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Wärmemanagement im Kfz – Welche Vorteile hat ein Temperatursensor-IC?

| Autor/ Redakteur: Punya Prakash* / Benjamin Kirchbeck

Nicht nur im Antriebsstrang, sondern ebenso in zahlreichen weiteren Steuergeräten herrschen hohe Temperaturen. Hierfür werden robuste Wärmemanagement-Lösungen benötigt. Welche Vorteile bietet ein Temperatursensor-IC?

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Die Temperatur in sämtlichen Electronic Control Units muss genau überwacht werden, damit ihre Funktionsfähigkeit erhalten bleibt, sodass sie die Leistungsfähigkeit des ganzen Fahrzeugs einwandfrei gewährleisten können.
Die Temperatur in sämtlichen Electronic Control Units muss genau überwacht werden, damit ihre Funktionsfähigkeit erhalten bleibt, sodass sie die Leistungsfähigkeit des ganzen Fahrzeugs einwandfrei gewährleisten können.
(Bild: Clipdealer)

Automobilhersteller in aller Welt konzentrieren ihre Bemühungen darauf, die Fahrzeuge zu elektrifizieren und den Autofahrern immer mehr Fahrassistenz-Funktionen anzubieten. Je mehr die Technik zur Elektrifizierung der Fahrzeuge verbessert wird, umso mehr werden wir erleben, dass Elektrofahrzeuge immer schneller aufgeladen werden können und eine immer größere Reichweite bekommen.

Die erschwerenden Eigenschaften von NTC-Widerständen

Die Fahrassistenzsysteme werden letztendlich einen so hohen Entwicklungsstand erreichen, dass wir künftig mit weitgehend oder sogar ganz autonomen Fahrzeugen unterwegs sein werden. Allerdings werden in den Antriebssträngen von Automobilen sehr hohe Temperaturen erreicht – ganz abgesehen davon, dass auch die Autos selbst bei extremen Temperaturen funktionieren müssen. Benötigt werden deshalb robuste Wärmemanagement-Lösungen, die sicherstellen, dass die sicherheitskritischen Applikationen stets funktionsfähig bleiben.

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Darüber hinaus finden sich über das ganze Fahrzeug verteilt zahlreiche elektronische Steuergeräte (Electronic Control Units, ECUs) zur Steuerung von Head Unit, Cluster, Lüftung, Klimatisierung, Beleuchtung und weiteren Dingen, die von essenzieller Bedeutung für das Funktionieren des Fahrzeugs sind. Die Temperatur in allen diesen ECUs muss genau überwacht werden, damit ihre Funktionsfähigkeit erhalten bleibt, sodass sie die Leistungsfähigkeit des ganzen Fahrzeugs einwandfrei gewährleisten können.

NTC-Widerstände (Negative Temperature Coefficient) gehören zu den Bauelementen, die am häufigsten zur Temperaturüberwachung in ECUs verwendet werden. Ein auch als Thermistor bezeichneter NTC-Widerstand ist ein passives Bauelement, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur fällt und mit fallender Temperatur ansteigt. Üblicherweise wird ein NTC-Widerstand wie in Bild 1 gezeigt in einen Spannungsteiler eingebaut, um das Ausgangssignal dieses Spannungsteilers dem ADC-Kanal eines Mikrocontrollers (MCU) zuzuführen.

Allerdings haben NTC-Widerstände gewisse Eigenschaften, die ihren Einsatz in Automotive-Anwendungen etwas erschweren können. Wie schon erwähnt, ändert sich der Widerstand eines NTC-Elements umgekehrt zur Temperatur. Allerdings ist die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand nicht linear, wie Bild 2 am Beispiel eines typischen NTC-basierten Spannungsteilers zeigt.

Zwei Strategien zum nichtlinearen Verhalten

Bedenkt man die Wärme, die von einem Verbrennungsmotor erzeugt wird, und die klimatischen Bedingungen in den verschiedenen Regionen der Welt, so wird deutlich, dass die in einem Auto verbauten Halbleiter-Bauelemente einem äußerst breiten Temperaturspektrum ausgesetzt wird, das von -40 °C bis +150 °C reicht. Über einen derart weiten Temperaturbereich ist es infolge der nichtlinearen Charakteristik eines NTC-Widerstands schwierig, die Fehler bei der Umwandlung des Spannungssignals in einen Temperaturwert zu reduzieren. Tatsächlich beeinträchtigt der Fehler, der aus der nichtlinearen Kennlinie eines NTC-Elements resultiert, die Genauigkeit einer jeden NTC-basierten Temperaturmessung. Zum Umgang mit diesem nichtlinearen Verhalten sind zwei Strategien erforderlich:

  • Verwendung einer tiefen Wertetabelle, um die Ausgangsspannung des NTC-basierten Spannungsteilers in Temperaturwerte umzusetzen.
  • Einsatz einer Polynomgleichung höherer Ordnung als Näherung für den nichtlinearen Verlauf der Ausgangsspannung des NTC-basierten Spannungsteilers.

Die Lösung auf Basis einer Wertetabelle erhöht den Speicherbedarf des Systems, während die Polynomgleichung höherer Ordnung zahlreiche CPU-Zyklen erfordert. Von TI gibt es jedoch eine große Auswahl an Temperatursensoren mit Analogausgang, die sich als einfach anzuwendende Alternative zu NTC-Widerständen anbieten. Wie aus Bild 2 hervorgeht, besitzt ein Temperatursensor-IC mit Analogausgang eine deutlich linearere Kennlinie als ein NTC-Widerstand und kann somit wesentlich einfacher an den ADC eines Mikrocontrollers angeschlossen werden (Bild 3).

Dank der linearen Charakteristik eines Temperatursensor-IC mit Analogausgang entfällt die Notwendigkeit, auf komplexe Polynomgleichungen oder umfangreiche Wertetabellen zurückzugreifen. Bei einem analogen Temperatursensor-IC lässt sich die Charakteristik in einer deutlich kleineren Wertetabelle ablegen, sodass sich sowohl der Speicherbedarf als auch die CPU-Auslastung verringert. Da die Spezifikationen eines analogen Temperatursensor-IC außerdem von TI garantiert werden, ist keine Kalibrierung des einzelnen Bausteins ist. Schließlich zeichnen sich analoge Temperatursensor-ICs bei hohen Temperaturen im Vergleich zu NTC-Widerständen durch eine herausragende Temperaturempfindlichkeit aus.

Zum Beispiel erlaubt der LMT87-Q1 von TI die Temperaturüberwachung mit einer Genauigkeit von ±2,7 °C in einem Bereich von -40 °C bis +150 °C (qualifiziert gemäß AEC-Q100, Grade 0). Zusätzlich vereinfacht wird die Temperaturmanagement-Lösung durch digitale Temperatursensoren von TI, die die Temperaturinformation direkt über Schnittstellen wie I²C oder SPI (Serial Peripheral Interface) übermitteln können. Der TMP102-Q1 etwa überwacht die Temperatur zwischen -40 °C und +125 °C mit einer Genauigkeit von ±3,0 °C und kommuniziert die Temperatur direkt per I²C an den Mikrocontroller, sodass auf Wertetabellen oder Berechnungen auf der Basis von Polynomgleichungen vollständig verzichtet werden kann.

Fazit

Festzuhalten ist also, dass NTC-Thermistoren zwar häufig zur Temperaturüberwachung eingesetzt werden, dass sich ihr nichtlinearer Kennlinienverlauf in Automotive-Lösungen aber als problematisch erweisen kann. Mit den analogen und digitalen Temperatursensor-Lösungen von TI dagegen lassen sich die Temperaturen vieler Systeme im Auto einfach und genau überwachen.

* Punya Prakash arbeitet als Marketing and Applications Director im Bereich Temperature and Humidity Sensors für Texas Instruments

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