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HV-Strom- und Spannungsmessung in Stromschienen
Innerhalb der HV-Komponenten von Elektrofahrzeugen müssen für Test, Validierung und Verifizierung die Ströme und Spannungen hochfrequent und mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Dieses Beispiel zeigt, wie Ströme und Spannungen in Stromschienen trotz des beengten Bauraumes gemessen werden können.
Hintergrund
In HV-Batterien werden für die Auslegung der Batterie und des Batterie-Management-Systems (BMS) Simulationen der Stromflüsse in den Stromschienen zwischen einzelnen Batteriemodulen verwendet. Diese Simulationen müssen natürlich auch im Einsatz unter realen Belastungen überprüft werden. Ebenso müssen, z. B. in integrierten E-Achsen, Ströme und Spannungen in den Stromschienen zwischen Inverter und Elektromotor für die Leistungsanalyse gemessen werden.
Herausforderung
Zur Ermittlung und Analyse der Stromflüsse in Stromschienen benötigt man Stromsensoren, die DC-, wie AC-seitig eingesetzt werden können, einen großen Messbereich abdecken, störunempfindlich und möglichst klein sind, um sie überhaupt verbauen zu können. Generell sind verschiedene Technologien und entsprechende Sensoren zur Strommessung verfügbar, die bekanntesten sind hierbei Fluxgate-Stromwandler, Halleffekt-Stromwandler, Rogowski-Spulen und Messshunts.
Die verwendete Messtechniklösung sollte sehr unempfindlich für mögliche Störungen sein, wodurch sich Messungen direkt in den Stromschienen anbieten. Nur so lassen sich genaue Messergebnisse für erzielen. Zudem wird durch den Verbau direkt in der Stromschiene der benötigte Platzbedarf für die Messtechnik minimiert. Aus diesem Grund bieten sich Messshunts für solche Messungen an.
Die Messungen sollen mit hohen Abtastraten (bis zu 1 MHz) durchgeführt werden, um auch kurze Stromspitzen zu erfassen und genaue Analysen im Nachgang zu ermöglichen.
CSM Messtechnik-Lösung
Kombiniert man Präzisions-Messshunts mit einer zusätzlichen Elektronik zu Shuntmodulen, ergeben sich daraus hochgenaue und sehr platzsparende Stromsensoren. Diese können Ströme konstanter Stromstärke messen und auch hochfrequente Stromspitzen, wie sie insbesondere zwischen Inverter und E-Maschine vorkommen.
Solche Shuntmodule werden seit längerem in Kombination mit einem HV Spannungsabgriff in den bekannten CSM HV Breakout-Modulen eingesetzt. Für den Einsatz an Messstellen, an denen für den Verbau der Messtechnik sehr wenig Platz zur Verfügung steht, wurde die bewährte Messtechnik der HV Breakout-Module in Form der HV BM Split Module aufgeteilt.
Die Strommessung erfolgt direkt in der Stromschiene mit einem einzelnen Shuntmodul – dem HV SBM_I open (SBM – Split-Breakout-Modul). In diesem sind Messshunt, Temperatursensor, Sensorelektronik und Sensorkabel HV-sicher vergossen. Die beiden Kupfer-Anschlussfahnen mit Bohrung können sehr einfach mit der Stromschiene verschraubt werden. Durch die Messung direkt in der Stromschiene sind die Effekte durch externe Felder, im Gegensatz zu den Magnetfeld- oder Halleffekt-basierenden Lösungen, gering: Pseudosignale, Hysterese-Effekte, systembedingtes Rauschen, Kennlinienverschiebung oder Offset-Fehler sind bei der CSM Shunt Technologie praktisch nicht vorhanden.
Mit den HV SBM_I open können Ströme bis ±1.000 A gemessen werden, wobei der Messbereich für die Erfassung von Stromspitzen bis ±2.000 A dimensioniert ist.
Über ein HV-sicheres und geschirmtes Sensorkabel werden permanent die analogen Strom-Messwerte und die Temperatur des Shunts für die Online-Temperaturkompensation übertragen. Weiterhin erfolgt über dieses Sensorkabel die Versorgung der Sensorelektronik und die Bereitstellung der HV-Spannung (HV-). Der genaue Typ des Shuntmoduls und die Kalibrierdaten sind jederzeit auslesbar.
Das Sensorkabel wird an ein Messmodul HV SAM (SAM – Split-Acquisition-Modul) angeschlossen. Das HV SAM kann an einer geeigneten Stelle außerhalb des Hochvolt-Bauraumes installiert werden. Dieses Messmodul führt die galvanische Trennung, Filterung und AD Wandlung, Online-Verrechnung und die Protokollumsetzung durch.
Am HV SAM kann ebenfalls das Sensorkabel für einen Spannungsabgriff (HV+) eingesteckt werden. Das Messmodul HV SAM gibt die Messwerte von Strom und Spannung mit bis zu 1 MHz Senderate über EtherCAT® aus, z.B. zur Weiterverarbeitung mit Software aus dem Vector CSM E-Mobility-Messsystem. Gleichzeitig können die Strom- und Spannungswerte sehr einfach über CAN-Bus abgegriffen werden. Über CAN-Bus stehen dem Anwender zusätzlich noch die hochpräzise berechneten Effektivwerte von Strom und Spannung sowie Wirkleistung, Scheinleistung, Blindleistung und Leistungsfaktor zur Verfügung.
Über ein XCP-Gateway werden die EtherCAT®-Daten auf XCP-on-Ethernet umgesetzt und an den Messrechner weitergegeben. Über das XCP-Gateway lassen sich einfach weitere Messmodule zur Erfassung zusätzlicher Messgrößen, wie z. B. Temperaturen in den Stromschienen, einbinden und synchronisieren.
Vorteile
Mit den HV SBM_I open können Ströme in den Stromschienen, z. B. in HV-Batterien und E-Achsen. direkt gemessen werden. Dabei werden kleine und auch sehr hohe Ströme und soweit erforderlich mit hoher Abtastrate gemessen. Die Shunt-basierte Messung reduziert in Verbindung mit der speziellen Shunt-Elektronik die Auswirkungen von externen Feldern (Pseudosignale, Hysterese-Effekte, systembedingtes Rauschen, Kennlinienverschiebung oder Offset-Fehler). Dadurch liegen sehr präzise Messergebnisse für die weitere Analyse vor.
Die HV BM Split Module sind Bestandteile des Vector CSM E-Mobility Messsystems. Sie erweitern dieses dezentrale und einfach skalierbare Messsystem um HV Strom- und Spannungsmessungen in beengten Fahrzeugbauräumen zur E-Mobility online Analyse mit CANape und vMeasure Exp.
Je nach Anwendungsfall (verfügbarem Bauraum) kommen unterschiedliche Sensoren der HV BM Split Module zum Einsatz und erlauben Messungen an eng verbauten HV-Nebenverbrauchern wie Kompressoren, Pumpen, Konvertern oder Bremswiderständen.
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