Kontaktlose Strommessung in E-Fahrzeugen: Praktische Designlösungen

Die Automobilindustrie geht über das kleine Elektro-Pendlerauto hinaus und bietet nun eine Vielzahl von Modellen an, um ein wachsendes Spektrum an Bedürfnissen zu erfüllen – vom Familienverkehr bis hin zu Sport und Freizeit. Diese Fahrzeuge sind in der Regel größer und damit schwerer als frühere E-Modelle. Sie erfordern größere Elektromotoren, die wiederum mehr Leistung verbrauchen. Ob vollelektrisch, Plug-in-Hybrid oder Mildhybrid – die beteiligten Spannungs- und Stromstärken sind beträchtlich. In den meisten Fällen müssen die Batterien viele hundert Volt liefern, um das Fahrerlebnis zu erreichen, das notwendig ist, um Elektrofahrzeuge auf die nächste Leistungsstufe zu heben. Daher wird die genaue Überwachung des Stromflusses zum Motor zu einer kritisch wichtigen Funktion für Automobilhersteller.

Die Herausforderung präziser Strommessungen in EV-Umgebungen

Der Wandel vom Verbrennungsmotor zum elektrischen Antrieb stellt Ingenieure verschiedener Disziplinen vor viele neue Herausforderungen. Für Systemingenieure besteht die Herausforderung darin, das Leistungs-Gewichts-Verhältnis auszubalancieren, während Elektro- und Elektroningenieure sich auf Energiemanagement konzentrieren müssen. Mehr Leistung bedeutet schnellere und reaktionsschnellere Fahrzeuge – aber zu viel Leistung zu schnell zu nutzen, führt zu rasch erschöpften Energiequellen und reduzierter Reichweite. Es ist daher entscheidend, dass jeder Teil des Designs optimiert wird.

Der Schlüssel zum Energiemanagement ist präzise Messung – der Stromsensor ist das EV-Äquivalent zum Kraftstoffdurchflusssensor in einem konventionellen Fahrzeug. Strommessung lässt sich leicht mittels Shunt, also eines Niederohm-Widerstands, realisieren. Je höher der Strom, desto größer der Shunt, sodass die Messung von Strömen der für leistungsstarke Elektromotoren erforderlichen Größenordnung physisch große Shunts erfordern würde, die schwer und teuer sind.

Kontaktlose Strommessung bietet eine attraktive Alternative zum Shunt-Widerstand. Basierend auf dem magnetowiderständigen oder Hall-Effekt nutzt sie die elektromagnetischen Felder, die entstehen, wenn Strom durch einen Leiter fließt. Aufgrund ihrer geringeren Größe, nicht-intrusiven Natur und inhärenten galvanischen Isolation wird kontaktlose Strommessung schnell zum bevorzugten Messansatz für Elektrofahrzeughersteller.

Kontaktlose Sensortypen für Automobilanwendungen

Die Größe des Magnetfelds um den Leiter ist proportional zum fließenden Strom, doch selbst bei großen Strömen ist die Feldstärke noch relativ gering. Obwohl Hall-Sensorelemente sehr empfindlich sein können, macht diese Empfindlichkeit sie auch anfällig für das Auslesen von Streu- oder Hintergrund-Elektromagnetfeldern. Glücklicherweise kann diese Verzerrung durch Abschirmung oder Kompensationstechniken reduziert werden.

Die Kompensation aller Formen streuender EMI würde jedoch ein tiefes Verständnis aller verschiedenen Störquellen erfordern, was herausfordernd wäre. Der einfachste und wohl robusteste Ansatz besteht darin, einen kontaktlosen Stromsensor zu wählen, der eine gewisse inhärente Immunität gegen Streufelder bietet.

Im Allgemeinen gibt es drei Ansätze zur kontaktlosen Strommessung, wie in Abbildung 1 dargestellt. Dazu gehören der kernbasierte Sensor, der U-förmige Sensor und der symmetrisch abgeschirmte „Sandwich“-Sensor. Ein Vergleich aller drei ist aufgrund der Vielzahl von Variablen, die durch einzigartige Anwendungen entstehen, schwierig, aber es ist nützlich, die Leistung anhand eines typischen Szenarios zu bewerten. In diesem Fall wurden die Sensoren mit einer 20 mm breiten und 2,5 mm dicken Sammelschiene mit rechteckigem Querschnitt bewertet, die 1000 A führt.

Kernbasierte kontaktlose Stromsensoren

Bei einem kernbasierten Sensor wird ein Flusskonzentrator um das Material positioniert, das den zu messenden Strom führt. Die kreisförmige Form des Konzentrators wird durch einen kleinen Luftspalt unterbrochen, in den der magnetische Feldsensor eingesetzt wird. Der Kern hilft, den durch den Strom in der Sammelschiene induzierten Fluss auf den Sensor zu fokussieren.

Die Empfindlichkeit des Sensors für den durch den Stromfluss erzeugten Fluss hängt von mehreren Faktoren ab. Der erste ist die Größe des Luftspalts, da ein kleinerer Luftspalt einen höheren Fluss zum Sensor lässt. Es folgt, dass ein kleinerer Sensor einen kleineren Luftspalt ermöglicht. Wie in Abbildung 2 gezeigt, ergibt sich in diesem Experiment bei einem Strom von 1000 A eine Flussdichte von 200 mT am Sensor. Zum Vergleich: Ohne Kern würde derselbe Sensor nur eine Flussdichte von 20 mT registrieren. Für diese Konfiguration geeignete Sensoren sind beispielsweise der HAL 24xy von TDK.

Um die Immunität dieser Konfiguration gegen Streufelder zu messen, wurde eine Simulation unter Annahme eines externen Feldes mit einer Flussdichte von 5 mT durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 zu sehen und zeigen, wie das Magnetfeld durch die Form des Kerns geleitet wird, um durch den Sensor zu fließen. Bei vorhandenem externem Feld wird die Fähigkeit des Sensors, das vom Stromfluss erzeugte Feld genau zu detektieren, um den Faktor 40 reduziert. Das Fazit: Der kernbasierte Sensor bietet einen guten Schutz vor anderen EMI-Quellen, und mit angemessener Signalaufbereitung können dessen Effekte weiter gemildert werden. In diesem Fall wäre ein Offset-Fehler von nur 0,06 % des Vollskalenwerts vernünftig zu erwarten.

Der kernbasierte Ansatz hat jedoch den Nachteil, dass er relativ schwierig zu montieren ist, da die Sammelschiene durch den Kern geführt werden muss, während der Sensor im Luftspalt positioniert werden muss. Zudem muss der Kern, um Sättigung durch große Ströme zu vermeiden, physisch groß sein. Außerdem kann die Menge an magnetisch empfindlichem Material im Kern selbst dazu führen, dass dieser zur Quelle hysteretischer Fehler und Störungen wird.

Der U-förmige Stromsensor behebt viele dieser Nachteile.

Der U-förmig abgeschirmte Stromsensor

Wie der Name andeutet, verfügt der U-förmige Sensor über einen größeren Luftspalt, bietet aber dennoch einen gewissen Schutz vor streuender EMI. Der Sensor profitiert von Abschirmung auf drei Seiten durch den Einsatz von Weichmagnetmaterial. Die Form des Konzentrators erleichtert die Montage im Vergleich zur kernbasierten Konfiguration, da der Sensor selbst über der Sammelschiene positioniert und auf einer kleinen Leiterplatte montiert werden kann.

Dieser Typ abgeschirmter Sensor wird eine geringere Empfindlichkeit als der kernbasierte Ansatz haben, was einer der Trade-offs ist, die Ingenieure bei der Auswahl des passenden Designs für ihre Anwendung berücksichtigen müssen. Wie in Abbildung 3 gezeigt, detektiert der Sensor bei 1000 A durch die Sammelschiene eine magnetische Flussdichte von 50 mT, was einem Gewinn von 2 entspricht.

Der niedrige Gewinn hat jedoch seine Vorteile. Er bedeutet, dass fast jeder Sensor verwendet werden kann, wie der HAL 24xy oder der CUR 423x Closed-Loop-Sensor basierend auf Tunnel-Magnetowiderstand (TMR) von TDK. Auch weil die Magnetfeldkonzentration geringer ist, kann die Dicke des Abschirmmaterials für Platz, Gewicht und Kosten optimiert werden.

Wie Abbildung 3 zeigt, wird das Feld erneut um die Abschirmung herumgeleitet; in dieser Konfiguration beträgt der durch das Streufeld verursachte Offset-Fehler 0,55 % des Vollskalenwerts. Durch Anpassung der Form der Abschirmung und des Raums um den Sensor kann dieser Offset-Fehler verbessert werden.

Die kernbasierte Lösung ist in Bezug auf die Anfälligkeit symmetrisch, während die U-förmige Konfiguration asymmetrisch ist. Das bedeutet, der U-Shape ist anfälliger für vertikal orientierte Felder als für horizontale. Dies ist ein weiterer Faktor, der bei Auswahl und Positionierung eines kontaktlosen Stromsensors berücksichtigt werden muss. Zu seinen Gunsten hat diese Konfiguration jedoch geringere hysteretische Fehler als der kernbasierte Sensor, da weniger magnetisches Material vorhanden ist. Umgekehrt werden Größe und Form des Sensors immer noch weitgehend vom benötigten Abschirmniveau bestimmt.

Der symmetrisch abgeschirmte Sensor bietet eine weitere Option mit Vorteilen sowohl in Größe als auch Abschirmfähigkeit.

Stromsensoren mit symmetrischer Abschirmung

Für Anwendungen, die ein höheres Abschirmniveau auf Kosten der Empfindlichkeit erfordern, kann die symmetrisch abgeschirmte – Sandwich – Konfiguration am geeignetsten sein. In diesem Ansatz wird der Sensor zentral über der Sammelschiene positioniert, wie beim U-förmigen Ansatz. In dieser Konfiguration wird der Sensor jedoch mit zwei Stücken Weichmagnetmaterial abgeschirmt: Ein Stück sitzt über dem Sensor, das zweite wird unter der Sammelschiene platziert. Auf diese Weise werden sowohl die von der Sammelschiene erzeugten Felder als auch jegliche streuende EMI über die Messerebene des Sensors geleitet.

Dies ergibt einen Gewinn von 0,3, wie in den Simulationsergebnissen in Abbildung 4 gezeigt, was bedeutet, dass der Sensor bei demselben Strom von 1000 A nur 7,8 mT misst. Dies entspricht einer Dämpfung von 70 %. Daher können nur Sensoren mit hoher Empfindlichkeit, wie TDKs CUR 423x TMR-Sensor, verwendet werden.

Der Hauptvorteil dieser Konfiguration ist das im Vergleich zu kernbasierten und U-förmigen Konfigurationen relativ hohe Abschirmniveau. Auch wenn das Signal gedämpft und mit der streuenden EMI kombiniert wird, beträgt der resultierende Offset-Fehler nur 0,51 % FS, was mit dem U-förmigen Ansatz vergleichbar ist, aber ohne dessen Nachteile.

Der größte Vorteil der symmetrischen Abschirmkonfiguration ist, dass der hysteretische Fehler vollständig kompensiert werden kann. Dies liegt daran, dass die Felder in den beiden verwendeten Weichmagnetmaterialien entgegengesetzte Feldorientierungen haben. Durch sorgfältiges Design können die beiden Schilde jeden residualen Magnetfeld, der durch die Stromflüsse erzeugt wird, effektiv aufheben.

Ein weiterer großer Vorteil dieses Ansatzes ist seine Größe. Die Größe der kompletten Sensorimplementierung wird nicht mehr durch die Größe des Flusskonzentrators oder der Abschirmung diktiert. Das bedeutet, der symmetrisch abgeschirmte Ansatz kann für Größe, Gewicht und Kosten optimiert werden, unabhängig von der Größe der Sammelschiene oder dem gemessenen Strom.

Fazit

Obwohl alle drei hier vorgestellten Lösungen ihre relativen Vorteile haben, wird die Anwendung letztendlich die Wahl beeinflussen. Wenn hohe Immunitätsniveaus benötigt werden, ist das kernbasierte Design kaum zu übertreffen. Wenn niedrige hysteretische Fehler und kleine Größe die treibenden Faktoren sind, wird wahrscheinlich die symmetrisch abgeschirmte Sensorkonfiguration bevorzugt. Die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse bieten einen guten Überblick über die Diskussion.

Die Nachfrage nach robusten, kosteneffektiven und zuverlässigen kontaktlosen Strommessungen in Elektrofahrzeugen steigt. Da immer mehr Hersteller ihre Produktangebote in diesem Bereich erweitern, können Verbraucher die Vorteile voll- oder teil-elektrischer Antriebe genießen.

Dieser Artikel wurde von Lukas Klar, Application Engineer, TDK Micronas (Freiburg im Breisgau, Deutschland), verfasst. Für weitere Informationen kontaktieren Sie Herrn Klar unter lukas.klar@tdk.com oder besuchen Sie hier.