Sicher am Hang
Miniaturisierte Shunt-Technik von Isabellenhütte
Downsizing bleibt der zentrale Trend im Automotive-Bereich. Kleiner und kompakter zu sein bedeutet Platzersparnis, geringeres Gewicht und letztlich auch eine Reduzierung des Verbrauchs und der CO2-Emissionen.
Der Anspruch dabei: Miniaturisierung bei einer vergleichbar hohen Performance. Was das bedeutet, zeigt die Isabellenhütte Heusler hier am Beispiel eines FMx-Shunts in einer elektrischen Parkbremse.
Bereits vor einigen Jahren hat die Isabellenhütte Heusler, ein Spezialist für aktive Strommessung, die FMx-Reihe als Shunts auf den Markt gebracht. Sie sollte den genannten Forderungen nach Miniaturisierung entsprechen und gleichzeitig eine Lücke im Portfolio bei niederohmigen Widerstandswerten in kleineren Baugrößen schließen. Momentan besetzt die FMx-Reihe die Werte von 2 bis 6 Milliohm. Welche Einsatzmöglichkeiten diese Shunt-Reihe bietet, zeigt sich am Anwendungsbeispiel elektrische Parkbremse (EPB), die sich in neuen Fahrzeugen bis hin zur Kompaktklasse durchgesetzt hat.
In der Vergangenheit waren die üblichen traditionellen mechanischen Seilzugbremsen im Fahrzeug stets anfällig für Verschleiß und Ausfall. Seilzüge können durch Salzeinwirkung und Feuchte im Winter im Laufe der Jahre korrodieren und schließlich nicht mehr angemessen funktionieren. Eine Gefahr, die es bei der EPB nicht gibt. Zudem verspricht die elektrische Feststellbremse eine Gewichtsersparnis und trägt so zu einem verringerten CO2-Ausstoß bei. Nicht zuletzt spielt der Komfort eine Rolle: Es ist ein Unterschied, ob nur ein Knöpfchen zu drücken oder aber ein eher schwergängiger Hebel anzuziehen ist.
Bei einer elektrischen Parkbremse sind die Bremssättel seitlich mit einer Antriebseinheit versehen. Sie ist auf der Hinterachse platziert, bestehend aus einem Gleichstrommotor und einem Aktuator. Dieser wird über den Schalter im Innenraum aktiviert und fährt eine mechanische Spindel aus, die die Bremsbeläge gegen die Bremsscheiben an beiden Hinterreifen presst und so die Bremse schließt. Sollte das Bordnetz ausfallen, zum Beispiel bei niedrigen Temperaturen im Winter, steht das Fahrzeug dennoch sicher, da die EPB dank der mechanischen Spindel festgestellt ist. Das System ist somit auch kindersicher, denn solange die Zündung ausgeschaltet ist, lässt sich das Parksystem nicht wieder aktivieren.
Überwachung des Stromprofils per Shunt
Eine elektrische Parkbremse stellt ein sicherheitsrelevantes System dar, das absolut zuverlässig funktionieren muss. Nutzer müssen sich darauf verlassen können, dass das Bremssystem das Fahrzeug an einer abschüssigen Stelle hält. Um den zuverlässigen Betrieb auf Dauer sicherzustellen, ist beim Betätigen eine Überwachung des Stromprofils vonnöten.
Dazu dient ein Shunt; er muss die Stromaufnahme des Aktuators beim Anziehen und Lösen der Bremse sehr genau überwachen –konkret: das an dem Widerstand abfallende Spannungssignal an die Steuereinheit zurückmelden. In der Steuereinheit ist ein festes Stromprofil für den Anpressdruck der Bremse hinterlegt, das der Motor innerhalb bestimmter Grenzen immer abfahren muss. In diesem Kontext liefert der Shunt das entsprechende Feedback, ob die Grenzen eingehalten werden.
Würde der Motor beispielsweise einmal blockieren, würde die Steuereinheit ohne konkretes Feedback zum Stromprofil annehmen, dass die Bremsen angezogen wurden. Tatsächlich hätte jedoch nur der Motor blockiert, und die Bremsbeläge befänden sich nicht an den Bremsscheiben. Deshalb wird ein exaktes Feedback über den Motorstrom benötigt, und das über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.
FMK-Shunt: Platzverbrauch auf der Platine halbiert
Ein Kunde der Isabellenhütte, ein namhafter Automobilzulieferer, nutzte bisher für seine EPBs ein ISA-PLAN-Bauteil und arbeitet derzeit am Redesign seiner Parkbremse, in die nun ein kleineres, kompakteres Bauteil integriert werden soll. Letztlich entschied sich der Kunde in der Auslegung des Shunts für den FMK-V-R005, Baugröße 1206, durch den der Platzverbrauch auf der Platine mehr als halbiert wird.
Geringe Gesamtabweichung über Temperatur und Lebenszeit
Eine möglichst geringe Gesamtabweichung über die Lebenszeit ist die Hauptanforderung an einen Stromsensor. Das heißt: Er muss über seine gesamte Einsatzdauer bei identischen Stromprofilen stets dasselbe Signal liefern. Erschwert wird dieser Umstand durch die Einsatztemperaturen, die innerhalb der beschriebenen Anwendung sehr hoch sind. An der Kontaktstelle des Bauteils können Temperaturen bis zu 135 Grad Celsius auftreten.
Zurückzuführen ist dies auf zwei Faktoren: Zum einen auf die Eigenerwärmung des Bauteils beim aktiven Ausfahren der Bremse und zum anderen auf eine passive Erwärmung durch den Bremsvorgang an sich, da sich die gesamte Einheit direkt am Bremssattel befindet. Die hohen Temperaturen können zu einer Belastung der im Shunt verwendeten Materialien und damit zu einer Abweichung der elektrischen Werte führen. Dieses Verhalten ist beim FMK-V-R005 nur sehr schwach ausgeprägt – er weist eine geringe Drift und damit eine hohe Langzeitstabilität auf.
Hohe Pulslastfähigkeit
Eine weitere zentrale Anforderung ist eine hohe Pulslastfähigkeit, sodass der Shunt die entstandene Wärme im Hotspot gut abführen kann und so nur eine geringe Eigenerwärmung bewirkt. Beim Aktivieren der Parkbremse treten hohe Pulsströme auf: einmal in dem Moment, in dem der Aktuator anfährt, und dann in dem Moment, in dem die Bremse angezogen wird. Diese Pulse müssen schnell abgeführt werden, damit sich das System nicht überhitzt.
Mit der neuesten Widerstandsserie FMx stellt die Isabellenhütte niederohmige Bauteile zur Verfügung, die die Anforderungen noch besser erfüllen. Auf Basis der ISA-PLAN-Technologie war bisher bei 5 Milliohm Schluss. Durch die Full-Metal-Technologie, also eine Ausführung der FMx-Serie als Vollmetallplatte, werden nun auch Werte im Bereich von 6 bis 2 Milliohm bereitgestellt. Als Ergänzung zur bewährten Folientechnologie ISA-PLAN, bei der eine Folie aus Isabellenhüttes hauseigenen Widerstandslegierungen mittels eines Klebers auf einem Trägermaterial wie Kupfer aufgebracht ist, punkten die FMx-Widerstände mit einem massiven Aufbau, bestehend aus einer Vollmetallplatte des Widerstandsmaterials.
Im Anwendungsbeispiel soll als Stromsensor der FMK-V-R005, Baugröße 1206, zum Einsatz kommen, der aus der Widerstandslegierung Noventin gefertigt ist. Dank der Platte aus Vollmaterial und des geringen Wärmewiderstands (Rthi) kann der FMK höhere Pulse und damit kurze Überbelastungen sehr gut vertragen. Mit den seitlichen Anschlüssen, bestehend aus einer Lage Kupfer und Zinn als Finishing, werden die Bauteile direkt auf die Platine aufgelötet.
Mit diesem Design wird ein besonders robuster Aufbau erreicht. Dies hilft, bei kurzen Pulsen die Energie aufzunehmen, im Material zwischenzuspeichern und dann in Form von Wärme über die Kontakte abzuführen. Noventin selbst weist dabei besonders gute Temperatureigenschaften auf: Es ist extrem wärmestabil und verfügt über einen niedrigen Temperaturkoeffizienten. Dank Noventin liegt das Bauteil bei einer Langzeitstabilität von nur 0,3 Prozent Abweichung bei einer maximalen Temperatur von 135 Grad Celsius an der Kontaktstelle.
Qualifiziert nach AEC-Q200
Für die Qualifizierung nach der Automobilnorm AEC-Q200 wurde die Langzeitstabilität bei einer Temperatur von 140 Grad Celsius an der Kontaktstelle mit einer Dauer von über 2000 Stunden geprüft, was ungefähr der Bauteillebensdauer entspricht. Dabei lag die Drift bei weniger als ± 0,5 Prozent. Entsprechend dieser Qualifikation sind Stromsensoren der FMx-Reihe aufgrund ihrer hohen Präzision über die gesamte Lebensdauer außer für die elektrische Parkbremse für zahlreiche weitere Automotive-Applikationen wie Lichtanwendungen, DC-DC-Wandler oder Assistenzsysteme geeignet. Auch in Industrieanwendungen mit BLDC-Motoren in Powertools oder im Consumer-Bereich bei Weißer Ware können die niederohmigen Shunts zum Einsatz kommen eine deutliche Platzersparnis gegenüber bisherigen Lösungen bieten.
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