Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Elektrifieringen av transportsektorn ger ett viktigt bidrag till klimatåtagandena.

Eftersom det är en av de sektorer som släpper ut mest växthusgaser har bil, buss och taxi fått äran att rulla i täten i den globala marschen mot CO2-neutralitet till år 2035. De elektriska fyrhjulingarna har fått sitt genomslag. Barnen har slutat hojta i baksätet när de ser en elbil, taxibilar glider allt tystare upp för huvudgatan och det står allt oftare ”100% elektrisk” på de skåpbilar och bussar som fraktar paket och personer mot sina destinationer.

Men det är lätt hänt att en annan sektor hamnar i skuggan av fyrhjulingarnas framsteg: lätt e-mobilitet. I synnerhet gäller detta den ökande elektrifieringen av två- och trehjuliga fordon. Fyrhjulingarna får de stora rubrikerna inom vägtransport, men lätt mobilitet är faktiskt en ännu större trend globalt.

Det vanligaste transportmedlet
Elektrifieringen av lätt mobilitet har upplevt en kraftfull acceleration i synnerhet i Sydostasien i länder som Malaysia och Indonesien, liksom i Indien och Kina (och snart Afrika). Det är länder där tvåhjuliga fordon är det absolut vanligaste transportmedlet. Det har uppskattats att det finns runt 70 miljoner tvåhjulingar på vägarna och antalet växer i snabb takt. Det förväntas allmänt att de nordliga ekonomierna kommer att se allt mer elektrifiering av tvåhjuliga fordon under det kommande decenniet. Flera företag i USA och Europa tittar redan på att lansera produkter på denna marknad.

I konkreta termer av tillväxt expanderar denna sektor faktiskt snabbare än fyrhjulingarna, inte minst för att deras utmaningar kring certifiering och design är betydligt mindre komplexa. Likaså gäller att det är lättare att konstruera BMS:er (batteristyrsystem) för denna sektor eftersom tvåhjulingarnas batterier använder lägre spänning, drar mindre effekt och är fysiskt mindre. Därmed finns det betydligt mindre hinder för en startup att lansera sig på marknaden för elektrisk mobilitet med en tvåhjuling, än om de skulle behöva designa ett EV-system från noll.

År 2021 var cirka sex procent av alla lätta fordon elektrifierade. Resten förlitade sig på ICE (förbränningsmotorer). Till 2030 uppskattas att elmopeder och elmotorcyklar tillsammans kommer att representera 68 procent av tvåhjulingsmarknaden. Konkret förväntas försäljningen av elmopeder uppgå till 30 miljoner inom de kommande sex åren. Elmotorcyklar går till 23 miljoner och elcyklar 40 miljoner. Dagens marknad för elektriska tvåhjulingar består huvudsakligen av elmopeder på 48 V. Tillväxten förväntas främst komma från elmotorcyklar på 100–200 V följt av elcyklar med 36 V-system. I Indien är det kraftfulla motorcyklar som representerar den största tvåhjulingsmarknaden. Tillväxten inom det området har inspirerat till en ny våg av elektriska konstruktioner där huvudkraven ligger på vikt, kompakthet och att komponenterna är hållbara.

ICS i epicentrum
LEM tror att ICS:er (integrated current sensors, strömsensorer integrerade i ett enda chip) kommer att stå i e-mobilitetsmarknadens epicentrum. Detta för att de kombinerar precision, tillförlitlighet och hög effekttäthet med ett flexibelt och kostnadseffektivt sätt att hantera den variation i spänning och ström som förekommer i sektorn. Det är en konkurrensutsatt och priskänslig sektor där ICS kan fungera som en lättillgänglig lösning för att hålla nere kostnaderna och samtidigt optimera utnyttjandet av kretskortsytan. Dessutom hjälper de till att höja säkerheten, i synnerhet genom sin roll att styra de BMS:er som idag kan ge batterier en livslängd på minst 10 år under normala driftförhållanden.

LEM har under ett antal år hållit denna strategiska nyckelmarknad under bevakning, och utvecklat en ICS-portfölj som klarar kravställningarna inom sektorn lätt mobilitet – särskilt elektriska tvåhjulingar med trefasmotorer. Portföljen är lika sofistikerad som de som används i elfordon. LEM:s utbud täcker alla delsystem som förekommer i e-mobilitetssktorn, där man typiskt använder upp till åtta sensorer per fordon.

Det finns tre huvudområden där ICS:er passar som en handske för elektriska tvåhjulingar. För det första kraftomvandlingen då laddaren omvandlar växelström från nätet till likström för litiumjonbatteriet.

Därefter finns strömmätningspunkter i laddaren – typiskt tre – som fokuserar inte bara på kraftomvandling utan också på effektivitet och styrning:

– det finns en ICS som mäter på AC-ingången för att kolla strömmen som går in i systemet.

– det finns en ICS som övervakar de krafttransistorer och switchar som omvandlar signalen från AC till DC. Den används för att synkronisera transistorerna för att säkerställa att omvandlingen sker effektivt.

– slutligen finns en ICS som mäter den DC-ström som faktiskt skickas ut ur systemet och jämför med förväntade strömmen. Eventuella skillnader är en indikation på problem vid omvandlingssteget som mikroprocessorn behöver justera för, för att ­säkerställa att önskad utgångsström.

Ur LEM:s ICS-portfölj skulle man för den här tillämpningen typiskt plocka GO-sensorer eftersom inmatningssensorn behöver vara isolerad på grund av nätspänningen. Med ett AC-nät på 200–220 V skulle en GO SME vara idealisk för en svag ström vid ingångssteget, eller en GO SMS för högre ström. GO SME skulle även vara lämplig vid utgångssteget eftersom mindre isolering krävs när man arbetar med 48 V-batterier.
För att undvika batteriskador

Nästa lämpliga tillämpning för en ICS i en elektrisk tvåhjuling finns i batteristyrsystemet (BMS:en). Där kan den skydda från batteriskador och potentiellt katastrofala fel, som brand eller explosion. Den skulle ha uppdraget att agera skydds- och säkerhetsenhet och som ensam sensor i BMS:en spana efter strömrusningar och strömspikar in och ut ur batteriet. I ett sådant läge skulle den rekommendera mikroprocessorn att öppna reläet för att hindra mer energi från att passera genom batteriet. Ofta skulle ICS:en samarbeta med en shunt som utför samma mätningar fast med annan teknik. Mikroprocessorn skulle jämföra signalerna. Denna dubbla redundans innebär att om den ena sensorn av okänd anledning skulle fallera, skulle den andra fortsätta mäta.

Det tredje tillämpning i en elektrisk tvåhjuling där en ICS är idealisk är motorstyrningen där likströmmen från batteriet omvandlas till trefasström som driver elmotorn som driver fordonet. Typiskt behövs här ett team av fyra sensorer: en vid ingångssteget och tre vid utgången. Alla kan de lödas fast automatiskt direkt på kretskortet och därmed ta upp minimalt med utrymme. Även här är mikroprocessorn involverad och har uppdraget att kontrollera att in- och utgångsnivåerna är som förväntat. Säkerheten stärks av att sensorerna vid in- och utgången samarbetar och jämför sina värden för att säkerställa att driften går som den ska. Mikroprocessorn styr transistorns grinddrivare utifrån de signaler som strömsensorerna levererar, i en mycket effektiv styrslinga som ger exakt kontroll över motorn. Det som slutanvändaren, föraren, upplever, är en mjuk acceleration hos fordonet och en maximal driftseffektivitet.

För den här tillämpningen skulle du typiskt välja en HMSR SMS-ICS ur LEM:s ICS-portfölj. Den har en stor primärledare med mycket låg elektrisk resistans och anslutningspunkter som vid behov kan hantera höga strömmar. På grund av att den har en mikromagnetisk kärna är HMSR-sensorn immun mot externa fält. Det gör den idealisk för de kraftelektroniska tillämpningar som har höga störningsnivåer.

Slutsats
En ICS i en elektrisk två- eller trehjuling erbjuder kort sagt en överlägsen prestanda i en liten billig kapsel med imponerande effekttäthet för tillämpningar inom lätt mobilitet. Sensorn kombinerar en hög nivå av isolering och noggrannhet med förmågan att kunna hantera högre strömmar, men i ett mer integrerat paket som kan hantera alla problem direkt på kretskortet.

Den globala elektrifieringen av två- och trehjuliga fordon är redo att ta fart. Genom att leverera precision, tillförlitlighet, integration och effekttäthet kommer LEM:s expanderande portfölj av integrerade strömsensorer att spela en viktig roll i att driva tillväxten i denna sektor.