Designherausforderungen bei präziser DC-Energiemessung meistern

Dank der Entwicklung effizienter Leistungsumwandlungstechnologie basierend auf Wide-Bandgap-Halbleitern wird präzise DC-Energiemessung relevant, besonders dort, wo Energieabrechnung involviert ist. Dieser Artikel diskutiert DC-Messherausforderungen und bietet einen Vorschlag für ein DC-Energiemessgerät-Design.

Frühe Netzentwickler arbeiteten mit Wechselstrom (AC), um die Welt mit Strom zu versorgen, weil es einfacher zu nutzen war. In vielen Bereichen kann jedoch Gleichstrom (DC) die Effizienz dramatisch verbessern, und viele Anwendungen sehen jetzt Vorteile im Wechsel zu DC-Energieaustausch dank der Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Leistungsumwandlungstechnologie basierend auf Wide-Bandgap-Halbleitern. Als Folge davon wird präzise DC-Energiemessung relevant, besonders dort, wo Energieabrechnung involviert ist.

Im ersten Artikel dieser zweiteiligen Serie diskutierten wir Chancen für DC-Messung in E-Ladestationen, erneuerbarer Energieerzeugung, Serverfarmen, Microgrids und Peer-to-Peer-Energietausch. Dieser Artikel diskutiert Herausforderungen der DC-Messung und bietet einen Vorschlag für ein DC-Energiemessgerät-Design.

In den frühen 1900er Jahren waren traditionelle AC-Energiemesser vollständig elektromechanisch. Die Kombination einer Spannungs- und einer Stromspule wurde genutzt, um Wirbelströme in einer rotierenden Aluminiumscheibe zu induzieren. Das resultierende Drehmoment auf der Scheibe war proportional zum Produkt des magnetischen Flusses, der von der Spannungs- und Stromspule erzeugt wurde. Schließlich machte die Hinzufügung eines Bremsmagneten für die Scheibe die Drehgeschwindigkeit direkt proportional zur vom Last verbrauchten Wirkleistung. An diesem Punkt ist das Messen der verbrauchten Energie einfach eine Frage des Zählens der Umdrehungen über einen Zeitraum.

Moderne AC-Messer sind signifikant komplexer, genauer und gegen Manipulation geschützt. Jetzt kann ein state-of-the-art Smart Meter sogar seine absolute Genauigkeit überwachen und 24/7 Anzeichen von Manipulation erkennen, während es im Feld installiert ist. Dies ist der Fall für den Analog Devices ADE9153B Metering IC, aktiviert mit mSure^® Technologie. Energiemesser – ob modern, traditionell, AC oder DC – werden alle nach ihrem Impulse-pro-kWh-Konstanten und Prozentklassen-Genauigkeit klassifiziert. Die Anzahl der Impulse pro kWh bezeichnet die Energie-Update-Rate, oder Auflösung. Die Klassen-Genauigkeit zertifiziert den maximalen Messfehler der Energie.

Ähnlich wie beim alten mechanischen Zähler wird die Energie in einem gegebenen Zeitintervall durch Zählen dieser Impulse berechnet; je höher die Pulsfrequenz, desto höher die momentane Leistung, und umgekehrt.

DC-Meter-Architektur

Die grundlegende Architektur eines DC-Meters ist in Abbildung 1 dargestellt. Um die von der Last verbrauchte Leistung (P = V × I) zu messen, sind mindestens ein Stromsensor und ein Spannungssensor erforderlich.

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Abbildung 1. DC-Energiemessgerät-Systemarchitektur. (Quelle: Analog Devices)

Wenn die Niederspannungsseite auf Erdpotenzial liegt, wird der durch das Messgerät fließende Strom üblicherweise auf der Hochspannungsseite gemessen, um das Risiko ungemessener Leckströme zu minimieren, aber Strom kann auch auf der Niederspannungsseite oder beiden Seiten gemessen werden, falls vom Design-Architektur gefordert. Die Technik, Ströme auf beiden Seiten der Last zu messen und zu vergleichen, wird oft genutzt, um das Messgerät mit Fehler- und Manipulationserkennungsfähigkeit auszustatten. Wenn jedoch Strom auf beiden Seiten gemessen wird, muss mindestens ein Stromsensor isoliert sein, um mit dem hohen Potenzial über den Leitern umzugehen.

Spannungsmessung

Spannung wird typischerweise mit einem resistiven Potentialteiler gemessen, wo eine Leiterwiderstandskette genutzt wird, um das Potential proportional auf ein mit dem System-ADC-Eingang kompatibles Niveau zu reduzieren.

Wegen der großen Amplitude des Eingangssignals kann eine genaue Spannungsmessung leicht mit Standardkomponenten erreicht werden. Allerdings muss auf Temperaturkoeffizienten und Spannungskoeffizienten der gewählten Komponente geachtet werden, um die geforderte Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich zu garantieren.

Wie im vorherigen Artikel diskutiert, werden DC-Energiemesser für Anwendungen wie EV-Ladestationen manchmal gefordert, ausschließlich für die an das Fahrzeug übertragene Energie abzurechnen. Um die Messanforderung zu erfüllen, können DC-Energiemesser für EV-Lader mehrere Spannungskanäle benötigen, um die Spannung auch am Eintrittspunkt des Fahrzeugs zu erfassen (4-Draht-Messung). DC-Energiemessung in 4-Draht-Konfiguration stellt sicher, dass alle ohmschen Verluste des Ladesäulen und Kabels vom Gesamtenergieabrechnungsbetrag abgezogen werden.

Strommessung für DC-Energiemessung

Elektrischer Strom kann entweder durch direkten Anschluss oder indirekt durch Erfassen des magnetischen Feldes, das durch den Fluss der Ladungsträger erzeugt wird, gemessen werden. Der nächste Abschnitt diskutiert die populärsten Sensoren für DC-Strommessung.

Shunt-Widerstand

Direkter Anschluss Strommessung ist eine bewährte Methode zur Messung von AC- und DC-Strom. Der Stromfluss wird durch einen Shunt-Widerstand bekannten Werts geleitet. Der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand ist direkt proportional zum fließenden Strom, wie durch das bekannte Ohmsche Gesetz (V = R × I) beschrieben, und kann verstärkt und digitalisiert werden, was eine genaue Repräsentation des im Stromkreis fließenden Stroms liefert.

Shunt-Widerstand-Messung ist eine günstige, genaue und leistungsstarke Methode zur Strommessung von mA bis kA, mit theoretisch unbegrenzter Bandbreite. Allerdings leidet die Methode unter einigen Nachteilen.

Wenn Strom durch einen Widerstand fließt, wird Joule-Wärme proportional zum Quadrat des Stroms erzeugt. Dies verursacht nicht nur Verluste in Bezug auf Effizienz, sondern die Selbsterwärmung ändert den Shunt-Widerstandswert selbst mit konsequenter Genauigkeitsdegradation. Um den Selbsterwärmungseffekt zu begrenzen, wird ein niedriger Widerstandswert verwendet. Wenn jedoch ein kleiner Widerstand verwendet wird, ist die Spannung über dem Messelement ebenfalls klein und manchmal vergleichbar mit dem DC-Offset des Systems. Unter diesen Bedingungen kann das Erreichen der geforderten Genauigkeit am unteren Ende des Dynamikbereichs keine triviale Aufgabe sein. State-of-the-Art Analog-Front-Ends mit ultra-niedrigem DC-Offset und ultra-niedrigem Temperaturdrift können verwendet werden, um die Limitationen kleiner Shunt-Widerstände zu überwinden. Da Operationsverstärker ein konstantes Gain-Bandwidth-Produkt haben, wird ein hoher Gain die verfügbare Bandbreite limitieren.

Niedrigwertige Strommess-Shunts bestehen meist aus speziellen Metalllegierungen wie Mangan-Kupfer oder Nickel-Chrom, die die gegensätzlichen Temperaturdrifts ihrer Bestandteile kompensieren, um einen Gesamtdrift im Bereich von Zehner ppm/°C zu erzielen.

Ein weiterer Fehlerbeitrag bei direkter DC-Messung kann das Phänomen der thermischen elektromotorischen Kraft (EMF), auch Seebeck-Effekt genannt, sein. Der Seebeck-Effekt ist ein Phänomen, bei dem ein Temperaturunterschied zwischen mindestens zwei ungleichen elektrischen Leitern oder Halbleitern, die eine Verbindung bilden, eine Potentialdifferenz zwischen den beiden erzeugt. Der Seebeck-Effekt ist ein bekanntes Phänomen und wird weit verbreitet für Temperatursensoren in Thermoelementen genutzt.

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Abbildung 2. Thermische EMF in Shunts durch Temperaturgradient. (Quelle: Analog Devices)

Im Fall von 4-Draht-angeschlossenen Strom-Shunts bildet sich die Joule-Wärme im Zentrum des resistiven Legierungselements aus und breitet sich aus, während die Kupfer-Sense-Leitungen, die möglicherweise an eine PCB (oder ein anderes Medium) angeschlossen sind und eine andere Temperatur haben können.

Der Messkreis wird eine symmetrische Verteilung verschiedener Materialien bilden; daher werden die Potenziale an den Verbindungen an den negativen und positiven Sense-Leitungen ungefähr kompensieren. Jedoch kann jeder Unterschied in thermischer Kapazität, wie ein negativer Sense-Draht, der mit einer größeren Kupfermasse (Ground Plane) verbunden ist, ein Missmatch in der Temperaturverteilung erzeugen, was zu einem Messfehler durch thermischen EMF-Effekt führt.

Aus diesem Grund muss auf den Anschluss des Shunts und die Verteilung der erzeugten Wärme geachtet werden.

Magnetfeld-Sensing – Indirekte Strommessung

Open-Loop Hall-Effekt

Der Sensor besteht aus einem hochmagnetisch-permeablen Ring, durch den der zu messende Stromleiter geführt wird. Dies konzentriert die magnetischen Feldlinien um den gemessenen Leiter auf einen Hall-Effekt-Sensor, der im Querschnittsbereich des magnetischen Kerns eingesetzt ist. Der Output dieses Sensors wird vorkonditioniert und üblicherweise in verschiedenen Varianten verfügbar. Die gängigsten sind: 0 V bis 5 V, 4 mA bis 20 mA, oder digitales Interface. Während Isolation und hoher Strombereich für relativ niedrige Kosten bereitgestellt werden, liegen absolute Genauigkeiten typischerweise nicht unter 1%.

Closed-Loop Hall-Effekt

Eine mehrwindige Sekundärwicklung auf dem permeablen Kern, getrieben von einem Stromverstärker, liefert negative Rückkopplung, um eine Null-Gesamtfluss-Bedingung zu erreichen. Durch Messen des Kompensationsstroms wird Linearität verbessert und es gibt keine Kern-Hysterese mit insgesamt überlegenem Temperaturdrift und höherer Genauigkeit im Vergleich zur Open-Loop-Lösung. Typische Fehlerbereiche reichen bis 0,5%, aber die zusätzliche Kompensationsschaltung macht den Sensor teurer und manchmal bandbreitenbegrenzt.

Fluxgate

Ist ein komplexes Open- oder Closed-Loop-System, bei dem der Strom durch Überwachen der magnetischen Flussvariationen eines absichtlich gesättigten Kerns gemessen wird. Eine Spule ist um einen hochpermeablen ferromagnetischen Kern gewickelt, der absichtlich durch eine Sekundärspule, getrieben von einer symmetrischen Rechteckspannung, gesättigt wird.

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Abbildung 3. Ein Open-Loop Stromwandler basierend auf Flusskonzentrator und magnetischem Sensor. (Quelle: Analog Devices)

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Abbildung 4. Ein Beispiel für das Funktionsprinzip Closed-Loop Stromwandler. (Quelle: Analog Devices)

Die Induktivität der Spule kollabiert jedes Mal, wenn der Kern positiver oder negativer Sättigung naht, und die Änderungsrate seines Stroms erhöht sich. Der Stromwaveform der Spule bleibt symmetrisch, es sei denn, ein externes magnetisches Feld wird zusätzlich angelegt, in welchem Fall der Waveform asymmetrisch wird. Durch Messen der Größe dieser Asymmetrie kann die Intensität des externen magnetischen Feldes und folglich der Strom, der es erzeugt hat, geschätzt werden. Es bietet gute Temperaturstabilität und Genauigkeit bis 0,1%. Allerdings macht die komplexe Elektronik des Sensors es zu einer teuren Lösung mit Preisen 10-mal höher als andere isolierte Lösungen.

DC-Energiemessung: Anforderungen und Standardisierung

Während die Standardisierung von DC-Energiemessung im Vergleich zum bestehenden AC-Messstandard-Ökosystem nicht allzu schwierig erscheinen mag, debattieren Industrie-Stakeholder noch über Anforderungen für verschiedene Anwendungen und bitten um mehr Zeit, um die genauen Details der DC-Messung auszuarbeiten.

IEC arbeitet an IEC 62053-41, um Anforderungen spezifisch für DC-Static-Meter für Wirkenergie mit Genauigkeitsklassen 0,5% und 1% zu definieren.

Der Standard schlägt einen Bereich nomineller Spannungen und Ströme vor und setzt Limits für den maximalen Stromverbrauch der Spannungs- und Stromkanäle des Messgeräts. Zudem, wie bei AC-Messanforderung, ist spezifische Genauigkeit über den Dynamikbereich definiert, sowie der Stromschwellenwert für No-Load-Bedingung.

Im Entwurf gibt es keine spezifische Anforderung für die Bandbreite des Systems, aber ein Fast-Load-Variation-Test ist erforderlich, erfolgreich bestanden zu werden, was eine implizite Anforderung an die Mindestbandbreite des Systems definiert.

DC-Messung in EV-Ladeanwendungen ist manchmal konform mit dem deutschen Standard VDE-AR-E 2418 oder altem Bahnstandard EN 50463-2. Laut EN 50463-2 werden Genauigkeiten pro Wandler spezifiziert, und der kombinierte Energiefehler ist dann eine quadratische Summe aus Spannungs-, Strom- und Berechnungsfehler:

Tabelle 1. Maximaler prozentualer Stromfehler gemäß EN 50463-2

Strombereich Klasse 0,2R Klasse 0,5R Klasse 1R 1% bis 5% I_N 1% 2,5% 5% 5% bis 10% I_N 0,4% 1% 1,5% 10% bis 120% I_N 0,2% 0,5% 1%

Tabelle 2. Maximaler prozentualer Spannungsfehler gemäß EN 50463-2

Spannungsbereich Klasse 0,2R Klasse 0,5R Klasse 1R <66% V_N 0,4% 1% 2% 66% bis 130% V_N 0,2% 0,5% 1%

Ein Standard-konformer DC-Meter Proof-of-Concept

Analog Devices ist Branchenführer in präziser Sensortechnologie und bietet eine komplette Signalchain für präzise Strom- und Spannungsmessungen, um die restriktiven Standardanforderungen zu erfüllen. Der nächste Abschnitt zeigt einen Proof-of-Concept für ein DC-Energiemessgerät, konform mit dem kommenden anwendungsspezifischen Standard IEC 62053-41.

Betrachtet man den Raum von Abrechnungsqualität DC-Energiemessung in Microgrids und Rechenzentren, können wir die in Tabelle 3 gezeigten Anforderungen hypothese.

Tabelle 3. DC-Energiemessgerät Spezifikationen – Proof of Concept

Rating

Nennwert Dynamik
Bereich Messung
(Max Range) Spannung ±400 V_DC 100:1 ±600 V Strom ±80 A 100:1 ±240 A Genauigkeit 1% bis 5% I_NOM 1% 5% bis 120% I_NOM 0,5% Temperatur –25°C bis +55°C –40°C bis +70°C Lagerung Meterkonstante 1000 Imp/kWh Spannungs- und Strombandbreite 2,5 kHz

Günstige und genaue Strommessung kann durch Verwendung eines kleinen Werts und niedrigem EMF Shunt (<1 μV_EMF/°C) erreicht werden. Den Shunt-Widerstand klein zu halten, ist fundamental, um Selbsterwärmungseffekt zu reduzieren und die Leistung unter den vom Standard geforderten Limits zu halten.

Ein kommerzieller 75 μΩ Shunt hält die dissipierte Leistung unter 0,5 W.

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Abbildung 5. DC-Meter-Systemarchitektur. (Quelle: Analog Devices)

Jedoch wird 1% des 80 A Nennstroms ein kleines Signal von 60 μV auf einem 75 μΩ Shunt erzeugen, was eine Signalchain im Bereich von Sub-Mikrovolt Offset-Drift-Performance erfordert.

Der ADA4528, mit max Offset-Spannung von 2,5 μV und max Offset-Spannungsdrift von 0,015 μV/°C, ist gut geeignet, um ultra-niedrigen Drift, 100 V/V Verstärkung für das kleine Shunt-Signal bereitzustellen. Daher kann der simultan samplende 24-Bit ADC AD7779 direkt an die Verstärkungsstufe angeschlossen werden, mit 5 nV/°C eingangsbezogener Offset-Drift-Beitrag.

Hohe DC-Spannung kann genau mit einem resistiven Potentialteiler von 1000:1 Ratio direkt an den AD7779 ADC-Eingang angeschlossen werden.

Schließlich implementiert ein Mikrocontroller eine einfache Sample-by-Sample, interrupt-getriebene Metrologie-Funktionalität, wo für jedes ADC-Sample die Interrupt-Routine:

• Spannungs- und Strom-Samples liest
• Momentane Leistung berechnet (P = I × V)
• Momentane Leistung in einem Energie-Akkumulator aufsummiert
• Prüft, ob der Energie-Akkumulator die Energie-Schwelle überschreitet, um einen Energie-Impuls zu generieren und den Energie-Akkumulationsregister zu löschen

Zusätzlich zur Metrologie-Funktionalität ermöglicht der Mikrocontroller System-Level-Interfaces wie RS-485, LCD-Display und Push-Buttons.

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Abbildung 6. Proof of Concept – Prototyp. (Quelle: Analog Devices)

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Luca Martini erhielt einen M.Eng. in Elektronik- und Telekommunikationsengineering für Energie von der Universität Bologna, Italien, 2016. Als Teil seines M.Eng. verbrachte er sieben Monate am Fraunhofer IIS, Nürnberg, Deutschland, an der Entwicklung eines präzisen Echtzeit-Regelsystems für die Charakterisierung piezoelektrischer Energieernter. Von 2006 bis 2016 arbeitete Luca als System- und Hardware-Entwickler im biomedizinischen Sektor. 2016 trat Luca der Energy and Industrial System Group bei Analog Devices in Edinburgh, UK, bei. Er ist erreichbar unter luca.martini@analog.com.

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