwa podejścia:

Izolacja blokowa

Kilka kanałów współdzieli jedną barierę izolacyjną. Wymaga to zdefiniowania wspólnego punktu odniesienia, co nie zawsze jest oczywiste i może generować dodatkowe trudności przy konfiguracji układu.

Izolacja indywidualna

Każdy kanał ma własną barierę izolacyjną, dzięki czemu nie ma konieczności ręcznego ustalania potencjału masy wejścia. Rozwiązanie to zapewnia większą stabilność pomiaru, a same kanały są od siebie niezależne. W aplikacjach wysokonapięciowych jest to często najbezpieczniejsze podejście.

W obu przypadkach izolacja ma swoje ograniczenia wynikające z fizyki – co prowadzi do kolejnego aspektu.

Pojemność pasożytnicza a dokładność pomiarów

Mimo bardzo dużych rezystancji izolacji, każda bariera ma pewną pojemność pasożytniczą. Jej wartość może wynosić zaledwie kilka–kilkanaście pikofaradów, ale przy częstotliwościach sięgających kilkudziesięciu czy kilkuset kilohertzów zaczyna mieć to realny wpływ na przepływ prądów zakłócających.

Skutki tego zjawiska są dobrze widoczne na przykładzie pomiaru temperatury termoparą. Przy szybkich zmianach napięcia wspólnego (rzędu 100 V/µs) nawet niewielka pojemność sprzężona z przewodem może generować prądy zakłócające wystarczająco duże, by przełożyć się na błąd pomiarowy rzędu kilku–kilkunastu kelwinów. Jest to efekt naturalny i wynikający z właściwości elektrycznych samych materiałów.

Co to oznacza w praktyce?

Praca z układami hybrydowymi wymaga spojrzenia na tor pomiarowy jako na całość. Obejmuje to:

• dobór wzmacniaczy o wysokim CMRR również w zakresie kilkudziesięciu kHz,

• odpowiednią izolację kanałów, najlepiej indywidualną przy pomiarach na różnych potencjałach,

• ograniczenie pojemności pasożytniczej poprzez właściwe prowadzenie przewodów, ekranowanie i minimalizację długości ścieżek,

• świadomość, że środowisko E-Drive generuje bardzo szybkie narastania napięć – i uwzględnienie tego już na etapie projektowania pomiaru.

Podsumowanie

Układy hybrydowe stawiają bardzo wysokie wymagania wobec technologii pomiarowej. Dokładność pomiarów napięcia zależy nie tylko od jakości wzmacniacza, ale od całego kontekstu: charakterystyki falownika, sposobu prowadzenia okablowania, parametrów izolacji oraz częstotliwości zakłóceń obecnych w systemie.

Dobre przygotowanie toru pomiarowego pozwala uniknąć błędów trudnych do wykrycia i jeszcze trudniejszych do późniejszej korekty, a w praktyce takie wyzwania najczęściej rozwiązuje się, korzystając z wyspecjalizowanych platform pomiarowych — takich jak systemy imc Test & Measurement, projektowane właśnie z myślą o testach układów hybrydowych i elektrycznych.