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Energiemanagment

Ladezustandsanzeige im Elektroroller implementieren

10. Januar 2013, 13:22 Uhr | Gernot Hehn und Manfred Brandl

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Hohe Genauigkeit bei Strom-, Spannungs- und Temperaturmessung

Das Sensorschnittstellen-IC misst die Gesamtspannung und die Spannung der einzelnen Akkus, den Batteriestrom und die Temperatur am negativsten Batteriepol. Über die Strommessung und deren Abtastrate kann die Ladungsmenge, die in die sowie aus der Batterie fließt, genau berechnet werden. Durch die gleichzeitige Erfassung von Strom- und Spannungsänderungen beim Betrieb mit einer dynamischen Last besteht darüber hinaus die Möglichkeit zur Berrechnung des Innenwiderstandes der Batterie als Anhaltspunkt über den Gesundheitszusatnd der Batterie.

Die Strommessung erfolgt über einen Hochstrom-Shunt von 100 μΩ. Die analogen Eigenschaften des AS8510 – er hat praktisch keinen Offset und liefert ein intrinsisch lineares Ausgangssignal mit niedrigem Rauschen – sorgen dafür, dass das System präzise Messungen in einem Strombereich von ±2,5 mA bis ±1.500 A liefert. Dieser Dynamikbereich ist für die hier beschriebene Anwendung ausreichend.

Der Baustein verfügt über zwei unabhängige 16-bit-Datenerfassungskanäle, die durch denselben internen RC-Präzisionsoszillator getaktet werden, um den Strom am Shunt und die Batteriespannung synchron zu erfassen. Der Spannungskanal hat einen eingebauten Multiplexer zur Umschaltung der Messung von Batteriespannung auf zwei weitere Kanäle, die beispielsweise für weitere externe Temperatursensoren genutzt werden können.

Die Schaltung zur Strommessung besteht aus dem Shunt, der das Messsignal über ein optionales Tiefpassfilter an die Sensorschnittstelle übergibt, wo es um den Faktor 25 verstärkt wird.

Eine Anforderung an diese Applikation ist die getrennte Messung der Einzelspannungen aller vier Akkus. Bei dieser Referenzschaltung wird der Spannungsmesszweig über einen externen analogen Multiplexer zwischen den vier in Reihe geschalteten Akkus und dem internen Temperaturkanal umgeschaltet. Hierzu dienen vier Präzisionsspannungsteiler, die über vier vom Mikrocontroller gesteuerte diskrete FET-Schalter durchverbunden werden.

Der Sensor misst den Batteriestrom mit einer Sample-Rate von 1 ms und die vier Spannungsabgriffe mit Nennspannungen von 12, 24, 36 und 48 V nacheinander, ebenfalls in Intervallen von 1 ms, und das synchron zur Strommessung.

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Die übrige Schaltung (Bild 3) besteht aus:

einer Eingangsschutzschaltung aus zwei Dioden und einem Kondensator zur Unterdrückung energiereicher Impulse auf der Versorgungsleitung,
der Sensor-Spannungsversorgung: einem Linearregler AS1360, der mit 12 V gespeist wird. Ein Elektroroller verfügt gewöhnlich über einen Gleichspannungswandler zur Versorgung der 12-V-Verbraucher.
einer LED-Anzeige zur Anzeige des Betriebsstatus und
Anschlüsse für die Programmierschnittstelle des Mikrocontrollers und das Display.

Der Betriebsstrom des Sensors beträgt 8 mA und geht im Standby-Stromüberwachungsmodus auf minimale 100 μA zurück.

Wie oben gezeigt ist das analoge Frontend eine integrierte Lösung für genaue Spannungs-, Strom- und Temperaturmessungen an allen vier Akkus. Diese Signale müssen jedoch noch aufbereitet werden, bevor sie dem Fahrer als aussagefähige Ladezustandsanzeige zur Verfügung stehen können. Dafür hat ams zwei Sätze an Firmware entwickelt.