Auswahl der richtigen Stromsensoren für die Motorsteuerung

Die Zahl batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (BEV) auf den Straßen steigt rasant, insbesondere da ihre Anschaffungskosten immer erschwinglicher werden und ihre Reichweite deutlich zunimmt.

Die BEV-Hersteller verbessern ihre Fahrzeuge kontinuierlich und fördern so deren weitere Verbreitung. Dennoch gibt es Herausforderungen, denen sich die Entwickler weiterhin stellen müssen, um vor allem die Reichweite zu optimieren. Dazu gehören unter anderem die Reduzierung von Größe, Gewicht und Kosten der BEV-Systeme und -Komponenten bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit. Hier leisten Komponenten wie Stromsensoren einen wichtigen Beitrag. Sie sind in den Batteriemanagementsystemen (BMS) und Bordladegeräten (OBC; On-Board-Charger) von BEV zu finden, wo sie die in diese Systeme ein- und ausfließenden Ströme überwachen und messen. Auch Leckströme werden aus Sicherheitsgründen erkannt und gemessen, um die Gefahr von Stromschlägen oder Bränden zu verhindern.

Stromsensoren in der BEV-Motorsteuerung

In der Motorsteuerung (Bild 1) überwachen und messen Stromsensoren den Stromfluss durch den Antriebsmotor und gewährleisten so dessen ordnungsgemäßen und sicheren Betrieb. Stromsensoren kommen in drei wichtigen Stufen zum Einsatz: im DC-Zwischenkreis, bei der Phasenmessung und der Rotoranregung. 

Ein DC-Link/-Zwischenkreis ist praktisch die Verbindung zwischen dem Gleichrichter (der AC in den für den Batteriebetrieb erforderlichen DC umwandelt) und dem Wechselrichter (der DC in AC für den Motorantrieb umwandelt). Der DC-Link besteht aus Kondensatoren. 

Um die Gleichspannung des Akkus jederzeit stabil zu halten, überwacht und steuert der Zwischenkreis den Strom mit Stromsensoren. Dies ist eine wichtige Stufe der Motorsteuerung, die jedoch aufgrund von Integrationstrends zunehmend durch das BMS oder die Batterietrennvorrichtung (BDU; Battery Disconnect Unit) ersetzt wird. 

In BEV können die Antriebsmotoren eine Leistung von 50 kW oder mehr haben und verwenden 3-Phasen-Wechselrichter. In Hochleistungsfahrzeugen sind es sogar 6-Phasen-Wechselrichter. Der Ausgangsstrom des Wechselrichters treibt jede Phase des Motors an, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das die Drehung des Motors ermöglicht. Jede Phase verfügt über einen eigenen, unabhängigen Stromsensor am Ausgang des Wechselrichters, um den Strom zu überwachen. Zwei Stromsensoren können hier für einen sicheren Betrieb ausreichend sein, wobei der Strom in der dritten Phase aus der Summe der beiden anderen Phasen abgeleitet wird. Für maximale Sicherheit und Zuverlässigkeit verwenden Entwickler jedoch üblicherweise drei Stromsensoren. 

Thermomanagement sichert Effizienz im E-Fahrzeug

Steigende Komplexität, vernetzte Systeme, gesetzliche Vorgaben: Thermomanagement in elektrifizierten Fahrzeugen wird zum Schlüsselthema – und zur potenziellen Schwachstelle, wenn Validierung, Diagnosen und reale Tests nicht gesamtheitlich gedacht werden.

Der Wechselrichter steuert über den Strom das Drehmoment und die Drehzahl des Motors, indem er die Frequenz und Amplitude des an jede Phase gelieferten Stroms regelt. Dies wird durch die Stromsensoren ermöglicht. Um sicherzustellen, dass der Wechselrichter die richtige Strommenge an den Motor liefert, wird das Ausgangssignal der Stromsensoren in einen Regelkreis eingespeist.  

Stromsensoren spielen auch bei der Rotorerregung eine zentrale Rolle. Hier dient die DC-Messung zur präzisen Ansteuerung der Rotorwicklung. 

Miniaturisierung und Integration von Sensoren

Für alle Messaufgaben der Motorsteuerung in BEVs spielt die Miniaturisierung weiterhin eine wichtige Rolle. Neuerungen im Halbleiterbereich ermöglichen hier bessere, intelligentere und kostengünstigere Sensoren. Um den Platzbedarf zu minimieren und die Kosten zu senken, setzen viele Sensorhersteller, darunter auch LEM, auf mechanische Integration der Sensoren im oder am Powermodul. 

Die Integration erhöht die Leistungsdichte und sorgt für eine optimale und konstante Performance über Lebensdauer, da Sensor und Powermodul nach End-of-Line-Kalibrierung eine Plug-and-Play implementierbare Einheit bilden. Hinzu kommen optimale mechanische und elektrische Kopplung, hohe Genauigkeit durch magnetischen Konzentration und gute Übersprechunterdrückung durch den Magnetkern. 

Derzeit sind kernlose Designs eine wichtige Innovation in der Branche, da sie den Platzbedarf und die Kosten reduzieren und das Design vereinfachen (Bild 2).

Ein echtes kernloses Design entfernt den Magnetkern aus dem Stromsensormodul und ist die beste Option, um die Gesamtgröße seines Gehäuses zu reduzieren. Es erfordert jedoch neue Konstruktionsansätzeund die Lösung einiger technischer Herausforderungen: Höhere Genauigkeit verlangt eine bessere Kopplung, Techniken zur Verminderung von Übersprechen und zur Sicherstellung von Linearität über einen sehr großen Strombereich. Dies wiederum erfordert bessere Halbleiter, verbesserte mechanische Konzepte, eine engere Zusammenarbeit mit OEMsbei der Entwicklung. 

Herausforderungen der Branche bewältigen

Mit über 50 Jahren Erfahrung und Anwendungswissen hat LEM umfassendes Know-how in der Entwicklung von Stromsensoren erlangt. Dazu gehören mechanische Konzepte, Sensortechnologien und Kalibrierung, Integrationsansätze, Chipdesigns und Softwareentwicklung, aber auch die Einhaltung verschiedener Normen und Vorschriften für unterschiedliche Regionen. 

22-kW-Servoantrieb integriert Sicherheit und Konnektivität

Das Evaluierungskit STEVAL-ISD01KCB kombiniert einen 22-kW-Servoantrieb mit funktionaler Sicherheit gemäß SIL 2 / PL d und unterstützt Echtzeit-Kommunikation. Es eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen in der industriellen Automatisierung.

Davide Cristaldi

LEM hat seit den 1990er Jahren sein Fachwissen im Bereich der Motorsteuerung ausgebaut und sein Angebot im Einklang mit dem Markt verändert und angepasst. Durch kontinuierliche Marktforschung und enge Zusammenarbeit mit seinen Kunden konnte das Unternehmen Marktbedürfnisse erkennen, lange bevor sich Trends durchgesetzt haben. So antizipiert LEM weiterhin die Kundenbedürfnisse in jeder Phase der BEV-Entwicklung, wobei Motorsteuerungssysteme einen großen Teil davon ausmachen – der DC-Link, die Phasensteuerung und die Rotorerregung. LEM bietet eine umfassendes Angebot an Stromsensoren für diese Anwendungen und entwickelt seine Standard- und kundenspezifischen Lösungen kontinuierlich weiter. 

Stromsensoren für viele Automotive-Anwendungen

Für den DC-Link bietet LEM verschiedene Arten von Stromsensoren, die als Standardprodukte (OTS) oder kundenspezifisch erhältlich sind. Dazu gehören die 1-Phasen-Sensoren HSNDR, HSTDR, HAM und HAH1, die in unterschiedlichen Bauformen erhältlich sind. Für die Phasenüberwachung in der Motorsteuerung bietet LEM ein breites Angebot an Stromsensoren, darunter den HAH2 für 2-Phasen- und den HAH3 für 3-Phasen-Anwendungen. Hinzu kommen kundenspezifische Stromsensoren. Für die Rotorerregung und die hier zu überwachenden Ströme bieten die HMSR-, GO- und fortschrittlichen ICS-Sensoren (die dieses Jahr eingeführt werden) die optimale Lösung. 

LEM arbeitet auch direkt mit OEMs und Tier-1-Zulieferern zusammen, um gemeinsam Lösungen zu entwickeln, die alle Herausforderungen bei der Entwicklung des erforderlichen Fahrzeugsteuerungssystems bewältigen. Durch den innovativen Ansatz der mechanischen Integration und einen effizienten Fertigungsprozess bietet LEM eine genauere Kalibrierung der Stromsensoren an. Die enge Zusammenarbeit mit den F&E-Teams von OEMs und Tier-1-Zulieferern von Anfang an trägt dazu bei, die Strommessfunktion von Projektbeginn an optimal in das System zu integrieren. 

Die richtigen Partner zu finden – solche, die Kundenbedürfnisse frühzeitig erkennen und durchdachte, leistungsstarke Lösungen bieten – hilft Unternehmen, ihre Entwicklungszeit zu verkürzen und die Markteinführung zu beschleunigen. (na)