Stromsensoren: Das beste aus zwei Welten

LEM

Die Automobilbranche hat in den letzten Jahren einen großen Umbruch erlebt. Nach mehr als 100 Jahren der Verbesserung und Verfeinerung herkömmlicher Benzin- und Dieselmotor-Antriebe ergänzen die Autohersteller diese herkömmliche Technologie immer häufiger mit diversen elektrischen Unterstützungsantrieben. Diese Fahrzeuge mit Hybridantrieb können die Erwartungen der Kunden in Bezug auf Leistung und Fahrverhalten erfüllen oder übertreffen, und verbrauchen trotzdem weniger Treibstoff bei zugleich verringerten Schadstoff-Emissionen. Die neuen elektrischen Systeme zur Verbesserung des Betriebsverhaltens in diesen Fahrzeugen sind Bremsenergie-Rückgewinnungssysteme, Start-Stopp-Funktionen und elektromotorische Radantriebe. Zum Schutz vor katastrophalen Fehlern benötigen all diese Systeme eine genaue Messung und Steuerung der im Fahrzeug fließenden elektrischen Ströme. Der Batteriestrom-Sensor zur Messung des Lade-/Entladezustands sowie der Alterung der Batterie ist eine zentrale Komponente diese Systeme. Für den Aufbau eines guten Batteriestrom-Sensors im Auto gibt es eine Reihe von Technologien. Manche Kfz-Hersteller wählten dafür Messwiderstände, während andere in ihren Designs den Einsatz von Halleffekt- oder Fluxgate-Sensoren bevorzugen. Wie so oft hat jede Technologie ihre Vor- und Nachteile.

Shunt-Messung

In den letzten zehn Jahren kamen vor allem bei Fahrzeugen im Premium-Segment überwiegend Stromsensoren auf der Basis von Mess- oder Shunt(-Widerständen) für die Messung von Batterieströmen zum Einsatz. Diese Fahrzeuge nutzen komplexe Elektronik für eine genaue Überwachung von Batterie-Ladekapazität und -Alterung sowie manchmal auch für bestimmte Arten elektrischer Unterstützung zur Leistungssteigerung. Ein Shunt besteht aus relativ kostspieligen Materialien wie Mangan oder Nickel-Chromlegierungen, und besitzt eine sehr geringe, genau bekannte und über einen weiten Temperatur- und Spannungsbereich charakterisierte Impedanz. Der durch den Widerstand fließende Strom lässt sich nach dem Ohmschen Gesetz aus der Messung des Spannungsabfalls über den Shunt berechnen.

Bild 1: Ermittlung der Messwandler-Genauigkeit.LEM

Der Widerstand ist Teil des Stromkreises zu beziehungsweise von der Batterie und liefert genaue, hoch aufgelöste Informationen über Spannung und Strom; eine Temperatur-Messfunktion ist dabei ebenfalls integriert. Zusätzlich ermöglicht diese Technik eine Messung der Strom-Amplituden in einem sehr weiten Bereich von einigen Milliampere bis zu mehr als 1000 A. Diese hohen Ströme treten vor allem beim Anlassen des Motors in kurzen Bursts auf.
Shunts sind bei der Messung hoher Ströme problematisch, da man sie für große Stromwerte dimensionieren muss und weil in ihnen dabei erhebliche Verlustleistung entsteht. Dank dieser Vorteile – und weil es in den letzten zehn Jahren keine Alternativen mit gleichwertigen Funktionen gab – waren Shunts trotz ihrer relativ hohen Stückkosten die Lösung der Wahl für Autohersteller im Premium-Segment.

Hall-Stromsensoren

Stromsensoren auf Halleffekt-Basis gibt es für industrielle Anwendungen bereits seit mehreren Jahrzehnten und auch in der Automobilindustrie schon seit vielen Jahren. Halleffekt-Sensoren reagieren empfindlich auf Magnetfelder. Konzentriert man die durch die im Batteriekabel fließenden Ströme erzeugten Magnetfelder auf das Hall-Element des Sensors, so gibt dieser ein Signal aus, das proportional zum fließenden Strom ist. Dieses Signal lässt sich dann auf analoger oder digitaler Ebene weiterverarbeiten, um Rauschen zu eliminieren und technologiebedingte Fehler zu kompensieren. Eine analoge Ausgangsspannung, ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal oder ein SENT-Ausgangssignal wird dann von den Batteriemanagement-Prozessoren des Fahrzeugs verarbeitet, um den Batterie-Lade- und Alterungszustand zu ermitteln.
Der Offsetfehler von Halleffekt-Sensoren ist eines der charakteristischen Merkmale, die manche Autohersteller besonders im Premium-Segment davon abgehalten haben, diese Sensoren in Batteriemanagement-Systemen einzusetzen. Elektrische und magnetische Offsetfehler vergrößern die Unsicherheit des gemessenen Signals und lassen sich nicht komplett kompensieren; sie können somit die Berechnung des Batterie-Ladezustands beeinträchtigen. Der Offsetfehler ist außerdem temperaturabhängig und schwankt oft in nennenswertem Umfang zwischen theoretisch gleichen Bauteilen.
Shunt-Sensoren weisen keine derartigen magnetischen Hysterese-Effekte auf. Noch vor wenigen Jahren waren Gesamtfehler von 3 bis 5 % nichts Ungewöhnliches bei Hallsensoren. Durch neueste technologische Verbesserungen ließ sich der Fehler in vielen Fällen auf 1 bis 2 % reduzieren. Hinter diesen Verbesserungen stehen vor allem Halleffekt-Sensoren im Chip- oder Magnetkern-Design. Im Vergleich dazu bieten Shunts eine Genauigkeit von zirka 1 %.

Bild 2: Vergleich der verschiedenen Stromsensor-Techniken bei der Ladezustands-Messung.lem

Halleffekt-Sensoren bieten gegenüber Sensoren auf Shunt-Basis einer Reihe von Vorteilen: Der wichtigste von ihnen betrifft die Faktoren Isolierung und Zuverlässigkeit. Halleffekt-Sensoren sind vom Primärstrom galvanisch getrennt, da sie um das Kabel herum angeordnet sind und zur Messung lediglich das Magnetfeld im umgebenden Raum erfassen. Die Sensoren können wesentlich höhere Strom- und Spannungsspitzen ohne eine Beschädigung überstehen.
Außerdem beschränkt sich die Platzierung der Halleffekt-Sensoren anders als bei den meisten Shunts nicht nur auf den Batterie-Anschlussbolzen; Halleffekt-Sensoren lassen sich an beliebiger Stelle entlang der Leitung oder  einer Stromschiene platzieren, deren Strom gemessen werden muss. Für Autohersteller bietet dies wichtige wirtschaftliche Vorteile, da sie ein einziges Standardbauteil für die Verwendung mit beliebigen Motor- und Batteriekonfigurationen und unterschiedlichen Kabellängen einsetzen können.
Im Allgemeinen lassen sich Halleffekt-Sensoren wesentlich kostengünstiger herstellen als gleichwertige Shunts. Shunts erfordern größere Mengen an teurem Material und elektronischen Schaltungen zur Filterung und Aufbereitung des Ausgangssignals. Halleffekt-Sensoren dagegen benötigen nur geringe Mengen an eisenhaltigem Material und eine integrierte Schaltung (ASIC). Soll ein Shunt ein galvanisch isoliertes Ausgangssignal liefern, dann verteuert sich das Produkt um einen nennenswerten Betrag. Dank ihrer überzeugenden Kostenvorteile haben sich viele Autohersteller für die Halleffekt-Technologie bei der Erfassung des Batteriestroms entschieden; der Preis dafür ist eine geringfügige Verringerung der Genauigkeit gegenüber Alternativen auf Shunt-Basis.

Fluxgate

Die Fluxgate-Technologie überbrückt die Lücke zwischen Halleffekt-Sensoren und Shunts, da sie die Vorteile eines isolierten Sensors zusammen mit vernachlässigbarem Offset bietet. Über viele Jahre war dies eine Technologie, die in teuren industriellen Komponenten zum Einsatz kam, aber mittlerweile sind Fluxgate-Stromsensoren in für den Kfz-Einsatz qualifizierten Lösungen zu vergleichbaren Kosten erhältlich wie Shunts. Ähnlich wie Halleffekt-Sensoren beruht ihr Funktionsprinzip auf den Magnetfeldern, die um ein Primärkabel herum erzeugt werden. Sie bieten allerdings ein einzigartiges Messprinzip, bei dem sich automatisch alle Signal-Offsets durch den Wechselstrom in den Wicklungen eines massiven Magnetkerns gegenseitig kompensieren. Der Messfehler bei Fluxgate-Sensoren beträgt weniger als 0,5 % mit einem globalen Offset von weniger als 10 mA bei einem Produkt mit 400 A Messbereich, was einen großen konstruktionsbedingten Vorteil für diese Technik bedeutet (Bild 1).
Wenn man beispielsweise bei der Berechnung der Ladezustands-Änderung in einem Fahrzeug Stromwerte über die Zeit integriert, dann multipiziert sich der Effekt der besseren Genauigkeit, wodurch Fluxgate-Sensoren gegenüber Halleffekt- und sogar Shunt-basierten Technologien klar im Vorteil sind (Bilder 2 und 3).

Bild 3: Ladezustands-Fehler bei einem typischen Stromprofil für ein Elektrofahrzeug.LEM

Auch diese Sensoren lassen sich an beliebiger Stelle entlang der Leitung, also in der Nähe oder weit entfernt von der Batterie, anordnen und bieten dem Autohersteller damit eine Flexibilität im Design, die Kostensenkungen ermöglicht. Fluxgate-Sensoren eignen sich bestens für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, bei denen eine genaue Strommessung entscheidend ist und bei denen hohe Strom-Amplituden und Sensorisolierung ein Problem für Shunt-basierte Alternativen sind.
Aufgrund der hohen Genauigkeiten des weiten Messbereichs bevorzugten Autohersteller im Premium-Segment früher Lösungen auf Shunt-Basis. Bisher nur für äußerst hochwertige industrielle Anwendungen vorbehalten, wurde die Fluxgate-Technologie jetzt überarbeitet und ist jetzt in Bezug auf ihre Kosten auch für Automobilelektronik-Anwendungen konkurrenzfähig. Die Technik bietet eine bessere Genauigkeit als Shunts, zugleich aber auch eine galvanische Entkopplung. Solange Kosten die höchste Priorität haben, sind Halleffekt-Sensoren die ideale Lösung. Technische Weiterentwicklungen konzentrierten sich auf ihren bisher wichtigsten Nachteil (Offsetfehler), um Genauigkeit in einem kostengünstigen Produkt bieten zu können. Die zunehmende Nachfrage nach Messungen elektrischer Ströme im Fahrzeug eröffnet diesen verschiedenen Technologien Möglichkeiten zur Weiterentwicklung. Damit können diese Messungen zu einem entscheidenden Element in der Entwicklung und Herstellung zukünftiger Automobilelektronik-Systeme werden.

(av)