Klimaklappentreiber reduziert Verkabelungsaufwand und vereinfacht Schrittmotor Für besseres Klima

Klima-Steuergeräte verfügen über bis zu 15 Stellklappen zur Regelung von Lufttemperatur und -verteilung. Zum Antrieb dienen vorzugsweise unipolar betriebene Schrittmotore. Pro Motor sind fünf Leitungen erforderlich – ein enormer Verkabelungsaufwand. Ein neuer...

Klimaklappentreiber reduziert Verkabelungsaufwand und vereinfacht Schrittmotor

Klima-Steuergeräte verfügen über bis zu 15 Stellklappen zur Regelung von Lufttemperatur und -verteilung. Zum Antrieb dienen vorzugsweise unipolar betriebene Schrittmotore. Pro Motor sind fünf Leitungen erforderlich – ein enormer Verkabelungsaufwand. Ein neuer Schaltkreis von STMicroelectronics reduziert die Verkabelung um zwei Leitungen pro Stellmotor und verringert damit die Anzahl der Steckkontakte. Zugleich vereinfacht er den Wicklungsaufwand im Schrittmotor durch bipolare Ansteuerung – in attraktives, kostengünstiges Konzept, das mechatronischen LIN-Bus-Stellern Konkurrenz macht.

Klimaregelung, bei Oberklasse-Fahrzeugen seit langem Standard, hat sich inzwischen auch bei der Mittel- und Unterklasse etabliert. Elektronisch einstellbare Lüftungsklappen haben längst schwergängige Bowden-Züge abgelöst. Favorit für den Luftklappenantrieb bei europäischen Fahrzeugen ist heute der Schrittmotor, der Zug um Zug den DC-Motor mit Feedback-Potentiometer verdrängt. Nur in US-Pkws ist der DC-Motor noch dominant. Beide Stellmotoren, ob Schritt- oder DC-Motor, benötigen fünf Leitungen pro Antriebssystem (Bild 1).

Fünf Leitungen pro Steller sind noch erträglich, sofern nur drei Steller wie in Unterklasse-Pkws vorhanden sind. Wächst die Anzahl der Steller, wird der Verkabelungsaufwand jedoch zu einem Handhabungs- und Gewichtsproblem, auch im Hinblick auf die Anzahl der Kontakt-Pins zum Steuergerät. Mit steigender Anzahl an Stellern gewinnen daher LIN-Bus-gesteuerte, mechatronische Klappentreiber an Attraktivität. Der Einstieg in diese Technik ist aufgrund des zusätzlichen Elektronikaufwands jedoch mit hohen Kosten verbunden und damit erst ab der oberen Mittelklasse sinnvoll. Deshalb dominiert in Fahrzeugen mit drei bis fünf Stellmotoren für das Klima-System weiterhin das klassische Verdrahtungskonzept mit Stellmotoren ohne Elektronik, obwohl bei vier Motoren bereits 20 Leitungen zu bedienen sind.

Um die Leitungsanzahl pro Steller zu reduzieren, steht daher bei Klappenstellern mit DC-Motor das Potentiometer zur Positionserfassung zur Disposition – zu Gunsten eines Ripple-Counting-Konzeptes. Gemessen wird die Welligkeit des Motorstroms, die durch die drei Kollektor-Segmente des DC-Motors entsteht. Leider ist das Signal nicht langzeitbeständig und ändert zudem seine Form mit der Drehrichtung des Motors. Aufwendige Filter-Algorithmen und die Modellierung des Motorverhaltens sind erforderlich, egal ob in Hardware oder Software realisiert. Darüber hinaus sorgt auch die potentielle Unzuverlässigkeit des DC-Motors dafür, dass sich der Schrittmotor mehr und mehr durchsetzt.

Verwunderlich ist, dass bei Klimaklappen ohne LIN-Bus-Anbindung der unipolar kommutierte Schrittmotor favorisiert wird, obwohl er mit seinen fünf Anschlüssen dem bipolar kommutierten Schrittmotor, der nur zwei Phasenwicklungen benötigt, um eine Leitungsverbindung unterliegt. Das Argument, die Ansteuerung eines unipolar kommutierten Schrittmotors mit einfachen Low-side-Schaltern wäre kostengünstiger, ist heute nicht mehr gültig, da in diesem Leistungsbereich Silizium längst kostengünstiger ist als zusätzliche Steckkontakte und Verbindungsleitungen. Bipolar betriebene Schrittmotoren wie in Bild 2 (A), haben nur eine Wicklung pro Phase und einen Anschluss weniger gegenüber einem unipolaren Aufbau. Zum Ansteuern ist allerdings ein dualer Brückentreiber mit acht Halbleiterschaltern erforderlich. Ein Mehraufwand auf Silizium-Ebene, der jedoch noch unterhalb der Verkabelungseinsparung liegt. Es geht jedoch noch einfacher: Verbindet man die beiden Wicklungen einseitig wie in Bild 2 (B) und realisiert ein innovatives Ansteuerkonzept, sind nur noch drei Leitungen erforderlich.

Welche Auswirkungen hat nun eine Konfiguration nach Bild 2 (B) auf die Ansteuer-Elektronik? Bipolar-Betrieb eines Schrittmotors heißt, dass die Ansteuerschaltung in beiden Phasenwicklungen unabhängig voneinander einen Strom in beide Richtungen treiben muss, wenn Voll- und Halbschritt-Betrieb möglich sein sollen. Sind beide Phasen über einen Anschluss miteinander verbunden, ist ein Zweirichtungs-Stromfluss nur dann möglich, wenn gegenüber dem Potential am Verbindungspunkt beider Wicklungen die Spannung sowohl niedriger als auch höher sein kann. Liegt der Verbindungspunkt an der 14-V-Versorgungsspannung (Ubatt), muss jede Phase entweder auf Masse oder die doppelte Versorgungsspannung (2 × Ubatt) geschaltet werden (Bild 3).

Der Vorteil dieser Ansteuerung besteht darin, dass im Vergleich zu einem bipolar betriebenen Motor mit getrennten Phasenwicklungen pro Phase eine Halbbrücke ausreicht. Damit halbiert sich die Anzahl der Leistungstransistoren im Treiber-IC auf vier pro Motor, vergleichbar dem Unipolar-Betrieb. Natürlich ist ein Mehraufwand erforderlich, um die zweite Spannungsebene zu generieren, dieser hält sich jedoch im Vergleich zum gewonnenen Vorteil in Grenzen.

Ziel der Neuentwicklung war ein Schaltkreis (Bild 4), der bis zu vier Schrittmotoren mit verringertem Verkabelungsaufwand ansteuern kann, jedoch DC-Motoren nicht ausschließt, um auch dem US-Markt gerecht zu werden, und zugleich Ripple-Counting zu ermöglichen. Bild 4 zeigt das IC mit seiner Anbindung an den Mikrocontroller über eine SPI-Schnittstelle. Acht Halbbrücken, die eine bidirektionale Strommessung erlauben, steuern vier bipolar konfigurierte Schrittmotoren an, deren Phasenwicklungen einseitig mit dem Batteriepotential Ubatt verbunden sind. Versorgt sind die Halbbrücken über einen vom Mikrocontroller gesteuerten Aufwärtswandler. Dieser verdoppelt die Batteriespannung, so dass gegenüber Ubatt eine virtuelle, symmetrische Spannung entsteht, welche die Halbbrücken auf die Phasenwicklungen aufschalten kann. Die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers (2 × Ubatt) ist vom Mikrocontroller steuerbar, wobei die zu wandelnde Leistung von der Zahl der gleichzeitig zu betreibenden Schrittmotoren abhängt. Ist kein Motor im Betrieb, ist der Wandler inaktiv und die Ausgangsspannung sinkt ab auf Ubatt.