Stromsensoren für die Motorsteuerung in E-Fahrzeugen

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

Auswahl der richtigen Stromsensoren für die Motorsteuerung

Stromsensoren sind die Messbasis der BEV-Motorsteuerung: DC-Link stabilisieren, Phasenströme regeln, Rotorerregung präzise ansteuern. Miniaturisierung, Powermodul-Integration und kernlose Designs verschieben dabei die technischen Spielregeln.

Charles Flatot-Le Bohec

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 Ströme überwachen und messen, die in diese Systeme ein- und ausfließend. Auch Leckströme erkennen und messen sie aus Sicherheitsgründen, um die Gefahr von Stromschlägen oder Bränden zu verhindern.

Warum sind Stromsensoren in E-Fahrzeugen wichtig?

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 erforder-lichen 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.

Mehr Sicherheit und Effizienz in automobilen Brennstoffzellen

Die Fähigkeit, komplexe Systeme präzise zu überwachen und potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen, stellt sicher, dass Brennstoffzellensysteme auch in anspruchsvollen Anwendungen zuverlässig und effizient arbeiten. Diese Komponenten sind dafür entscheidend.

Wie unterstützen Stromsensoren die Phasenmessung?

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.

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.

Was wird es zukünftig bei BMS-Sensoren für Entwicklungen geben?

Aktuelle Sensoren sind in der Lage sowohl mögliche Brände an Bord zu verhindern als auch die Herausforderung der Reichweite bei Elektrofahrzeugen zu optimieren. Künftig werden sie wohl noch viel mehr leisten.

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. 

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 hat das Unternehmen 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 stellen die HMSR-, GO- und fortschrittlichen ICS-Sensoren (die dieses Jahr eingeführt werden) eine geeignete Lösung dar. (bs)