Einführung

Der weltweite Markt für Elektrofahrzeuge (EVS) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) w?chst rasant, da diese Fahrzeuge im Vergleich zu Benzin- oder Dieselfahrzeugen eine h?here 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 Ladeger?ten (OBCs), DC/DC-Wandlern und Batteriemanagementsystemen (BMS) ist eine pr?zise und genaue Strommessung unverzichtbar. Diese Hochspannungssubsysteme müssen gro?e Str?me 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 Geh?usegr??e. Es gibt mehrere Methoden zur isolierten Strommessung. Allerdings sind die prim?ren Methoden, die in HEV/EV-Subsystemen verwendet werden, entweder Shunt-basierte mit isolierten Verst?rkern (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 L?sungen für Messungen mit niedrigem Strom (<50 A) und Hall-basierte L?sungen 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 L?sungen auf der Basis isolierter Verst?rker zu L?sungen auf der Basis isolierter Modulatoren zu wechseln, um die Messgenauigkeit weiter zu verbessern.

Texas Instruments bietet klassenbeste isolierte Verst?rker und isolierte Modulatoren, die in Kombination mit hochpr?zisen Shunts dazu beitragen, sehr genaue isolierte Strommessungen über die Temperatur zu erreichen. Tabelle 1 zeigt die grundlegenden Unterschiede zwischen Shunt- und Hall-basierten isolierten Strommessl?sungen in Hochstrom-Automobilumgebungen.

Analyse von Shunt- und Hall-basierten Methoden

• Hall-Sensoren sind von Natur aus isoliert, was einen Ansatz mit nur einem Modul erm?glicht. Auf der anderen Seite ben?tigen Shunt-basierte L?sungen einen isolierten Verst?rker oder Modulator und eine isolierte Stromversorgung für die Seite mit hoher Gleichtaktspannung.
• Shunt-basierte L?sungen weisen einen sehr geringen anf?nglichen Offset auf, weisen eine geringere Offset-Drift über die Temperatur auf und sind weniger anf?llig für externe Magnetfelder.
• Shunt-basierte L?sungen sind im Vergleich zu Hall-basierten L?sungen, die nicht linear sind, über den gesamten Spannungsbereich linear. Dies gilt insbesondere für den Nulldurchgang und in der N?he des S?ttigungsbereichs des Magnetkerns.
• Shunt-basierte L?sungen erzielen eine bessere DC-Genauigkeit über den Temperaturbereich im Vergleich zu Hall-basierten L?sungen mit einfacher Einzeitkalibrierung. Die Genauigkeit von Shunt-basierten L?sungen ist insbesondere bei niedrigen Str?men aufgrund der begrenzten Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern viel besser.
• Der Spannungsabfall am Inline-Shunt führt zu W?rmeableitung 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 W?rmeableitung. Darüber hinaus unterstützen die isolierten Verst?rker 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 erm?glichen Systemen eine geringere W?rmeableitung ohne Kompromisse bei der Gesamtmessgenauigkeit.
• Hall-Sensoren haben in der Regel einen begrenzten Betriebstemperaturbereich (normalerweise von –40 bis +85 Grad Celsius), w?hrend Shunt-basierte L?sungen h?here Betriebstemperaturbereiche (typischerweise von –40 bis +125 Grad Celsius) unterstützen k?nnen.
• Sowohl Hall-basierte als auch Shunt-basierte isolierte Verst?rkerl?sungen bieten eine ?hnliche 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 erm?glicht es dem Benutzer, L?sungen 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 k?nnen daher mit einer von zwei Shunt-basierten Methoden durchgeführt werden.

Abbildung 5 Zeigt den Spannungsabfall über den Shunt auf der hei?en (hohen Gleichtaktspannung) Seite ist von der kalten Seite mit einem für die Automobilindustrie geeigneten, verst?rkten isolierten Verst?rker wie dem AMC1301-Q1 isoliert.

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

Abbildung 5 Isolierte Strommessung mit isolierten Verst?rkern

Abbildung 6 Isolierte Strommessung mit isolierten Modulatoren

Um die Messgenauigkeit zu verbessern, verwenden Sie einen isolierten Modulator, da diese L?sung eine zus?tzliche 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, einschlie?lich Shunt-basierter und Hall-basierter Methoden. Mit Fortschritten bei erschwinglichen hochpr?zisen Shunts und hochleistungsf?higen isolierten Verst?rkern und Modulatoren sind Shunt-basierte L?sungen zu einer guten Alternative zu herk?mmlichen Hall-basierten L?sungen geworden.