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Strommessung in Batteriemanagement-Systemen

| Autor/ Redakteur: Gloria Kim* / Benjamin Kirchbeck

Durch die zunehmende Verbreitung von E-Fahrzeugen, nimmt auch die Bedeutung von Batteriemanagement-Systemen stark zu. Doch welche Strommess-Technik sollte zum Einsatz kommen?

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Strommess-Anwendungen, wie sie beispielsweise in Batteriemanagement-Systemen vorkommen, sind auf die robuste Leistungsfähigkeit von Strommessverstärkern angewiesen (Symbolbild).
Strommess-Anwendungen, wie sie beispielsweise in Batteriemanagement-Systemen vorkommen, sind auf die robuste Leistungsfähigkeit von Strommessverstärkern angewiesen (Symbolbild).
(Bild: TI)

Nehmen wir doch einmal den Akku Ihres Mobiltelefons als Beispiel. Sie werden regelmäßig den Batteriestatus überprüfen, um sicherzugehen, dass die Akkuladung für den Tag reicht. Überträgt man dies auf ein Auto, wird deutlich, wie wichtig eine solche Information ist.

Es gibt eine Vielzahl von Strommess-Techniken, mit denen sich der Status der Batterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs überwachen lässt. Dabei unterscheiden sich die Lösungen abhängig von der Spannung und der Kapazität der Batterie. Wie in Bild 1 ersichtlich, gibt es zwei Stellen, an denen eine Strommessung möglich ist, nämlich oben, das heißt an der Plusseite des Batteriesatzes (High-Side Sensing) und unten, also an der Masseseite des Batteriesatzes (Low-Side Sensing).

Bild 1: High-Side Sensing und Low-Side Sensing in einem Batteriemanagement-System.
Bild 1: High-Side Sensing und Low-Side Sensing in einem Batteriemanagement-System.
(Bild: TI)

Die Spannung der Batterien von Elektrofahrzeugen beträgt meist zwischen 400 V und 800 V. Wenn das High-Side Sensing zum Einsatz kommt, sind in einem solchen System isolierte Strommess-Lösungen zu bevorzugen. TI bietet hierfür mehrere Lösungen für die isolierte Strommessung an. Der Baustein DRV425 ist ein integrierter Fluxgate-Magnetsensor, der – paarweise eingesetzt – für hochpräzise Messungen an Sammelschienen genutzt werden kann. Zusätzlich gibt es von eine TI-Familie isolierter Strommessverstärker, die an Shunt-Widerständen an der Plusseite von Hochspannungs-Akkusätzen eingesetzt werden können.

Die Strommessung an der Masseseite von Akkusätzen in Elektrofahrzeugen sowie die High-Side- und Low-Side-Strommessung an den 48-V/12-V-Bordnetzen von Hybridfahrzeugen erfordern in der Regel keine isolierte Strommessung. Jahrelang wurden Strommessverstärker in Anwendungen für die Strom- und Leistungsmessung verwendet. Diese ebenso einfachen wie erschwinglichen Lösungen geben Designern die Möglichkeit zur Realisierung eines Echtzeit-Überstromschutzes und können zur Systemoptimierung und zur Strommessung in Regelungsschaltungen mit ausgezeichneter Linearität und Genauigkeit verwendet werden.

Je nach den Systemanforderungen und den Vorlieben des jeweiligen Designers werden unterschiedliche Arten von Strommessverstärker benötigt. TI bietet breite Paletten an Strommessverstärkern mit unterschiedlichen Eigenschaften in Bezug auf Gleichtaktbereich, Offsetspannung, Verstärkungsfehler und Drift an. Für Batteriemanagement-Systeme in Hybrid- und Elektrofahrzeugen kann die Entscheidung zwischen Strommessverstärkern mit Analog- oder Digitalausgang maßgeblich sein.

Wie man links in Bild 2 sieht, verfügen Strommessverstärker mit Analogausgang über integrierte verstärkungsbestimmende Widerstände und senden basierend auf der differenziellen Spannung am Shunt-Widerstand ein verstärktes, massebezogenes Signal an den A/D-Wandler (ADC). Bei Strommessverstärkern mit Analogausgang richtet sich der Wert des Shunt-Widerstands nach dem gewünschten maximalen Ausgangssignal, dem minimalen Eingangsstrom und der Verstärkung.

Der Mindeststrom ist durch den Widerstandswert des Shunts und die Offsetspannung des Bausteins begrenzt. Die ADC-Referenz ist eine weitere Fehlerquelle, die bei der Evaluierung des Signalpfads beachtet werden muss. Strommessverstärker mit analogem Ausgang sind nach wie vor sehr genau und werden in großem Umfang in Batteriemanagement-Systemen eingesetzt, jedoch können Strommessverstärker mit Digitalausgang einen Zusatznutzen bieten.

Bild 2: Strommessverstärker mit analogem (links) und digitalem Ausgang (rechts).
Bild 2: Strommessverstärker mit analogem (links) und digitalem Ausgang (rechts).
(Bild: TI)

Die Strommessverstärker von TI mit digitalem Ausgang (rechts in Bild 2), enthalten einen speziellen Delta-Sigma-ADC, der es überflüssig macht, das Eingangssignal so zu verstärken, dass der Eingangsbereich des ADC vollständig ausgenutzt wird. Dank der Delta-Sigma-Architektur weisen Bausteine mit Digitalausgang niedrigere Eingangs-Offsetspannungen auf, sodass bei geringen Strömen eine höhere Genauigkeit erreicht werden kann. Dies wiederum gestattet die Verwendung eines Shunts mit niedrigerem Widerstandswert, was der Systemeffizienz zugutekommt.

* Gloria Kim ist als Product Marketing Engineer für Texas Instruments tätig.

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