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Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Shunt- und Hall-basierte isolierte Strommesslösungen im Vergleich

22. November 2019, 11:30 Uhr | Von Krunal Maniar

Eine genaue Strommessung ist unabdingbar, wenn es um die Steuerung des Energieflusses und die Verbesserung des Wirkungsgrads in Antriebsstrang-Subsystemen elektrischer Fahrzeugegeht. Doch welche Methode eignet sich am besten? Shunt- und Hall-basierte Lösungen stehen zur Auswahl.

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Der Weltmarkt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge wächst stetig, denn im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Diesel- oder Benzinmotor zeichnen sie sich durch einen reduzierten Schadstoffausstoß aus und lassen sich mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen betreiben. Zur Steuerung des Energieflusses und zur Optimierung des Wirkungsgrads in den Antriebsstrang-Subsystemen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen, zu denen beispielsweise Traktionswechselrichter, Bordladegeräte,

Gleichspannungswandler und Batteriemanagement-Systeme (BMS) gehören, ist eine präzise Strommessung unabdingbar. Schließlich müssen die genannten Subsysteme hohe Ströme messen – und das bei hohen Spannungen von typisch über 400 V. Folglich verlangen diese Strommessungen nach Isolation und hoher Leistungsfähigkeit unter den rauen Einsatzbedingungen in Kraftfahrzeugen.

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Welche Methoden zur isolierten Strommessung gibt es?

Welche Methoden zur isolierten Strommessung gibt es? Bilder 1-4

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Jede einzelne Anwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen stellt individuelle Anforderungen, was die Kosten, die Genauigkeit, die Signalbandbreite, die Latenz, den Messbereich, die Isolationsklasse und den Platzbedarf angeht. Es stehen verschiedene Methoden zur isolierten Strommessung zur Auswahl. Allerdings kommen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen hauptsächlich Shunt-basierte Methoden mit isolierten Verstärkern (Bild 1) oder isolierten Modulatoren (Bild 2) sowie Hall-basierte Methoden mit ungeregelten (Bild 3) oder geregelten Hall-Sensoren (Bild 4) zum Einsatz.

Vergleich zwischen Shunt- und Hall-basierten Methoden

In der Vergangenheit wurden Shunt-basierte Methoden bevorzugt für niedrige Stromstärken (<50 A) verwendet, während man zur Messung hoher Ströme von über 50 A auf Hall-basierte Lösungen setzte. Wegen der wachsenden Ansprüche an die Messgenauigkeit gehen Automobilzulieferer allerdings insbesondere in Bereichen mit hohen Stromstärken zunehmend von Hall-basierten Methoden auf Shunt-basierte Verfahren über. Darüber hinaus besteht die Tendenz, Lösungen auf der Basis isolierter Verstärker zu verlassen und stattdessen Lösungen mit isolierten Modulatoren einzusetzen, um die Messgenauigkeit weiter zu steigern.

Von Texas Instruments gibt es isolierte Verstärker und isolierte Modulatoren, die in Kombination mit hochpräzisen Shunts dabei helfen, über den gesamten Temperaturbereich äußerst präzise Strommessungen vorzunehmen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die grundlegenden Unterschiede zwischen Shunt- und Hall-basierten isolierten Strommesslösungen für Automobilanwendungen mit hohen Stromstärken.

Analyse Shunt- und Hall-basierter Methoden

Shunt-basierte bringen im Vergleich zu Hall-basierten Methoden viele Vorteile mit sich, haben natürlich aber auch Nachteile:

Hall-Sensoren sind Prinzip-bedingt isoliert und machen somit eine Ein-Modul-Lösung möglich. Demgegenüber verlangen Shunt-basierte Lösungen nach einem isolierten Verstärker oder Modulator sowie nach einer isolierten Stromversorgung auf Seiten der hohen Gleichtaktspannung.
Shunt-basierte Lösungen punkten mit einem niedrigen Anfangs-Offset. Außerdem weisen sie eine geringere Offsetdrift über die Temperatur auf und sind weniger empfindlich gegen externe Magnetfelder.
Shunt-basierte Lösungen sind über den gesamten Spannungsbereich linear. Hall-basierte Lösungen dagegen sind nichtlinear, und zwar insbesondere im Bereich des Nulldurchgangs und in der Nähe des Sättigungsbereichs des Magnetkerns.
Shunt-basierte Lösungen bringen es verglichen mit Hall-basierten Implementierungen mit einer einmaligen grundlegenden Kalibrierung auf eine bessere DC-Genauigkeit über die Temperatur. Wegen der begrenzten Empfindlichkeit gegen externe Magnetfelder ist die Genauigkeit Shunt-basierter Lösungen insbesondere bei niedrigen Strömen höher.
Der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand hat Verluste und eine entsprechende Erwärmung zur Folge. Technische Verbesserungen an den Shunt-Widerständen haben jedoch dazu geführt, dass diese Bauelemente leichter geworden sind und niedrigere Widerstandswerte aufweisen, während sich die Genauigkeit und die Drift-Eigenschaften verbessert haben. Der Einsatz von Shunt-Widerständen mit niedrigen Widerstandswerten führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung. Hinzu kommt, dass die isolierten Verstärker und Modulatoren von Texas Instruments sehr kleine Eingangsspannungsbereiche besitzen (±50 mV und ±250 mV) und eine herausragende Genauigkeit bieten. Diese Verbesserungen an der Shunt-Technologie und die Verfügbarkeit isolierter Bauelemente mit kleinen Eingangsbereichen erlauben die Realisierung von Systemen, die weniger Wärme entwickeln, ohne dass Abstriche an der insgesamt erreichten Messgenauigkeit gemacht werden müssen.
Hall-basierte Sensoren sind generell durch einen begrenzten Betriebstemperaturbereich von typisch -40 bis +85 °C gekennzeichnet, während sich Shunt-basierte Lösungen für größere Temperaturbereiche – typisch –40 °C bis +125 °C – eignen.
Ähnlich ist bei Hall-basierten und Shunt-basierten isolierten Verstärkerlösungen die Signalbandbreite, die typisch bis zu einige hundert Kilohertz betragen kann. Isolierte Modulatoren aber erzeugen einen hochfrequenten Bitstrom am Ausgang, was dem Anwender die externe Implementierung und Anpassung digitaler Filterlösungen erlaubt. Dank dieser Möglichkeit der Individualisierung lassen sich Lösungen mit hoher Signalbandbreite und geringer Latenz realisieren.

Isolierte Shunt-basierte Messung des Stroms in Traktionswechselrichtern

Traktionswechselrichter steuern den Elektromotor an und sind damit ein entscheidender Bestandteil des Antriebsstrangs eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs. Sie verlangen nach hochgenauer Strommessung in der Gegenwart hoher Gleichtaktspannungen. Für die Strommessung in Traktions-wechselrichtern bieten sich zwei Shunt-basierte Methoden an.

Wie Bild 5 zeigt, wird der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand auf der »heißen« Seite mit der hohen Gleichtaktspannung mit einem Automotive-tauglichen, verstärkt isolierten Verstärker wie dem AMC1301-Q1 von der »kalten« Seite isoliert.

Bild 6 illustriert die zweite Shunt-basierte Messmethode auf der Basis eines ebenfalls Automotive-tauglichen, verstärkt isolierten Modulators wie des AMC1305M25-Q1. Mit diesem Baustein wird der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand auf der heißen Seite von der kalten Seite isoliert. Im Interesse einer höheren Messgenauigkeit sollte ein isolierter Modulator zum Einsatz kommen, denn diese Lösung ermöglicht den Verzicht auf eine zusätzliche A/D-Umsetzung mit den damit einhergehenden Fehlern. Der vom isolierten Modulator erzeugte hochfrequente Bitstrom wird mit einem FPGA oder einem Mikrocontroller beispielsweise aus der C2000-Familie von TI gefiltert. Diese Bausteine besitzen ein eingebautes Sigma-Delta-Filtermodul (SDFM). Auf diese Weise lassen sich die Signalbandbreite und die Genauigkeit vom Anwender genau abstimmen.

Perfekte Alternative

Für isolierte Strommessungen in den Subsystemen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen bieten sich mehrere Messverfahren, darunter Shunt-basierte und Hall-basierte Methoden an. In Anbetracht der Fortschritte im Bereich der bezahlbaren, hochpräzisen Shunt-Widerstände sowie bei den leistungsfähigen isolierten Verstärkern und Modulatoren stellen Shunt-basierte Lösungen inzwischen eine gute Alternative zu den traditionellen Hall-basierten Lösungen dar.

Der Autor

Krunal Maniar

ist Systemingenieur für die Präzisions-Analog-Digital-Umrichter von Texas Instruments. Zuvor war er im Unternehmen unter anderem als Validierungsingenieur und Testingenieur für das Precision ADC-Team tätig. Bevor er zu TI kam, absolvierte Krunal einen MSEE in Elektrotechnik an der Arizona State University.