Einführung

Der weltweite Markt für Elektrofahrzeuge (EVS) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) wächst rasant, da diese Fahrzeuge im Vergleich zu Benzin- oder Dieselfahrzeugen eine höhere Kraftstoffeffizienz und geringere Emissionen bieten und Strom aus erneuerbaren Energiequellen nutzen. Zur Steuerung des Energieflusses und zur Optimierung der Effizienz von HEV/EV-Antriebsstrang-Subsystemen wie Traktionswechselrichtern, fahrzeuginternen Ladegeräten (OBCs), DC/DC-Wandlern und Batteriemanagementsystemen (BMS) ist eine präzise und genaue Strommessung unverzichtbar. Diese Hochspannungssubsysteme müssen große Ströme bei hohen Spannungen, typischerweise > 400 V, messen. Daher erfordern diese Strommessungen sowohl eine Isolierung als auch eine hohe Leistung in rauen Automobilumgebungen.

Verschiedene Isolierte Strommessverfahren

Jede HEV/EV-Anwendung hat unterschiedliche Kosten, Genauigkeit, Signalbandbreite, Latenz, Messbereich, Isolationswerte und Anforderungen an die Gehäusegröße. Es gibt mehrere Methoden zur isolierten Strommessung. Allerdings sind die primären Methoden, die in HEV/EV-Subsystemen verwendet werden, entweder Shunt-basierte mit isolierten Verstärkern (Abbildung 1) oder isolierte Modulatoren (Abbildung 2) oder Hall-basierte mit Open-Loop- (Abbildung 3) oder Closed-Loop- (Abbildung 4) Hall-Sensoren.

Vergleich von Shunt- und Hall-basierten Methoden

Früher haben die Entwickler Shunt-basierte Lösungen für Messungen mit niedrigem Strom (<50 A) und Hall-basierte Lösungen für Messungen mit hohem Strom (>50 A) bevorzugt. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Genauigkeit von Strommessungen migrieren Automobilzulieferer jedoch von Hall-basierten zu Shunt-basierten Methoden, insbesondere in Hochstromanwendungen. Sogar unter Automobilherstellern gibt es den Trend, von Lösungen auf der Basis isolierter Verstärker zu Lösungen auf der Basis isolierter Modulatoren zu wechseln, um die Messgenauigkeit weiter zu verbessern.

Texas Instruments bietet klassenbeste isolierte Verstärker und isolierte Modulatoren, die in Kombination mit hochpräzisen Shunts dazu beitragen, sehr genaue isolierte Strommessungen über die Temperatur zu erreichen. Tabelle 1 zeigt die grundlegenden Unterschiede zwischen Shunt- und Hall-basierten isolierten Strommesslösungen in Hochstrom-Automobilumgebungen.

Analyse von Shunt- und Hall-basierten Methoden

• Hall-Sensoren sind von Natur aus isoliert, was einen Ansatz mit nur einem Modul ermöglicht. Auf der anderen Seite benötigen Shunt-basierte Lösungen einen isolierten Verstärker oder Modulator und eine isolierte Stromversorgung für die Seite mit hoher Gleichtaktspannung.
• Shunt-basierte Lösungen weisen einen sehr geringen anfänglichen Offset auf, weisen eine geringere Offset-Drift über die Temperatur auf und sind weniger anfällig für externe Magnetfelder.
• Shunt-basierte Lösungen sind im Vergleich zu Hall-basierten Lösungen, die nicht linear sind, über den gesamten Spannungsbereich linear. Dies gilt insbesondere für den Nulldurchgang und in der Nähe des Sättigungsbereichs des Magnetkerns.
• Shunt-basierte Lösungen erzielen eine bessere DC-Genauigkeit über den Temperaturbereich im Vergleich zu Hall-basierten Lösungen mit einfacher Einzeitkalibrierung. Die Genauigkeit von Shunt-basierten Lösungen ist insbesondere bei niedrigen Strömen aufgrund der begrenzten Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern viel besser.
• Der Spannungsabfall am Inline-Shunt führt zu Wärmeableitung und Leistungsverlust. Allerdings sind mit Verbesserungen der Shunt-Technologie die Shunts leichter geworden, die ohmschen Werte sind gesunken und die Genauigkeit und das Driftverhalten wurden verbessert. Die Verwendung von niederohmigen Shunts führt zu einer geringeren Wärmeableitung. Darüber hinaus unterstützen die isolierten Verstärker und Modulatoren von Texas Instruments sehr kleine Eingangsspannungsbereiche (±50 mV und ±250 mV) mit einer überlegenen Gesamtgenauigkeit. Diese Verbesserungen der Shunt-Technologie und die Verfügbarkeit von isolierten Bausteinen mit kleinem Eingangsbereich ermöglichen Systemen eine geringere Wärmeableitung ohne Kompromisse bei der Gesamtmessgenauigkeit.
• Hall-Sensoren haben in der Regel einen begrenzten Betriebstemperaturbereich (normalerweise von –40 bis +85 Grad Celsius), während Shunt-basierte Lösungen höhere Betriebstemperaturbereiche (typischerweise von –40 bis +125 Grad Celsius) unterstützen können.
• Sowohl Hall-basierte als auch Shunt-basierte isolierte Verstärkerlösungen bieten eine ähnliche Signalbandbreite, in der Regel bis zu einigen Hundert Kilohertz (kHz). Isolierte Modulatoren bieten jedoch einen Hochgeschwindigkeits-Bitstrom-Ausgang, mit dem der Benutzer digitale Filterung extern implementieren und anpassen kann. Diese Anpassung ermöglicht es dem Benutzer, Lösungen mit hoher Signalbandbreite und geringer Latenz zu entwickeln.

Referenzdesign für isolierte, shunt-basierte Stromerkennung

Ein Traktionsinverter steuert den Elektromotor und ist eine Schlüsselkomponente im HEV/EV-Antriebsstrang. Ein Traktionsinverter erfordert eine genaue Strommessung bei hohen Gleichtaktspannungen. Strommessungen in Traktionsumrichtern können daher mit einer von zwei Shunt-basierten Methoden durchgeführt werden.

Abbildung 5 Zeigt den Spannungsabfall über den Shunt auf der heißen (hohen Gleichtaktspannung) Seite ist von der kalten Seite mit einem für die Automobilindustrie geeigneten, verstärkten isolierten Verstärker wie dem AMC1301-Q1 isoliert.

Abbildung 6 Zeigt die zweite Shunt-basierte Messmethode, bei der ein verstärkter isolierter Modulator mit Automobilzulassung wie der AMC1305M25-Q1 verwendet wird, um den Spannungsabfall über den Shunt auf der heißen Seite von der kalten Seite zu isolieren.

Abbildung 5 Isolierte Strommessung mit isolierten Verstärkern

Abbildung 6 Isolierte Strommessung mit isolierten Modulatoren

Um die Messgenauigkeit zu verbessern, verwenden Sie einen isolierten Modulator, da diese Lösung eine zusätzliche Analog-Digital-Wandlungsstufe und die damit verbundenen Fehler eliminiert. Der Hochgeschwindigkeits-Bitstrom-Ausgang der isolierten Modulatoren wird von Mikrocontrollern (MCUs) wie der C2000-Familie von TI, die über ein integriertes Sigma-Delta-Filtermodul (SDFM) verfügen, oder von einem FPGA gefiltert, wodurch der Benutzer die Signalbandbreite und -Genauigkeit feinabstimmen kann.

Empfehlungen für isolierte Bausteine für die Automobilindustrie

Fazit

Für die isolierte Strommessung in HEV/EV-Subsystemen gibt es mehrere Messmethoden, einschließlich Shunt-basierter und Hall-basierter Methoden. Mit Fortschritten bei erschwinglichen hochpräzisen Shunts und hochleistungsfähigen isolierten Verstärkern und Modulatoren sind Shunt-basierte Lösungen zu einer guten Alternative zu herkömmlichen Hall-basierten Lösungen geworden.