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Mehr Präzision für Elektromobilität

Strommessung im Antrieb von E-Autos

13. September 2021, 14:09 Uhr   |  Autor: Jasmin Asi; Redaktion: Irina Hübner

Strommessung im Antrieb von E-Autos
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Die Miniaturisierung führt bei Invertern für die Kontrolleinheit des Elektromotors zu höheren Schaltfrequenzen. Dadurch steigt der Einfluss der parasitären Induktivität. Niederinduktive Shunts sorgen für die höchstmögliche Präzision bei der Messung des Antriebsstroms.

Batteriebetriebene elektrische Fahrzeuge gelten aktuell als Basis für die Mobilität der Zukunft. Ihr Konzept ist so einfach wie alt: Eine Batterie speichert die elektrische Energie und treibt damit einen Elektromotor an, der das Fahrzeug in Bewegung setzt. Ziel moderner Technologien ist es, die Effizienz des Antriebs – und damit auch die Reichweite des Fahrzeugs – zu steigern. Gleichzeitig soll die Ladezeit der Batterie möglichst kurz sein.

Weil sie wartungs- sowie nahezu verschleißfrei sind und sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnen, finden in aktuellen Elektroautos größtenteils bürstenlose Drehstrommotoren Anwendung. Um den Motor anzusteuern, ist eine Leistungselektronik erforderlich, denn die Batterie liefert ihre Energie in Form von Gleichstrom. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Antriebssystems.

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Bild 1. Schematische Darstellung eines Elektroantriebs für ein batteriebetriebenes Elektroauto. 

Die Leistungselektronik besteht in diesem Fall aus einem Invertermodul, das den Gleichstrom in drei Phasen umwandelt. Bisher kamen hierfür vor allem IGBTs zum Einsatz, also Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode auf Silizium-Basis. Eine Spule, die auf die Eigenschaften des Inverters ausgelegt ist, dient als Output-Filter. 

Ansätze zur Miniaturisierung

Im Zuge der Reichweitenoptimierung wird versucht, so viel Gewicht wie möglich einzusparen. Durch höhere Batteriespannungen lassen sich beispielsweise geringere Drahtquerschnitte verwenden. Für die Miniaturisierung der Elektronik bietet die Siliziumkarbid- (SiC) Technologie die Möglichkeit zu höheren Schaltfrequenzen und geringeren Schaltverlusten bei kleinerer Bauweise. Die höheren Schaltfrequenzen bieten außerdem den Vorteil, dass kleinere passive Komponenten verwendet werden können, also auch eine kleinere Spule im Output-Filter.

Damit die Motorsteuerung den Motorstrom sinnvoll regeln kann, benötigt sie den aktuell fließenden Strom als Eingangsparameter. Dieser muss daher permanent gemessen werden. Die genauesten Ergebnisse liefert ein Strommesswiderstand (Shunt). Am häufigsten finden hierfür sogenannte Metal-Plate-Shunts im Bereich Milliohm bis Mikroohm Anwendung. Sie bestehen meist aus einer Metalllegierung und sind für besonders hohe Ströme geeignet. Das Messprinzip ist recht einfach: Fließt ein Strom, gibt es über dem Widerstand einen messbaren Spannungsabfall. Aufgrund des bekannten Ohmwertes und der gemessenen Spannung lässt sich mithilfe des Ohm’schen Gesetzes der Strom errechnen.

In der Realität gibt es jedoch verschiedene Einflussfaktoren, die zu einem abweichenden Messergebnis führen können, wenn sie von Vornherein nicht beachtet und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bei hochfrequenten Strömen spielt die parasitäre Induktivität diesbezüglich die größte Rolle. Sie induziert bei einer Stromänderung eine elektromotorische Kraft, auch Urspannung genannt. Diese wird umso größer, je stärker die Stromänderung über einen gewissen Zeitraum ausfällt bzw. je kürzer der Zeitraum für die Stromänderung ist. Bild 2 zeigt einen typischen Strom- und Spannungsverlauf über einem Widerstand mit größerer parasitärer Induktivität.

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Bild 2. Elektrische Spannung und Strom über einem Shunt mit 50 mΩ und 10 nH. (Bild: KOA Europe)

Da mit dem Shunt die Spannung gemessen werden soll, ist die erzeugte Urspannung möglichst gering zu halten, um den Messfehler zu minimieren. Je höher die Schaltfrequenz, desto höher ist auch der Einfluss der parasitären Induktivität. Deshalb sind insbesondere bei SiC-basierten Invertern niederinduktive Shunts gefragt, die eine präzise Messung des Stroms sicherstellen.

Alternativ ist es auch möglich, einen höheren Ohmwert zu wählen, sodass sich der Einfluss der parasitären Induktivität auf den messbaren Spannungsabfall verringert, da das Signal dann insgesamt größer wird. Das führt jedoch wieder zu höheren Verlusten durch eine erhöhte Leistungsaufnahme. Es ist also vorteilhafter, einen Shunt mit besonders geringer parasitärer Induktivität zu wählen. Dadurch zeichnen sich insbesondere flache SMD- (Surface Mount Device) Metal-Plate-Shunts dank ihrer Bauform und Material­­auswahl aus.  

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Als Initialtoleranz für Strommesswiderstände hat sich der Wert von ±1 % durchgesetzt. Um diesen Wert bei der Produktion zu gewährleisten, muss der Widerstand abgeglichen werden. Verfahren, die auf Einschnitte in das Widerstands­element verzichten, liefern hierbei die besten Ergebnisse. Rutronik bietet mit den Serien TLR und PS von KOA Europe zwei besonders niederinduktive Shunt-Serien an. Die TLR-Serie kommt für den Abgleich des Ohmwertes komplett ohne Einschnitte in das Material aus und erreicht damit parasitäre Induktivitätswerte im Bereich von 0,1 nH. Die PS-Serie ist für deutlich größere Ströme bis 244 A ausgelegt. Sie weist etwas höhere Induktivitätswerte auf, diese liegen aber dennoch deutlich unter 1 nH. Damit eignen sich die Bauteile beider Serien hervorragend für die Strommessung von Elektromotoren in E-Autos, insbesondere wenn SiC-basierte oder andere hochfrequente Inverter verwendet werden. (ih)

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Die Autorin Jasmin Asi arbeitet seit 2016 bei Rutronik. Sie ist Product Sales Manager Resistors bei Rutronik und damit Expertin, wenn es um Widerstände geht. In ihrem Studium der Volkswirtschaftslehre  fokussierte sie sich unter anderem auf die Bereiche Supply Chain Management und Strategy Management.

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