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Faser-Bragg-Gitter: Gefahrlos Temperaturen in einem Elektrofahrzeug übertragen

| Autor / Redakteur: Martin Riedel * / Hendrik Härter

Konsequent getrennt: Die Hochvolt-Umgebung in einem Elektrofahrzeug lässt sich mit Faser-Brigg-Technik trennen. So lassen sich Temperaturen ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und Kosten gefahrlos erfassen.
Konsequent getrennt: Die Hochvolt-Umgebung in einem Elektrofahrzeug lässt sich mit Faser-Brigg-Technik trennen. So lassen sich Temperaturen ohne zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und Kosten gefahrlos erfassen. (Bild: imc)

Werden Temperaturen mit faseroptischer Sensorik gemessen, ist die gefährliche Hochvolt-Umgebung komplett von Bediener und Messtechnik getrennt. Ein Ansatz basiert auf dem Faser-Bragg-Gitter (FBG).

Bei der Produktentwicklung und Verifikation von mechatronischen Anwendungen gehört der Parameter Temperatur zu den wichtigsten Prozessgrößen. Dieser lässt sich ganz unterschiedlich erfassen. Zum Bestimmen der Temperatur nutzen Test-Ingenieure die klassischen elektrischen Sensortypen wie Thermoelemente, RTDs (PT100/1000) oder NTCs. Sie haben sich durchgesetzt und werden seit Jahrzehnten sicher beherrscht.

Doch die aktuellen Umbrüche im Fahrzeugbau, hier sei das Stichwort Elektromobilität genannt, stellen den etablierten Ansatz zunehmend infrage. Neue Konzepte mit Sensoren auf Basis von Faseroptik mit Interferenz-Filtern, auch als Faser-Bragg-Gitter oder FBG bekannt, begegnen dagegen den neuen Anforderungen, die Hochspannungsumgebungen mit sich bringen. Sie bieten durch das rein optische Messprinzip ein sehr gutes Isolationskonzept gegenüber Hochspannung und sind komplett immun gegen elektromagnetische Störungen (EMV).

Das ist gerade dann wichtig, wenn es um die Themen Handhabe, Arbeitssicherheit oder gar der Haftung geht. Sie alle haben in der Entwicklung und Produktion von elektrischen Antriebssträngen große Bedeutung für die Anwender: Welche Spezialausbildung und Ausrüstung benötigt das beteiligte Personal beim Rüsten und im Betrieb, wenn bei konventioneller elektrischer Messtechnik die Kabel unter gefährlicher Spannung stehen können? Kann ein Zulieferer ganze Einheiten wie Batteriepacks als Test-Prüfling komplett instrumentieren und wie schützt man sich dagegen, dass diese dann nicht einfach zu deaktivieren sind? Wie werden Spezialkabel verlängert? Diese technischen, organisatorischen und auch rechtliche Fragen können durch den Einsatz von faseroptischer Messtechnik entschärft oder sogar komplett vermieden werden.

Das Messprinzip eines FBG-Sensors

Das physikalische Prinzip der FBG-Sensorik basiert auf einer Glasfaser, in die ein optisches Gitter eingeschrieben wird. Das geschieht mithilfe eines energiereichen fs-Lasers (Femtosekunden-Laser) der den Brechungsindex des Materials im aktiv sensitiven Bereich in präzisen Abständen gezielt manipuliert. Im Messbetrieb wird dann in die Faser eingespeistes weißes Licht einer breitbandigen Laserquelle an diesem Interferenzgitter selektiv reflektiert. Das vom Sensor zurückgelieferte schmale Spektrum repräsentiert die Messgröße, die der charakteristischen Bragg-Wellenlänge λB entspricht. λB ist proportional zur Dehnung und zur Temperatur der Faser, denn sie bestimmen den optischen Gitterabstand.

Die Entwickler der Sensorik müssen beide Einflussgrößen sauber trennen (Bild 1). Für Dehnungssensoren, auch optische DMS, bedeutet das, den Temperatureinfluss zu kompensieren. In Temperatursensoren darf die Faser nur auf die Temperatur-Eigenausdehnung α(T) sowie das Brechungsverhalten von Quarzglas als Funktion f(T) reagieren. Sie ist daher spannungsfrei eingebettet, um den Einfluss von Fremddehnung oder mechanischer Verspannung zu vermeiden. Der Hersteller imc bietet eine speziell entwickelte FBG-Sensorik an. Damit hier die zuvor genannten Einflussgrößen sauber getrennt sind, wird die Faser in eine Glaskapillare mit einem Durchmesser von 0,51 mm eingebettet.

Varianten mit zusätzlicher Keramik- und Teflonumhüllung sind mechanisch noch robuster und trotzdem nur auf 1,0 bzw. 1,5 mm vergrößert. Die sehr kleine Bauform und thermische Masse sichert eine entsprechend schnelle Ansprechgeschwindigkeit mit Zeitkonstanten von 100 ms. Solche extremen Dynamiken sind bei Hochlauftests an Elektromotoren relevant. Diese Prozesse lassen sich damit erstmals systematisch beobachten und optimieren.

Das Auswerteverfahren des Messgeräts

FBG-Auswerteprinzipien: Spektrometer.
FBG-Auswerteprinzipien: Spektrometer. (Bild: imc)

Damit die Bragg-Wellenlängen des erfassten Spektrums ausgewertet werden können, nutzen sogenannte Auswerteeinheiten, in der FBG-Technik auch als Interrogator bezeichnet, verschiedene Verfahren. Einige Messgeräte arbeiten mit dem klassischen Spektrometer-Verfahren. Dabei wird als charakteristischer Parameter beispielsweise das Maximum (Peak) des Spektrums durch eine hochaufgelöste Messung entlang der Wellenlänge ermittelt. In der Praxis sind diese Messgeräte relativ voluminös, energiehungrig, wenig robust in Bezug auf die Betriebsumgebung und nicht zuletzt sehr teuer.

FBG-Auswerteprinzipien: Kantenfilter.
FBG-Auswerteprinzipien: Kantenfilter. (Bild: imc)

Das FBG-Modul von imc setzt dagegen auf einen anderen Ansatz: Es misst die Intensität in Verbindung mit einem Kantenfilter. Dieser Farbfilter, einem Frequenz-Hochpass vergleichbar, dämpft das Gesamtsignal entlang der linearen oder genau bekannten Filterkennlinie. Die gemessene Intensität des resultierenden Signals entspricht dem Integral über den relativ schmalbandigen reflektierten Spektralbereich. Dabei erlaubt die Intensitätsänderung einen Rückschluss auf die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge entlang dieser Filterkennlinie.

Schließlich wird eine ratiometrische Auswertung vorgenommen: Es wird das relative Verhältnis von gefiltertem und Bypass-Rohsignal I0 betrachtet. Dadurch wirken sich dann allgemeine Übertragungsdämpfungen und Intensitätsschwächungen in der Faser nicht aus (Bild 2). Dieses Verfahren ermöglicht eine sehr kompakte, robuste und portable Bauweise. Optoelektronische Chips integrieren die optischen Komponenten der Splitter, Weichen und Filter zusammen mit Photodioden zur Intensitätserfassung auf kleinstem Raum. Die darauf folgende elektrische Signalaufbereitung, A/D-Wandlung, und digitale Signalverarbeitung bildet den Prozess mit entsprechenden Kennlinienfeldern und Kompensationsalgorithmen ab und führt schließlich zu direkten Temperaturmesswerten. Das faseroptische Messgerät erreicht auf diese Weise das Preisniveau und die Praktikabilität konventioneller HV-Messtechnik.

Integriert in ein allgemeines mechatronisches Messsystem

Das faseroptische Messmodul ist mit einem CAN-Interface ausgerüstet, das die digitalen Messdaten zur Verfügung stellt. Im Test-Umfeld von Prüfständen und mobilem Fahrversuch ist der CAN-Bus als universelles Bussystem weit verbreitet. Hier dient es sowohl als Quelle von zusätzlichen Mess- und Prozessgrößen, die von Steuergeräten (ECU) geliefert werden und synchron mit erfasst werden, als auch als Systembus zur Vernetzung von Messmodulen und Datenloggern. Der Messtechnikhersteller imc hat mit der Serie „flex“ ein Baukastensystem entwickelt, bei dem sich die Gehäuse sowohl von Mess- und Digitalisierungsmodulen (imc CANSASflex) als auch passende CAN-Bus Datenlogger (imc BUSDAQflex) zu Blöcken zusammenstecken lassen.

Die so gebildeten Einheiten sind sowohl mechanisch als auch elektrisch gekoppelt, im Sinne von Spannungsversorgung und CAN-Bus Backbone, die beide direkt durchgeschleift werden. Damit kann sich der Anwender schnell und flexibel ein maßgeschneidertes Messsystem zusammen klicken. Es passt sich den aktuellen Anforderungen sowohl in Bezug auf die verwendeten Sensoren als auch an die gegebenen Signalquellen an. In dieses Konzept fügt sich das 8-kanalige FBG-Modul für imc CANSAS ein und erweitert die Möglichkeiten auf die Domäne der faseroptischen Messtechnik. Gerade für den E-Mobility und den Automobilbau ist das von Bedeutung. Die neu hinzukommenden Messstellen an HV-Komponenten mit ihren besonderen Anforderungen müssen mit einer Vielzahl von weiteren Sensoren, Messgrößen und ECU-Prozessgrößen gemeinsam aufgezeichnet und korreliert werden (Bild 3).

Verschiedene Anwendungen in der Praxis

Die Anwendungsmöglichkeiten faseroptischer Messtechnik sind vielfältig. Es ist vor allem die Elektromobilität, die zunehmend wächst. Hinzu kommt aber auch die Elektrifizierung von Landmaschinen und deren vormals hydraulisch betriebenen angehängten Arbeitswerkzeuge. Neben Batteriesystemen sind beispielsweise Ladeinfrastruktur, Kabelbäume, Leistungselektronik-Module oder Steckverbinder zu entwickeln und systematisch zu testen.

Durch die EMV-Robustheit der FBG-Technik eröffnen sich verschiedene Anwendungsgebiete. Dazu gehört es, die Temperatur in den Windungen elektrischer Motoren direkt zu messen. Auch Entwickler von Power-Invertern oder Leistungselektronik mit Wide-Bandgap-Halbleitern und aktuellen induktiven Komponenten können bei ihren Entwicklungstest von der miniaturisierten und hochdynamischen Sensorik profitieren: Temperaturverläufe an Leistungselektronischen Bauteilen unter Belastung können erfasst werden, ohne dass die Ergebnisse durch drastische elektromagnetische Störfelder beeinträchtigt werden.

Der messtechnische Ansatz mit gemischter optischer und elektrischer Technik erspart viele Schwierigkeiten bei der Handhabe und dem Arbeitsschutz. Wird die gefährliche HV-Umgebung durch die rein optische Übertragung komplett von Bediener und Messtechnik entkoppelt, kann FBG-Messtechnik nicht nur Produktivität, sondern auch die Effizienz steigern. Das gilt sowohl für das untersuchte und zu optimierende Produkt als auch für die Testprozesse selbst.

* Martin Riedel ist Leiter des Produktmarketings bei imc Test & Measurement in Berlin.

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