Ladestationen

Um dem Verbraucher genau den genauen Preis zu berechnen, ist eine präzise Strommessung notwendig. (Bild: Analog Devices)

Staaten auf der ganzen Welt arbeiten im 21. Jahrhundert an Aktionsplänen, um die komplexen und langfristigen Herausforderungen bei der Reduzierung der CO2-Emissionen anzugehen, denn es hat sich herausgestellt, dass der Ausstoß von Kohlendioxid verantwortlich für die katastrophalen Auswirkungen des Klimawandels ist. Der Bedarf an neuen, effizienten Energieumwandlungs-Technologien und verbesserten Batterietechnologien nimmt deshalb rapide zu.

Getrieben von der Entwicklung effizienter Leistungswandlungs-Technologien auf der Basis von Wide-Bandgap-Halbleitern wie etwa GaN- und SiC-Bausteinen, wird in vielen Anwendungen mittlerweile die Umstellung auf die Energieübertragung per Gleichstrom attraktiv. Als Konsequenz hieraus wird die präzise Gleichstrom-Energiezählung relevant.

Überblick: Strommessung und Gleichstromzähler

Viele Anwendungen verbrauchen heute große Mengen an Strom. Sowohl der Verbraucher als auch der Energieversorger brauchen zur Planung, Kalkulation und der letztendlichen Inrechnungstellung präzise Daten. Um den verbrauchten Strom zu messen gibt es verschiedene Varianten für die sich der Entwickler entscheiden kann: direktabbildende Halleffekt-Sensoren, kompensierte Halleffekt-Sensoren oder Fluxgate-Magnetometer. Auch eine Lösung mit Shunt-Widerständen wäre möglich. Diese Methoden haben alle Vor- und Nachteile und die Wahl hängt von der Anwendung ab.

Anwendungen für Gleichstrom-Energiezähler

SiC-basierte EV-Leistungswandler können Wirkungsgrade von mehr als 97 % erreichen, aber dennoch besteht für schnelle Ladestationen ein eindeutiger Bedarf an einer präzisen DC-seitigen Rechnungsstellung. Dabei erfolgt die Energieübertragung per Gleichstrom mit direkter Verbindung zur Traktionsbatterie des Fahrzeugs. Abgesehen von den Interessen bei der Rechnungsstellung an öffentlichen EV-Ladestationen können bei den privaten Peer-to-Peer-Ladekonzepten noch größere Anreize bestehen, eine präzise gleichstromseitige Energiezählung zu realisieren.

Gleichstromseitige Energiezählung in den EV-Ladestationen, Schema
Bild 1: Gleichstromseitige Energiezählung in den EV-Ladestationen der Zukunft (Bild: Analog Devices)

DC-Energieverteilung und Microgrids

Im Prinzip ist ein Microgrid eine verkleinerte Form des Stromnetzes eines Energieversorgungsunternehmens (EVU). Dementsprechend wichtig ist eine sichere, zuverlässige und effiziente Energieversorgung. Microgrids sind beispielsweise in Krankenhäusern zu finden, aber auch als Bestandteile der EVU-Verteilnetze werden sie eingesetzt, wenn erneuerbare Energiequellen, konventionelle Kraftwerke und Energiespeicher zu einem zuverlässigen Energieverbund-System zusammenfließen.

Bis zu 50 % der elektrischen Verbraucher in einem Gebäude arbeiten mit Gleichstrom, aber zurzeit muss der Netzwechselstrom für jedes einzelne elektronische Gerät in Gleichstrom umgewandelt werden, wobei ein Energieverlust von bis zu 20 % auftritt. Die Gesamt-Einsparung, die sich durch ein Gleichstromnetz gegenüber dem traditionellen Wechselstromnetz einstellt, wird auf bis zu 28 % geschätzt.

DC-versorgte Rechenzentren

Für Rechenzentren ziehen einige Anbieter aktiv andere Technologien und Lösungen in Erwägung, um die Energieeffizienz der Einrichtungen zu steigern. Schließlich gehört die Elektrizität hier zu den größten Kostenfaktoren.

Die Betreiber von Rechenzentren sehen in der DC-Verteilung entscheidende Vorteile, da die Zahl der minimal erforderlichen Umwandlungen zwischen Wechsel- und Gleichstrom abnimmt und sich die Integration erneuerbarer Energiequellen einfacher und effizienter gestaltet

Die Spannungen des Verteilungs-Busses können bis zu etwa 380 V betragen. Dabei weckt die präzise DC-Energiezählung zunehmendes Interesse, denn viele Betreiber stellen auf das besser messbare Konzept um, dem Colocation-Kunden die verbrauchte Energie in Rechnung zu stellen.

Gleichstromversorgung von Rechenzentren
Bild 2: Bei der Gleichstromversorgung von Rechenzentren werden nicht nur weniger Komponenten benötigt, sondern auch die Verluste sind gegenüber der traditionellen AC-Verteilung geringer. (Bild: Analog Devices)

Herausforderungen bei der präzisen Gleichstrom-Energiezählung

Heutige Wechselstromzähler arbeiten komplexer und präziser und sind außerdem vor Manipulation geschützt. Ein Smart Meter kann inzwischen sogar rund um die Uhr seine eigene Genauigkeit überwachen und Anzeichen für Manipulationen erkennen. Dies gilt beispielsweise für den mit mSure-Technologie ausgestatteten Zähler-IC ADE9153B von Analog Devices. Energiezähler werden allesamt nach der Zahl der Impulse pro kWh und nach ihrer Genauigkeit in Prozent eingeteilt. Die Zahl der Impulse pro kWh ist gleichbedeutend mit der Aktualisierungsrate oder Auflösung des Zählers, während die Genauigkeitsklasse eine Aussage über den maximalen Fehler liefert, mit dem die Energiemessung behaftet ist.

Aufbau von Gleichstromzählern

Bild 3 zeigt die grundlegende Architektur eines Gleichstromzählers. Damit sich die vom Verbraucher aufgenommene Leistung messen lässt, ist mindestens ein Strom- und ein Spannungssensor notwendig. Wenn die Low-side auf Erdpotential liegt, wird der Strom üblicherweise auf der High-side gemessen um das Risiko zu verringern etwaige Leckströme nicht zu erkennen. Sollte es von der Designarchitektur her erforderlich sein, kann die Messung jedoch auch auf der Low-side oder auf beiden Seiten erfolgen.

Die Methode, auf beiden Seiten der Last zu messen und die Resultate anschließend miteinander zu vergleichen, wird häufig genutzt, um dem Zähler das Erkennen von Störungen und Manipulationen zu ermöglichen. Erfolgt die Strommessung allerdings beiderseits, muss mindestens ein Stromsensor isoliert sein, um die große Potenzialdifferenz zwischen beiden Leitern zu berücksichtigen.

Spannungsmessung

Die Spannung wird in der Regel mit einem resistiven Potenzialteiler gemessen. Dabei wird eine Reihenschaltung von Widerständen benutzt, um das Potenzial proportional auf ein Maß zu reduzieren, das vom System-ADC verarbeitet werden kann.

Wegen der großen Amplitude des Eingangssignals ist auch mit Standard-Bauteilen eine präzise Spannungsmessung möglich. Entwickler müssen hier unbedingt auf die Temperatur- und Spannungskoeffizienten des gewählten Bauelements achten, damit die erforderliche Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich sichergestellt ist.

Systemarchitektur eines Gleichstrom-Energiezählers.
Bild 3: Systemarchitektur eines Gleichstrom-Energiezählers. (Bild: Analog Devices)

Shunt-Widerstand

Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, erwärmt er sich proportional zum Quadrat der Stromstärke. Dies ist nicht nur der Effizienz abträglich, sondern infolge der Erwärmung verändert sich auch der Widerstandswert des Shunt-Widerstands, was wiederum die Genauigkeit beeinträchtigt. Um die Eigenerwärmung gering zu halten, kann ein niedriger Widerstandswert gewählt werden. Hierdurch aber ist die am Widerstand abfallende Spannung ebenfalls gering und liegt manchmal bereits auf dem Niveau des DC-Offsets des Systems. Folglich ist es unter Umständen keine triviale Aufgabe, am unteren Ende des Dynamikbereichs auf die erforderliche Genauigkeit zu kommen. Um die Nachteile kleiner Shunt-Widerstände zu kompensieren, können Entwickler jedoch auf analoge Eingangsstufen mit geringen DC-Offset- und Temperaturdrift-Werten zurückgreifen. Wegen des konstanten Verstärkungs-Bandbreiten-Produkts von Operationsverstärkern aber wird bei hoher Verstärkung die verfügbare Bandbreite zwangsläufig geringer.

Indirekte Strommessung über das erzeugte Magnetfeld – Direktabbildende Halleffekt-Sensoren

Diese Sensoren bestehen aus einem Ring aus einem Material hoher Permeabilität, der von dem zu messenden Strom durchflossen wird. Hierdurch konzentrieren sich die magnetischen Feldlinien des Mess-Leiters auf einen Halleffekt-Sensor, der in die Querschnittsfläche des Magnetkerns eingebracht wird. Das Ausgangssignal dieses Sensors wird aufbereitet und steht meist in verschiedenen Varianten zur Verfügung. Am weitesten verbreitet sind 0 V bis 5 V, 4 mA bis 20 mA oder ein digitales Format. Dieser Sensor bietet zwar bei niedrigen Kosten eine galvanische Isolation und einen großen Strommessbereich, aber die absolute Genauigkeit kann in der Regel nicht unter 1 % reduziert werden.

Kompensierte Halleffekt-Sensoren

Eine aus mehreren Windungen bestehende Sekundärwicklung auf dem permeablen Kern, die von einem Stromverstärker angesteuert wird, bewirkt eine Gegenkopplung, um einen Gesamt-Fluss von null zu erzielen. Durch Messung des Kompensationsstroms verbessert sich die Linearität, und es kommt zu keiner Kern-Hysterese. Insgesamt wird eine verbesserte Temperaturdrift und eine höhere Genauigkeit erzielt als mit direktabbildenden Halleffekt-Sensoren. Der typische Fehler beträgt bis 0,5 % herab, jedoch ist dieser Sensortyp wegen der zusätzlichen Kompensationsschaltung teurer und gelegentlich in seiner Bandbreite begrenzt.

Fluxgate-Magnetometer

Bei einem Fluxgate-Magnetometer handelt es sich um ein komplexes, geregeltes oder ungeregeltes System, mit der Strom gemessen wird, indem die Änderungen des magnetischen Flusses eines absichtlich gesättigten Kerns beobachtet wird. Dabei wird eine Spule um einen ferromagnetischen Kern hoher Permeabilität gewickelt. Dieser wiederum wird von einer Sekundärspule, die durch eine symmetrische Rechteckspannung angesteuert wird, absichtlich in die Sättigung getrieben. Die Induktivität der Spule bricht jedes Mal dann zusammen, wenn sich der Kern der positiven oder negativen Sättigung nähert, und die Änderungsrate des Stroms nimmt zu. Der Stromverlauf in der Spule bleibt so lange symmetrisch, bis ein externes Magnetfeld hinzukommt. In diesem Fall wird der Stromverlauf asymmetrisch. Durch Messen des Grads der Asymmetrie lässt sich auf die Intensität des Magnetfelds und damit auf den Strom schließen, der dieses Magnetfeld erzeugt hat. Diese Technik bietet eine hohe Temperaturstabilität und eine bis 0,1 % herab reichende Genauigkeit. Aufgrund der komplexen Elektronik des Sensors handelt es sich hier jedoch um eine teure Lösung, die zehnmal mehr kostet als andere isolierte Lösungen.

Temperaturgefälle Shunt-Widerstand
Bild 4: Temperaturgefälle führen bei Shunt-Widerständen zum Entstehen einer Thermo-EMK. (Bild: Analog Devices)

Gleichstrom-Energiezählung: Anforderungen und Standardisierung

Verglichen mit dem Bestand an Normen für Wechselstromzähler mag die Standardisierung der DC-Energiezählung nicht übermäßig schwierig erscheinen, aber dennoch sind die Beteiligten aus der Industrie uneins hinsichtlich der Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen. Sie wünschen sich mehr Zeit, um die genauen Einzelheiten der DC-Energiezählung auszuarbeiten.

Die IEC arbeitet an der Norm IEC 62053-41 zur Festlegung der Anforderungen speziell für statische Gleichstromzähler für Wirkenergie mit den Genauigkeitsklassen 0,5 % und 1 %.

Der Standard schlägt einen Bereich von Nennspannungen und -strömen vor und setzt Grenzwerte für die maximale Leistungsaufnahme der Spannungs- und Stromkanäle des Zählers. Wie bei den Vorgaben für Wechselstromzähler, wird außerdem auch hier eine bestimmte Genauigkeit über den Dynamikbereich hinweg definiert, ergänzt durch einen Grenzstrom für den No-Load (last)-Zustand.

In dem Normenentwurf findet sich keine spezifische Vorgabe für die Bandbreite des Systems. Erfolgreich bestanden werden muss jedoch eine schnelle Laständerungs-Prüfung, woraus sich eine bestimmte Anforderung an die Mindestbandbreite des Systems ergibt.

Die DC-Zählung in EV-Ladesystemen entspricht streckenweise der deutschen Norm VDE-AR-E 2418 oder der alten Bahn-Norm EN 50463-2. Gemäß der Norm EN 50463-2 wird die Genauigkeit pro Wandler angegeben, sodass der gesamte Energiefehler das quadratische Mittel des Spannungs-, des Strom- und des Berechnungsfehlers ist.

Direktabbildender Stromwandler
Bild 5: Direktabbildender Stromwandler auf der Basis eines Flusskonzentrators und eines Magnetsensors. (Bild: Analog Devices)

Machbarkeitsstudie für einen normkonformen DC-Energiezähler

Analog Devices führte eine Machbarkeitsstudie für einen DC-Energiezähler durch, welcher die kommende applikationsspezifische Norm IEC 62053-41 erfüllt. Eine kostengünstige und präzise Strommessung ist mit einem Shunt mit geringem Widerstandswert und geringer EMK (<1 μVEMF/°C) möglich. Die Verwendung eines niedrigen Widerstandswerts ist essenziell, um die Eigenerwärmung gering zu halten und die Verlustleistung unter den von der Norm definierten Grenzwerten zu halten. Bei einem kommerziellen 75-µΩ-Shunt bleibt die Verlustleistung unter 0,5 W. Allerdings erzeugen 1 % des Nennstroms von 80 A an einem 75-µΩ-Shunt ein Signal von nur 60 µV, sodass die Signalkette eine Offsetdrift von weniger als einem Mikrovolt aufweisen muss.

Mit einer maximalen Offsetspannung von 2,5 µV und einer maximalen Offsetdrift von 0,015 µV/°C eignet sich der ADA4528 hervorragend, um für eine extrem geringe Drift und eine Verstärkung von 100 V/V für das schwache Shunt-Signal zu sorgen. Der simultan abtastende 24bit-ADC AD7779 kann deshalb direkt an die Verstärkerstufe angeschlossen werden und liefert einen Beitrag von 5 nV/°C zur eingangsbezogenen Offsetdrift.

Zur präzisen Messung einer hohen Gleichspannung lässt sich ein resistiver Potenzialteiler von 1000:1 direkt an den Eingang des ADC AD7779 anschließen.

Autor

Luca Martini, Analog Devices

Luca Martini

System Engineer bei Analog Devices

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