Leistung optimieren und effektiven Betrieb gewährleisten mit Sensoren

Ob es nun um die Senkung des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder das Design von Elektrofahrzeugen geht, die Elektrifizierung bildet doch stets die Grundlage für eine enorme Weiterentwicklung des Antriebsstrangs in der bisher bekannten Form. Auch künftig werden Sensoren im Rahmen der Elektrifizierung des Fahrzeugs eine zentrale Rolle einnehmen und Funktionen im Fahrzeug überwachen. Zusätzlich helfen sie mit den gesammelten Daten, den Antriebsstrang für ein effektives Management von Batterie, Wechselrichter und Motor zu optimieren.

Sensorik im Antriebsstrang

Bild 1 stellt den Antriebsstrang eines  Hybridfahrzeugs dar, in dem diverse präzise, elektronische Sensoren den Zustand überwachen sollen, um so den Wirkungsgrad zu erhöhen. Ein kompletter Antriebsstrang besteht aus mehreren Modulen, von denen jedes mit unterschiedlichen Arten von Sensoren und Regelungsmechanismen eigenständig arbeitet. Dabei hängt die Effizienz eines Fahrzeugs in erster Linie von der Genauigkeit, Präzision und Reaktionszeit der Sensoren und Aktoren in seinem Antriebsstrang ab. Diese Sensoren ermöglichen den geschlossenen Regelkreis, der für die Übertragung der erfassten Sensorinformation für das Motormanagement notwendig ist. Zu den wichtigsten Faktoren zählen dabei die Wirtschaftlichkeit und die Leistungsfähigkeit, die sich etwa in der optimalen Energienutzung und Fahreigenschaften ausdrücken.

In Motoren und Kraftübertragungssystemen verbessern Sensoren und die mit ihnen zusammenhängenden Regelungssysteme den Wirkungsgrad durch die präzise Überwachung der jeweiligen Messgröße. In Hybrid- und Elektrofahrzeugen stellt die zunehmende Elektrifizierung die Ingenieure vor die Aufgabe, die Architektur und Steuergrößen des Antriebsstrangs neu zu denken.

Überblick: Sensoren im Antriebsstrang

Die Sensoren im Antriebsstrang lassen sich nach der von ihnen gebotenen Mess-Funktionalität einteilen. Generell sollten die dort eingesetzten Sensoren folgende Eigenschaften bieten:

• Geringer Stromverbrauch (rund 10 mA)
• Hohe Genauigkeit für exakte Regelmechanismen
• Hohe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Messgrößen
• Robustheit gegenüber den im Kraftfahrzeug herrschenden Bedingungen
• Elektromagnetische Verträglichkeit

Bild 2: Einordnung von Antriebsstrang-Sensoren nach ihrem Messprinzip. Texas Instruments

Temperatursensoren im Antriebsstrang

In Antriebssträngen kommen drei Arten von Temperatursensoren zum Einsatz:

• Thermistoren: Auf dem Markt gibt es aktuell Thermistoren mit hohen Temperaturbereichen, um den Anforderungen von Hochtemperatur-Sensoren nachzukommen. Ebenfalls im Trend sind siliziumbasierte Thermistoren, die die herkömmlichen NTC- und PTC-Thermistoren ersetzen können. Mit diesen neuen intelligenten Thermistoren lässt sich über einen großen Dynamikbereich hinweg eine hohe Linearität erzielen, was besonders im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen notwendig ist.
• Silizium: Silizium-Temperatursensoren spielen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen eine wichtige Rolle, denn sie bieten die folgenden Vorteile:
  • Höhere Linearität über größere Temperaturbereiche.
  • Können Genauigkeit über den gesamten Bereich der unterstützten Temperaturen wahren.
  • Hohe Auflösung und Grade-0-Qualifikation für den Temperatursensor.
  • Digitale Ausgangsschnittstellen für einen vereinfachten Datentransfer in digitaler Form.
  • Alarm-Funktion im Interesse effizienterer Regelungsfunktionen.
  • Niedrigere Kosten und einfachere Implementierung.

Drucksensoren im Antriebsstrang

Tabelle 1: Typen von Positionssensoren, eingeteilt nach Funktionsprinzip Texas Instruments

Integrierte Drucksensoren im Antriebsstrang basieren auf dem resistiven oder kapazitiven Funktionsprinzip. Die Signalaufbereitung mit Verstärkern, A/D-Wandlern, einem Mikrocontroller und einem D/A-Wandler oder einem digitalen Interface ist in den Chip integriert. Drucksensor-Elemente sind generell anfällig gegenüber Nichtlinearitäten über die Temperatur. Deshalb enthält eine konventionelle Signalaufbereitungsschaltung für einen Drucksensor auch Mechanismen für die Temperatur- und Linearitäts-Kompensation. Da die Zuleitungen zu Drucksensor-Modulen durch mehrere Kabelbäume führen, ist es immer sinnvoll, die Module vor Verkabelungsfehlern wie etwa Überströmen, Überspannungen oder Kurzschlüssen zu schützen. Unter anderem sind die folgenden Überlegungen für Drucksensoren im Antriebsstrang relevant:

• Höhere absolute Maximalwerte für das Signalaufbereitungs-Element.
• Toleranz gegenüber Verkabelungsfehlern.
• Erhöhte Nachfrage nach hochempfindlichen, piezoresistiven Drucksensoren.

In Automotive-Anwendungen sollte die Signalaufbereitung für die Drucksensoren im Antriebsstrang so ausgelegt sein, dass die Sensoren unter extrem rauen Umgebungsbedingungen arbeiten können und einem weiten Spektrum von Vibrationen, Temperaturänderungen, elektromagnetischen Einflüssen und Stößen widerstehen können.

Füllstands- und Konzentrationssensoren im Antriebsstrang

Füllstands- und Konzentrationssensoren arbeiten meist nach ultraschall- und kapazitätsbasierten Prinzipien. Im Fahrzeug müssen solche Sensoren an verschiedenen Stellen im Fahrzeug messen, da verschiedene Flüssigkeiten an mehreren Positionen des Antriebsstrangs bevorratet sind. Sensoren müssen sowohl Menge als auch Konzentration dieser Flüssigkeiten überwachen, um eine effiziente Regelung zu gewährleisten.

Die Verwendung der Ultraschalltechnik zum Messen dieser Füllstände hat die folgenden Vorteile:

• Kürzere Messzeiten.
• Möglichkeit zur Ansteuerung einer Vielzahl von Messumformern über einen weiten Erfassungsbereich.
• Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Medien, Behältergrößen und Distanzen.
• Möglichkeit zum Anschluss an eine Hochspannungs-Schaltung, um den Messumformer für die Durchdringung tieferer Tanks anzusteuern.
• Möglichkeit zur Integration von Schutzfunktionen.
• Möglichkeit zur Nutzung der CAN-Schnittstelle (Controller Area Network).

Positionssensoren im Antriebsstrang

Positionssensoren sind eine weitere wichtige Art von Sensoren für Antriebsstränge von Fahrzeugen mit Hybrid- und Elektroantrieb. Sie messen Drehzahlen, Winkel, Geschwindigkeiten und Ein-/Aus-Positionen für kritische Funktionen wie etwa elektrische Servolenkungen, Traktionswechselrichter und Antiblockiersysteme. Positionssensoren arbeiten je nach Anwendung hauptsächlich nach dem magnetischen (Hall-basiert oder magnetoresistiv) oder induktiven Funktionsprinzip. Nachfolgend sind einige Überlegungen und Anforderungen zu Positionssensoren im Antriebsstrang zusammengefasst:

• Robustheit in Anbetracht ihrer kritischen Anbringungsorte.
• Erhöhte Empfindlichkeit zum Detektieren kleinster Veränderungen.
• Große Bandbreite für die Drehzahlerfassung.
• Integrierter digitaler Ausgang.
• Geringes Eingangsrauschen.
• Sensor-Arrays für verschiedene Erfassungs-Achsen.
• Temperatur- und Vibrationsbeständigkeit.
• Nichtlinearer Magnet.
• Eignung für breitbandige Positionserfassung.

Induktive Positionssensoren sind oftmals Robuster und benötigen weniger Wartungsaufwand, zudem messen sie die genauer.

Stromsensoren für den Antriebsstrang

Stromsensoren gehören zu den markantesten Sensoren in den Antriebssträngen von Fahrzeugen mit Hybrid- oder Elektroantrieb. Shunt- und magnetbasierte Messprinzipien erreichen die Anforderungen an die Strommessung in Fahrzeugen. Welches Prinzip das richtige ist, hängt vom Einsatzort des Sensors ab. In Hybridfahrzeugen etwa liegt die Spannung bei 48 V, während sie in Elektrofahrzeugen zwischen 400 V und 600 V oder gar 800 V liegt.

In Hybridfahrzeugen kommen Stromsensoren im 12-V- und 48-V-Bordnetz, an Gleichspannungswandlern und zur Motorregelung zum Einsatz. Insbesondere bei Batterien ist die Strommessung vom Milliampere- bis in den Kiloamperebereich erforderlich, wobei für das 48-V-Bordnetz Shunt-Sensoren mit höherem Gleichtaktbereich notwendig sind. Ebenso verlangen State-of-Charge- und State-of-Health-Berechnungen bei der Batteriestrom-Erfassung eine hohe Genauigkeit bei niedrigen Strömen. Die Strommessung an Gleichspannungswandlern setzt eine größere Bandbreite voraus, um im Fehlerfall schneller reagieren zu können. Im Zusammenhang mit der Motorregelung verlangt die Strommessung nach höheren Anstiegsgeschwindigkeiten und kürzeren Reaktionszeiten.

In Elektrofahrzeugen finden Stromsensoren im Bordladegerät, in Gleichspannungswandlern, in den Traktionsmotoren und in den Hochspannungsbatterien mit 400 V bis 800 V Verwendung. Für den Umgang mit diesen hohen Spannungen muss die Strommessung isoliert erfolgen. Magnetische oder verstärkte Isolation sowie die Isolation mit hoher Genauigkeit und Linearität sind bei Shunt-basierten Stromsensoren möglich. Beliebt sind Designs mit reduziertem Stromverbrauch sowie die isolierte, verstärkerbasierte Strommessung. In Hochspannungs-Batterien für Elektrofahrzeuge ist die low-seitige Strommessung vorzuziehen, denn hier sind hohe Genauigkeit bei niedrigen Strömen, ein hoher Integrationsgrad und ein größerer Dynamikbereich erforderlich, um die State-of-Charge- und State-of-Health-Berechnungen für die Batterie durchzuführen.

Weiterhin benötigen Elektromagnete und verschiedene Ventile eine präzise Strommessung über den gesamten Temperaturbereich, weshalb eine geringere Temperaturdrift, weniger Offset und eine niedrigere Shunt-Toleranz gefordert sind. Ein integrierter Shunt ist in diesen Fällen vorzuziehen.

Zusammenfassung

Das Entstehen neuer Technologien im Automobilbereich und die fortschreitende Elektrifizierung der Fahrzeuge beeinflussen die Sensoren im Antriebsstrang und die mit ihnen zusammenhängende Elektronik. Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist eine Zunahme der Designanforderungen für Strom- und Positionssensoren festzustellen.

Hochpräzise Signalaufbereitungs-Schaltungen und Operationsverstärker spielen eine entscheidende Rolle für den zuverlässigen Betrieb von Antriebsstrang-Sensoren unter den rauen Einsatzbedingungen, wie sie in Kraftfahrzeugen herrschen. Zu den Herausforderungen, bei deren Bewältigung die Signalaufbereitungs-Elektronik der Sensoren helfen kann, gehören hohe Temperaturen, Vibrationen, der EMI-Schutz und die Einhaltung der Automobil-Sicherheitsstandards.

Abschließend ist festzustellen, dass Antriebsstrangsensoren für eine der größten technologischen Umwälzungen unseres Zeitalters, nämlich die Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge, gerüstet sind. Bei der Auswahl der Sensoren und ihrer Signalaufbereitungs-Elektronik sollten Entwickler allerdings grundlegende Design-Aspekte sorgfältig beachten.

(prm)

(prm)