Suchen

Dunkelstrom-Messung in Telematik-Anwendungen für den Automobilsektor

| Autor / Redakteur: Dan Harmon / Benjamin Kirchbeck

Wenn ein Fahrzeug längere Zeit steht, kann der eigentlich geringe Stromverbrauch zum Problem werden. Der verbrauchte Strom wird als „dark current“ (Dunkelstrom) bezeichnet. Will man sicherstellen, dass die Batterie auch nach längerer Standzeit genügend Reserven bereithält, muss man also wissen, wie viel Energie die Kommunikation bei abgeschaltetem Fahrzeug verbraucht.

Firmen zum Thema

Typische Optionen für die Vehicle-to-World-Konnektivität.
Typische Optionen für die Vehicle-to-World-Konnektivität.
(Bild: TI )

Heutige Kraftfahrzeuge enthalten mehr Intelligenz und Konnektivität als unsere Mobiltelefone vor wenigen Jahren. Sie befinden sich in nahezu konstanter Kommunikation mit der Welt, sei es über subskriptionsbasierte Kommunikationsdienste oder über eingebaute Mobilfunk-Funktionalität. In der Zukunft kommt zusätzlich die Kommunikation von Fahrzeug zu Fahrzeug (Vehicle-to-Vehicle) hinzu. Gesteuert wird die Kommunikation mit der Außenwelt von der Telematics Control Unit (TCU).

Neben der während der Fahrt ablaufenden Kommunikation gibt es noch einen Bedarf an Kommunikation während der Zeiten, in denen das Fahrzeug abgeschaltet ist. Hierbei wird beispielsweise Firmware heruntergeladen oder es werden Diagnosedaten in die Cloud hochgeladen oder Meldungen von Ortungsdiensten entgegengenommen.

Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor bedeutet die bei abgeschaltetem Fahrzeug stattfindende Kommunikation stets eine Belastung für die Batterie. Unkritisch mag es bei einem Elektrofahrzeug, das gerade geladen wird, aber bei einem nicht an eine Ladestation angeschlossenen Elektrofahrzeug können sich die gleichen Probleme einstellen wie bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.

Die Methoden, mit denen der Stromverbrauch bei stehendem Fahrzeug überwacht wird, unterscheiden sich von einem Fahrzeug zum anderen. Oftmals wird schlicht die Zahl der ausgeführten Kommunikations-Sequenzen gezählt. Hat diese Zahl einen bestimmten Wert erreicht, reduziert die TCU die Häufigkeit der Kommunikationsvorgänge und stellt sie schließlich ganz ein, um den Ladezustand der Batterie zu erhalten. Diese Methode bewährt sich, solange alle Kommunikationsvorgänge denselben Energieverbrauch aufweisen.

Wenn jedoch verschiedene Kommunikations-Prozesse unterschiedlich viel Strom verbrauchen, kann es vorteilhafter sein, den tatsächlichen Verbrauch zu messen, um bessere Informationen darüber zu bekommen, wieviel Energie der Batterie entnommen wurde. Beim Messen dieses Stroms ergeben sich jedoch zwei Haupt-Herausforderungen:

  • Das Telematiksystem ist mit großer Wahrscheinlichkeit direkt an das 12-V-Bordnetz angeschlossen, was in vielen Fahrzeugen eine Beständigkeit gegen Überspannungen bis zu 40 V voraussetzt.
  • Die Tatsache, dass die zu messenden Ströme häufig im zweistelligen Milliamperebereich liegen, stellt für viele Strommess-Techniken eine Herausforderung dar, besonders wenn auch normale, im zweistelligen Amperebereich liegende Ströme gemessen werden müssen.

Typisches System-Blockschaltbild für eine TCU mit integrierter eCall-Funktionalität. Hervorgehoben dargestellt ist die Diagnose-Stromüberwachung der Eingangsleitung vom 12-V-Bordnetz.
Typisches System-Blockschaltbild für eine TCU mit integrierter eCall-Funktionalität. Hervorgehoben dargestellt ist die Diagnose-Stromüberwachung der Eingangsleitung vom 12-V-Bordnetz.
(Bild: TI )

Für die meisten Strommessverstärker stellt die Forderung, einen Dynamikbereich von vier Dekaden abzudecken, eine echte Herausforderung dar. Als Beispiel kann man die folgenden Spezifikationen annehmen:

Bidirektionale Strommessung

Maximal zu messender Strom: ±10 A

Minimal zu messender Strom: ±10 mA

– Gleichtaktspannung: 12 V (VBATT)

– Versorgungsspannung: 5 V

– INA186A1-Q1 mit einer Verstärkung von 25 V/V

Der Spannungshub am Ausgang beträgt somit fast die Hälfte der Versorgungsspannung (2,46 V – weitere Informationen über die bidirektionale Strommessung finden Sie in Abschnitt 7.4.3 des Datenblatts des INA186A1-Q1). Um den idealen Wert des Shunt-Widerstands zu berechnen, geht man davon aus, dass 10 A genau 2,46 V ergeben. Bei einer Verstärkung von 25 entspricht dies einer Eingangsspannung von 98,4 mA, sodass der ideale Shunt-Widerstand einen Widerstandswert von 9,84 mΩ hätte. In der Realität würde man allerdings zu einem geringfügig kleineren Widerstandswert greifen, um sicherzustellen, dass der Ausgang bei verschiedenen Betriebsbedingungen und Shunt-Schwankungen nicht in die Sättigung gerät.

Für die Fehlerberechnung setzt man auf die Root-Sum-Square-Methode. Eine erste Berechnung unter Berücksichtigung der vier Fehlerquellen Offset, Verstärkungsfehler, Gleichtaktunterdrückung und Versorgungsspannungs-Unterdrückung ergibt die in der nachfolgenden Tabelle für zwei extreme Ströme dargestellten Fehler.

Erste Berechnung des idealen Shunt-Widerstandswerts und der Fehler für eine typische Dunkelstrom-Messanwendung an einer TCU .
Erste Berechnung des idealen Shunt-Widerstandswerts und der Fehler für eine typische Dunkelstrom-Messanwendung an einer TCU .
(Bild: TI )

Wie man sieht, beträgt der Fehler bei 10 mA mehr als 50 %, was für diese Anwendung zuviel sein kann. Um den Fehler bei niedrigen Strömen zu verbessern, ist ein Verstärker mit besserem Offset erforderlich. Mit dem in der Tabelle aufgeführten INA190-Q1 steht ein 1:1 pinkompatibles, größere Genauigkeit bietendes Upgrade für den INA186-Q1 zur Verfügung. Des Weiteren müssen die Verlustleistung des Systems und die Kosten des Shunt-Widerstands bekannt sein. Bei einem Maximalstrom von 10 A und einem Shunt-Widerstand von 9,84 mΩ beträgt die maximale Verlustleistung knapp 1 W. Wenn man den größeren Fehler bei niedrigen Strömen hinnehmen kann, kann es einfacher sein, anstelle des ursprünglichen 9,84-mΩ-Shunts einen kosteneffektiveren Shunt-Widerstand von 4,92 mΩ mit 0,5 W Verlustleistung zu verwenden. Da sich allerdings der Spannungsabfall beim minimalen Strom halbiert, nimmt der Fehler bei geringen Strömen zwangsläufig zu.

Je intensiver die bei abgestelltem Fahrzeug stattfindende Kommunikation wird, umso wichtiger ist es, dafür zu sorgen, dass die Fahrzeugbatterie stets genügend Ladung zum Anlassen des Motors behält. Präzises Messen des verbrauchten Stroms ist eine Möglichkeit, diese Funktionalität in Fahrzeugen umzusetzen.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46600482)