Zum Monitoring der Batterie im Fahrzeug werden Kenngrößen wie Batteriestrom und -spannung gemessen. Mit diesen berechnet die Elektronik z. B. die in der Batterie gespeicherte Restenergie. Auf dieser Basis kann ein Steuergerät entscheiden, welche Lasten zugeschaltet werden dürfen oder abgeschaltet werden müssen, damit vitale Assistenzfunktionen weiter verfügbar bleiben.
Zur Messung des Stroms ist ein wichtiges Bauteil in jedem Batteriesensor das sensierende Element, z. B. Shunt-Widerstände, auf die sich dieser Beitrag konzentriert.
Der Vorteil von Shunt-Widerständen ist, dass sie einen einfachen linearen Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem Ausgangssignal bieten. Nach dem ohmschen Gesetz ist der Spannungsabfall über dem Shunt proportional zu seinem konstanten Widerstand und dem durch ihn fließenden Strom. Dadurch eignen sich Shunts sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom und für beide Stromrichtungen. Die Querempfindlichkeit bezüglich der Temperatur ist aus dem Datenblatt bekannt und kann bei bekanntem Temperatur-Ist-Wert herausgerechnet werden.
Zu den Nachteilen zählt, dass das Messsignal des Shunt-Widerstandes – anders als bei Stromsensoren, die auf der Messung des Magnetfeldes um einen Leiter basieren – auf dem Potenzial des zu messenden Stromes liegt. Für die Strommessung in Hochvolt-Systemen bedarf es deshalb noch einer galvanischen Trennung des Messsignals, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Außerdem dissipieren Shunts Verlustleistung gemäß der Formel Ptot = RI² und erwärmen sich und ihre Umgebung.
Bauformen von Shunt-Widerständen
Shunt-Widerstände gibt es je nach Leistung und Widerstand in verschiedenen Ausführungen, z. B. Dickschicht-Widerstände für die Oberflächenmontage (SMD) oder Metall-Widerstände für die Oberflächenmontage, wie Vishays Power-Metal-Strip-Typen. Die Widerstände aus Metall bieten gegenüber Dickschichtwiderständen eine höhere Impulsbelastbarkeit.
Die Baugrößen für die SMD-Montage erstrecken sich von 0603 bis 5931. Je höher die Ströme, desto mehr ändert sich die Bauform in Richtung Metallbügel mit Schraubanschlüssen. Das gilt vor allem im Bereich von bis zu mehreren hundert Ampère.
Das sensierende Element besteht aus einer speziellen Legierung mit einem möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten und ist an zwei Anschlusselemente aus Kupfer angeschweißt. Wichtig ist die Position der Messabgriffe: Sie sollten möglichst nahe an dem sensierenden Element liegen mit möglichst wenig Strompfad im Kupfer, damit die Kupferstrecke mit ihrem höheren Temperaturkoeffizienten den Aufwand, den der Hersteller für das sensierende Element betreibt, nicht zunichtemacht und das Messergebnis verfälscht.
Vishay Tandem-Shunt
Automotive-qualifizierte Shunts mit Schraubanschlüssen und einer Verlustleistung von bis zu 36 W bietet Vishay schon lange an. Es handelt sich um die Baureihen WSBS und WSMS. Verfügbar sind die niederinduktiven Power-Metal-Strip-Typen mit Widerstandswerten ab 50 µΩ und Temperaturkoeffizienten ab 10 ppm. Darüber hinaus sind auch andere Werte erhältlich und können bei Rutronik angefragt werden.
Neu im Portfolio führt Vishay die Baureihen WSBE und WSBR. Erstere erweitert den Widerstandsbereich nach unten auf gerade einmal 15 µΩ bei gleichzeitig niedrigem Temperaturkoeffizienten von bis zu +/-10 ppm und kleiner Thermospannung von bis zu 1,25 µV/°C. Da die Verlustleistung proportional zum Widerstand des Shunts ist, erlauben die kleineren Widerstandswerte der WSBE-Shunts auch das Messen höherer Ströme.
Das Besondere am neuen Tandem-Shunt WSBR8518/8536 (Bild 1) ist die robuste Konstruktion mit zwei unabhängigen Messstrecken, die für hohe funktionale Sicherheit sorgt.
Durch den Vergleich der Spannungsabfälle über den beiden unabhängigen Messstrecken kann eine Verifizierung stattfinden. In Kombination mit entsprechender Auswerteelektronik lassen sich Applikationen mit bis zur Klassifizierung ASIL D realisieren.
Auswerteelektronik mit Infineons Automotive PSoC 4 High Voltage Precision Analog (HVPA)
Diese Shunt-Konfiguration passt besonders gut an eine Auswerteelektronik mit zweikanaligem Analog-Frontend wie Infineons Automotive PSoC 4 HVPA (Bild 2). Seine beiden differenziellen Eingangspaare lassen sich mit dem WSBR so verschalten, dass sie zwar Vorzeichen-verkehrte aber betragsmäßig gleiche Messergebnisse liefern. Das bringt Vorteile bei der Kompensation des Offsets.
Die Automotive PSoC 4 HVPA verfügen über einen internen Spannungsregler (LDO), den man direkt mit einer 12-V-Batterie verbinden kann. Sein analoges Frontend (AFE) mit hochauflösenden Delta-Sigma-ADCs eignet sich besonders für Eingangssignale im Millivolt-Bereich, wie sie an einem Shunt-Widerstand abfallen. Über eine LIN-Schnittstelle kommuniziert der Automotive PSoC 4 HVPA mit einem übergeordneten Steuergerät. Der LIN-Transceiver ist bereits auf dem Chip integriert. Das Modell Automotive PSoC 4 HVPA 144K wurde nach ISO 26262 entwickelt und erfüllt die Anforderungen für ein Safety Element out of Context (SEooC) nach ASIL B.
Testen lässt sich die Kombination aus Shunt und Automotive PSoC 4 HVPA mit dem Evaluation Board vom Typ CYHVPA-128K-32–001 von Infineon (Bild 3).
Fazit
Die Ausführungen zeigen: Vishays Tandem-Shunt WSBR und Infineons Automotive PsoC 4 HVPA bilden ein hervorragendes Paar zur Umsetzung eines intelligenten Batteriesensors.
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