Die Bordnetzspannung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor beträgt 12 V oder 24 V. In der Regel kommt hier eine Blei-Säure-Batterie zum Einsatz. Anders ist es bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen: Hier gibt es eine zweite Batterie mit einer höheren Spannung, die zwischen 48 V bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb und deutlich höheren Werten von 400 V bis 800 V bei Elektrofahrzeugen liegen kann. Die Existenz mehrerer verschiedener Spannungen verlangt nach einer Signal-Isolation, um die Niedervolt-Schaltungen vor den hohen Spannungen zu schützen.

Isolation in 48-V-Hybridfahrzeugen

Bild 1: Auch Mild-Hybridfahrzeuge benötigen eine gute Signal-Isolation, um die Low-Voltage-Elektronik vor Schäden durch das 48-V-System zu schützen.

Bild 1: Auch Mild-Hybridfahrzeuge benötigen eine gute Signal-Isolation, um die Low-Voltage-Elektronik vor Schäden durch das 48-V-System zu schützen. Adobe Stock, 122555776, Daniel Krasoń

Selbst wenn die Spannung weniger als 400 V oder 800 V beträgt, lassen sich doch mehrere Gründe anführen, weshalb die Isolation auch in Hybridfahrzeugen (Bild1) mit 48 V wichtig ist. Unter anderem geht es um die Störbeständigkeit und den Fehlerschutz.

Bild 2: Starter-Generator-System in einem Fahrzeug mit 48-V-Hybridantrieb.

Bild 2: Starter-Generator-System in einem Fahrzeug mit 48-V-Hybridantrieb. Texas Instruments

Bild 2 zeigt ein Startergenerator-System, in dem sich die aus einer H-Brücke und den zugehörigen Feldeffekttransistoren (FETs) bestehende Leistungsstufe auf der 48-V-Seite befindet. Das Schalten dieser FETs erzeugt Spannungsflanken (dv/dt), die wiederum gewisse Gleichtakt-Störgrößen auf der 48-V-Masse hervorrufen können. Fehlt es an einer Isolation, so können diese Störgrößen in das 12-V-System einkoppeln und die Signalintegrität von Schaltungen auf der Niederspannungs-Seite beeinträchtigen. Wird hingegen dafür gesorgt, dass – wie in Bild 1 gezeigt – eine Isolation zwischen beiden Seiten existiert, verbessert sich die Beständigkeit gegen Gleichtakt-Transienten und auch die Signalintegrität profitiert.

In Bild 3 befinden sich ein 48-V-Batteriesatz und ein Mikrocontroller (MCU) in einem Batteriemanagement-System (BMS) auf der Hochspannungs-Seite und die MCU kommuniziert über das CAN-Protokoll (Controller Area Network) mit dem elektronischen Steuergerät (ECU). Tritt auf der 48-V-Seite ein Fehler auf, könnten die 48 V an die 12-V-Seite gelangen.

Bild 3: Ein 48-V-Batteriemanagement-System: Das BMS steht auf der 48-V-Seite, die MCU auf der 12-V-Seite.

Bild 3: Ein 48-V-Batteriemanagement-System: Das BMS steht auf der 48-V-Seite, die MCU auf der 12-V-Seite. Texas Instruments

Die Schaltungsbauteile auf der Niederspannungs-Seite (in diesem Fall ein CAN-Transceiver) verkraften die hohe Spannung unter Umständen nicht und können somit Schaden nehmen. Ein Isolator zwischen dem CAN-Transceiver auf der Niederspannungs-Seite und der MCU auf der Hochspannungs-Seite kann die Sicherheit der Niederspannungs-Schaltungen auch für den Fall gewährleisten, dass es auf der Hochspannungs-Seite zu einem Fehler kommt.

Die für elektrische und elektronische Bauteile in Motorfahrzeugen geltende Norm 320 des Verbands der Automobilindustrie (VDA) spezifiziert eine Fehlerstrom-Prüfung (E48-20), in der die Prüfspannung über die 48-V/12-V-Barriere hinweg angelegt wird und bei der der zwischen dem 12-V- und dem 48-V-System fließende Strom kleiner als 1 µA sein muss. Mit einem Isolator lässt sich sicherstellen, dass der Strom unter diesem Grenzwert bleibt.

Bausteine für die Signal-Isolation

Ist ein Entwickler von Systemen für 48-V-Hybridfahrzeuge auf der Suche nach Isolations-Bausteinen für die Anbindung an die 48-V-Seite, stehen je nach den verwendeten Schnittstellen-Standards verschiedene Optionen für die Kommunikation zwischen der 48-V- und der 12-V-Seite zur Auswahl.

Für Designs, die eine Kommunikation per Serial Peripheral Interface (SPI), Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) oder General-Purpose Input/Output (GPIO) zwischen der 12-V- und der 48-V-Seite erfordern, können abhängig davon, wie viele Isolationskanäle notwendig sind, Digitalisolatoren wie der ISO7741-Q1 oder der ISO7721-Q1 Verwendung finden.

Setzt der Entwickler auf die I²C-Kommunikation, um mit weniger Signalleitungen auszukommen, kommen isolierte I²C-Bausteine wie der ISO1540-Q1 (bidirektionale Daten, bidirektionaler Takt) oder der ISO1541-Q1 (bidirektionale Daten, unidirektionaler Takt) in Frage.

Kommunizieren beide Seiten per CAN und ist eine Isolation erforderlich, lässt sich ein Digitalisolator wie der ISO7721-Q1 mit dem CAN-Transceiver in Reihe schalten, oder es kommt von vornherein ein integrierter isolierter CAN-Baustein wie der ISO1042-Q1 zum Einsatz, um Platz zu sparen.

Die Datenkommunikation ist jedoch nur ein Bestandteil der Lösung, denn auch die Stromversorgung benötigt eine Isolation zwischen beiden Seiten. Hierfür kommen Flyback-, Fly-Buck- oder Push-Pull-Topologien in Betracht. Für lokal begrenzte Stromversorgungen, beispielsweise für einen isolierten CAN-Transceiver, sind Transformatortreiber wie der SN6501-Q1, SN6505A-Q1 oder SN6505B-Q1 geeignet, die mit einem externen Übertrager, Gleichrichter und Low-Dropout-Regler kombinierbar sind, um eine einfache isolierte Stromversorgung wie in Bild 4 zu realisieren.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen den Bausteinen SN6501-Q1, SN6505A-Q1 und SN6505B-Q1 sind der Ausgangsstrom der einzelnen Treiber, das Vorhandensein einer Spread-Spectrum-Funktion zur Eindämmung der Störemissionen und die unterschiedlichen Schaltfrequenzen. Dank dieser Optionen haben Entwickler die Möglichkeit, jeweils den richtigen Baustein auszuwählen, der die Emissions-Normen und die Stromversorgungs-Anforderungen für ihr System erfüllt.

Die Aussagen in diesem Beitrag beziehen sich zwar auf 48-V-Systeme, aber die Isolations-Spezifikationen dieser Bausteinfamilien und die breiteren Gehäuseoptionen machen diese Familien auch für Elektrofahrzeuge mit höheren Spannungen geeignet. Da sich die isolierten Abschnitte von Subsystemen aus Hybridfahrzeugen mit geringfügigen Änderungen in Elektrofahrzeug-Designs wiederverwenden lassen, lässt sich beim Design und beim Layout wertvolle Zeit sparen.

Die passende Strommesstechnik

Bild 4: Eine einfache isolierte Stromversorgung mit geregeltem Ausgang realisiert mit dem Transformatortreiber SN6501-Q1.

Bild 4: Eine einfache isolierte Stromversorgung mit geregeltem Ausgang realisiert mit dem Transformatortreiber SN6501-Q1. Texas Instruments

Wie bereits gezeigt spielen Hochspannungssysteme mit der Elektrifizierungs-Revolution in vollem Gange eine immer größere Rolle. Das gilt nicht nur im Automobil-Sektor, sondern auch in der Industrie 4.0 mit dem Schwerpunkt Automatisierung und intelligente Überwachung. Je mehr elektrische Funktionen in heutige Systeme integriert werden, umso intensiver gestalten sich die Bestrebungen, die Abmessungen dieser Systeme zu reduzieren, besonders bei so eingeschränktem Bauraum wie im Fahrzeug. Ziel ist es dabei auch, die Funktionsdichte zu steigern, die Kosten zu senken und die Designs zu vereinfachen, gleichzeitig aber das hohe Performance-Niveau beizubehalten.

Eine Strommessung in Hochspannungssystemen muss für den Überstromschutz, für Überwachungs- und Diagnosezwecke sowie für Regelungen geschehen. Letztere verlangen oftmals nach hoher Genauigkeit, um elektrische Verbraucher im Interesse eines größtmöglichen Wirkungsgrads mit hoher Genauigkeit zu überwachen und zu regeln. Unter anderem erfordern Leistungsfaktor-Korrekturschaltungen die präzise Messung von Wechselströmen, um einerseits die Effizienz des jeweiligen Systems zu verbessern und andererseits den Energieverbrauch zu überwachen. Hochspannungs-Motoren wiederum machen eine präzise In-line-Messung des Motorstroms erforderlich, damit das Drehmoment des Motors exakt regelbar ist. Während sich viele Anforderungen nach den individuellen Eigenschaften des einzelnen Systems richten, befasst sich der Beitrag im Folgenden mit der Frage, wie der Entwickler die richtige Strommesstechnik für eine Hochspannungs-Anwendung findet.

Optionen für Stromsensoren

Zum Messen von Strömen in Hochspannungs-Anwendungen bieten sich in erster Linie drei Optionen an: isolierte, shuntbasierte Stromsensoren, Halleffekt-Kompensationsstromwandler und In-Package-Halleffekt-Stromsensoren.

Tabelle 1: Übersicht der drei gängigsten Optionen für die Strommessung in Hochspannungs-Systemen.

Tabelle 1: Übersicht der drei gängigsten Optionen für die Strommessung in Hochspannungs-Systemen. Texas Instruments

Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist, bieten der isolierte, shuntbasierte Stromsensor und der Halleffekt-Kompensationsstromwandler den höchsten Grad an Genauigkeit und Isolation, allerdings sind sie auch teurer als ein In-Package-Halleffekt-Stromsensor und benötigen überdies mehr Platz. Wenn es dem Designer also in erster Linie um möglichst hohe Genauigkeit geht, dürften diese beiden Lösungen die richtige Wahl sein.

Kommt es im Design dagegen auf den Platzbedarf und die Kosten an, sind In-Package-Halleffekt-Stromsensoren möglicherweise die beste Option. Wie in Tabelle 1 erläutert, ermöglichen sie isolierte Messungen an hohen Spannungen in einem einfachen und kleinen Format, das keine externen Bauteile erfordert. In der Vergangenheit waren diese Bauelemente jedoch durch eine Zeit- und Temperaturdrift gekennzeichnet, die ihre Genauigkeit einschränkt.

Driftfreier Halleffekt-Stromsensor

Dieses Problem hat Texas Instruments mit dem driftfreien Halleffekt-Stromsensor TMCS1100 gelöst, der als erster In-Package-Halleffekt-Stromsensor frei von diesem Nachteil ist. Mit seiner Zero-Drift-Architektur, seiner Echtzeit-Empfindlichkeitskompensation und seiner 3-kV-Isolation liefert er in Hochspannungs-Systemen gleichbleibend präzise Messungen über Zeit und Temperatur.

Der TMCS1100 ermöglicht Strommessungen mit einem Gesamtfehler von weniger als 1 Prozent, während seine driftfreie Präzisions-Signalketten-Architektur die Temperaturdrift verbessert und eine Mehrpunkt-Kalibrierung überflüssig macht. Die hohe Genauigkeit ermöglicht ferner eine präzisere Regelung zur Steigerung des Systemwirkungsgrads, während gleichzeitig die Komplexität von Anwendungen minimiert wird, die nach einer hochpräzisen isolierten Strommessung verlangen. Darüber hinaus bietet der Sensor eine Basisisolation mit einer Arbeitsspannung von 600 V und eine dielektrische Isolation von 3 kV zwischen Strompfad und Schaltungen.