Strommessungen in Kraftfahrzeugsystemen Strom als Schlüsselgröße

Die Zahl der elektrisch angetriebenen Systeme in Fahrzeugen nimmt rasant zu. Daher steigt auch der Bedarf nach Strommesslösungen. Welche Schaltungstopologie eignet sich für welche Anwendung? Was muss ich beim Einsatz beachten?

Strommessungen in Kraftfahrzeugsystemen

Die Zahl der elektrisch angetriebenen Systeme in Fahrzeugen nimmt rasant zu. Daher steigt auch der Bedarf nach Strommesslösungen. Welche Schaltungstopologie eignet sich für welche Anwendung? Was muss ich beim Einsatz beachten?

Elektrische Systeme in Kraftfahrzeugen entwickeln sich zurzeit extrem dynamisch. Neuerungen finden sich beispielsweise in den Bereichen Hybridantrieb, »X-by-Wire«- Stellglieder oder »intelligente« Zubehörteile, welche die Lebensdauer und den Wirkungsgrad erhöhen, beispielsweise riemenlose Pumpen und LED-Beleuchtung. Steigende Erwartungen der Kunden an automatische Onboard-Diagnosesysteme und vorausschauende Wartungsfunktionen treiben ebenfalls den Paradigmenwechsel in der Konstruktion von Karosserie- und Motormanagementsystemen voran. In vielen Bereichen dieser neu konstruierten Systeme bildet der elektrische Strom eine Schlüsselfunktion bei der Informationsrückmeldung. Beispielsweise können Strommessungen zur Analyse des Funktionszustands, zum Ausfallschutz und zur Regelung dienen.

Eine kontaktlose Strommessung ist zwar möglich, kommt aber meist nur bei teuren Instrumenten oder hochwertigen Stromversorgungsaggregaten zum Einsatz, bei denen die Kosten und die Komplexität berechtigt sind. Im Kfz-Bereich sind niedrige Kosten entscheidend, weshalb sich die Messung über einen Strommesswiderstand anbietet. Da dieser keine große Wärmemenge erzeugen soll, ist dessen Wert normalerweise sehr gering, im Bereich weniger Milliohm.

Im Wesentlichen gibt es sechs unterschiedliche Topologien für die Reihenschaltung eines Schalters, einer Last und eines Messwiderstands (Bild 1). Sie können einerseits durch die Position des Schalters klassifiziert werden (entweder High-Side oder Low-Side in Bezug auf die Last) oder andererseits durch die Widerstandsposition (Low-Side, »fliegend« oder High-Side in Bezug auf die Versorgungsschienen). Jedes dieser Szenarien kann eine optimale Lösung für eine bestimmte Anwendung sein. Im Allgemeinen ist die fliegende Anordnung des Messwiderstands jedoch die komplizierteste Lösung, da beide Anschlüsse des Widerstands bei Lastwechseln auch deutlich ihr Potenzial ändern und daher differenzielle Messverfahren mit guter Gleichtaktunterdrückung erforderlich sind.

Am einfachsten scheint die Low-Side-Messung zu sein, da die Strommessung bereits einen Bezug zur Masse aufweist. Allerdings kann, wenn eine entfernte Masse eingesetzt wird, ein so genannter  Massefehler zur Karosserie hin entstehen und/oder eine zusätzliche Verkabelung erforderlich werden. Ein solcher Massefehler tritt auf, wenn ein Schraubenschlüssel einen Strom führenden Anschluss berührt oder wenn ein Kabel mit einer defekten Isolierung das Autochassis berührt. In diesem Fall wäre die Low- Side-Messung in sich fehlerhaft. In den meisten Anwendungen wird die Konfiguration aus Bild 1(c) gewählt, da diese einen zentralen Schalter und Überwachungsfunktionen bei geringer Leitungsanzahl ermöglicht.

Ein H-Brückenschaltungstreiber lässt sich aus zwei Halbbrücken-Abschnitten zusammensetzen, die mit Komplementärsignalen arbeiten und somit einen bidirektionalen Differenzialausgang ergeben. Jede Halbbrücke wiederum lässt sich als Erweiterung der unidirektionalen Konfiguration aus Bild 1(c) ansehen, in welcher der Low-Side-Schalter parallel zur Last hinzugefügt wird. Es ist zu beachten, dass die Low-Side-MOSFETs bei Massefehlern keiner Überlast ausgesetzt sind, weshalb die Überwachung jeder High-Side-Halbbrücke alle notwendigen Informationen bereitstellt. Die Differenz der unidirektionalen Stromwerte der beiden Halbbrücken ergibt den Laststrom. Bild 4 zeigt eine solche Konfiguration mit zwei »LTC6101«, die einen Differenzialausgang erzeugen, den ein A/D-Wandler direkt auswerten kann. Eine solche Schaltung eignet sich für Motoren in Fensterhebern, die Steuerung der Klimaanlage und andere umkehrbare Bewegungen.

Auch wenn der Einsatz eines »fliegenden» Messwiderstands wie in Bild 5 vielleicht effizienter scheint, kann dieser aber nicht alle Massefehler erkennen, und Gleichtakt-Durchführungsprobleme führen zu inakzeptabel schwacher Zeitbereichsgenauigkeit in PWM-Anwendungen. Aufgrund dieser Nachteile reicht das »fliegende« Schema zwar nicht für einen schnellen Schutz im Allgemeinen aus, aber mit Filtern kann es durchaus für ein Feedback für die Regelung geeignet sein (der Schutz würde dann getrennt eingebunden).

Eine dreiphasige Brücke ist eine einfache Erweiterung der H-Brückenschaltung, bei der eine weitere Halbbrücke hinzugefügt und die Schaltaktivität zeitlich neu eingestellt wird. Dreiphasenkreise sind bei bidirektionalen Stellgliedern mit hohem Drehmoment von Interesse, da sie Wellenformen erzeugen können, die mit einem bürstenlosen Wechselstrommotor vergleichbar sind. Wie bei der H-Brückenschaltung ist das praktischste Stromüberwachungsschema die High-Side-Messung, in diesem Fall mit drei Überwachungskreisen (Bild 6). Obwohl die Messverstärker nur auf die Ströme in der positiven Phase reagieren (die Wechselstrom-Wellenformen werden einfach gleichgerichtet), lassen sich deren Ausgangsspannungen weiter so bearbeiten, dass sie den Effektivstrom für Regelungszwecke darstellen (von besonderem Interesse ist, die Summe der drei Ausgänge den erforderlichen Filter zu minimieren). Über die immer sofort anstehenden Antworten lassen sich außerdem Fehler für jeden Halbbrückenabschnitt erkennen. Es gibt verschiedene Methoden, den erforderlichen Messwiderstand für verschiedene Überwachungskreise in einem Fahrzeug zu implementieren. Bei relativ geringen Lasten, die zumeist von einer zentralen Steuereinheit betrieben werden, lassen sich einfache oberflächenmontierte Bauteile einsetzen, die für die zu erwartenden Ströme ausgelegt sind. Leistungsverluste von bis zu 1 W lassen sich auf diese Weise mit einer großen Auswahl von Genauigkeitsvorgaben handhaben. Bei sehr genauen Anwendungen empfiehlt sich die Verwendung von Widerständen, die Kelvin-Anschlüsse mit vier Kontakten aufweisen. Dadurch beeinflussen die Lötkontakte die Genauigkeit nicht.