Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung von Elektrofahrzeugen ist die Reichweite und Batterielebensdauer. Ein Weg, um diese zu erhöhen, ist eine verbesserte Effizienz des gesamten Fahrzeugs. Allerdings gibt es große Verbraucher im Automobil, die dem entgegenstehen. Einer davon ist die Klimaanlage. Der Elektroantrieb erzeugt weniger Verlustleistung als ein Verbrennungsmotor und somit auch weniger Abwärme, die sich zum Heizen des Innenraums nutzen lässt. Das heißt, bei Elektrofahrzeugen muss zusätzlich elektrisch geheizt werden, um die gewünschten Temperaturen zu erreichen bzw. zu halten.
Wege zum effizienten Klimasystem
Ein Weg, um die Effizienz des Klimasystems zu erhöhen, ist es, die Luft im Innenraum wiederzuverwenden (Umluft). Im Winter wird die bereits aufgewärmte Luft erneut erwärmt, im Sommer wird die klimatisierte Luft erneut gekühlt und in den Innenraum gegeben. Da nur eine geringere Temperaturdifferenz überbrückt werden muss, ist weniger Energie nötig. Ein großer Nachteil dieser Methode ist, dass keine frische Zuluft dem Innenraum zugeführt wird. Wird die verbrauchte Luft nicht erneuert, steigt der CO2-Wert an und die Qualität der Raumluft verschlechtert sich immer weiter. Die Folge können Kopfschmerzen, Müdigkeit und ein unangenehmes Fahrgefühl sein. Dies stellt eine potenzielle Gefahrenquelle im Straßenverkehr dar, denn bereits ab einem CO2-Gehalt von 1000 ppm werden Lüftungsmaßnahmen nötig.
Eine Lösung bieten CO2-Sensoren. Werden diese in das Klimasystem des Fahrzeugs integriert, überwachen sie die Luftqualität im Fahrzeug. Bei entsprechend hohen CO2-Werten können sie eine Warnung abgeben oder direkt Frischluft beimischen, um eine gesunde Luftqualität aufrechtzuerhalten. Die Wahl des passenden Sensors für die Anwendung in Elektrofahrzeugen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören die Größe des Fahrzeugs, der gewünschte Messbereich und die Art der Messung. Weiterhin sind die Abmessungen, Performance und Kosten der Sensoren entscheidend.
Kleiner und präziser CO2-Sensor
Ein CO2-Sensor mit besonders kleinem Formfaktor (14 x 13,8 x 7,5 mm3) ist der XENSIV PAS von Infineon (Bild 1). Dieser reduziert den Platzbedarf um mehr als 75 % im Vergleich zu handelsüblichen CO2-Sensoren. Gleichzeitig bietet er eine präzise CO2-Messung auf Basis der MEMS-Technologie. So integriert der XENSIV PAS CO2-Sensor auf einer Leiterplatte einen photoakustischen Wandler einschließlich Detektor, eine Infrarotquelle und einen optischen Filter, einen Mikrocontroller für die Signalverarbeitung und Algorithmen sowie einen MOSFET-Chip zum Betreiben der Infrarotquelle. Der integrierte Mikrocontroller führt ppm-Berechnungen sowie erweiterte Kompensations- und Konfigurationsalgorithmen durch. Das Ergebnis ist der echte CO2-Gehalt und nicht nur eine Korrelation. Zudem sind verschiedene Konfigurationsoptionen (z. B. Messfrequenz, Baseline-Kalibrierung) und Schnittstellen (UART, seriellen I2C, PWM-Interface) verfügbar. Das Spektrum für die CO2-Messung umfasst einen Bereich von 0 ppm bis 32.000 ppm. Die Genauigkeit liegt bei ±30 ppm oder ±3 % (0 - 8000 ppm) des Messwertes. Der Hersteller garantiert sie für den Messbereich von 400 bis 5000 ppm, was für diesen Einsatzbereich vollkommen ausreichend ist. Denn die typische Atmosphäre weist einen CO2-Gehalt von 400 ppm auf, in der Fahrzeugkabine liegt der Wert in der Regel darüber. Weitere Vorteile für Kunden liegen im Produktionsverfahren. Infineon bietet nach eigenen Angaben den ersten SMD-fähigen CO2-Sensor (SMD-Gehäuse, verfügbar auf Tape & Reel) an, der dem internationalen JEDEC-Standard für die bleifreie Oberflächenmontage im Reflow-Verfahren entspricht – für eine einfache Montage sowie Systemintegration auch bei großen Produktvolumen. Der XENSIV PAS CO2-Sensor überzeugt zudem durch eine hohe Flexibilität dank einer Vielzahl von Konfigurationsoptionen und Plug-and-Play, wodurch eine schnelle Markteinführung möglich ist. Weiterhin ist ein Evaluation-Kit erhältlich, bestehend aus dem XENSIV PAS CO2-Sensor sowie einem Mikrocontroller der PSoC 4100S-Familie zum Auswerten der Daten. Die Eigenschaften und Fähigkeiten des XENSIV PAS CO2-Sensor machen den Sensor somit zur optimalen Wahl für den Einsatz zur intelligenten Steuerung von Klimaanlagen in E-Autos. Zum einen gewährleistet er die optimale Luftqualität und trägt damit auch zur Sicherheit der Passagiere bei. Zum anderen erhöht er die Effizienz und dadurch die Reichweite und Batterielebensdauer.
Photoakustische Spektroskopie (PAS)
Die PAS-Methode basiert auf dem photoakustischen Effekt (Bild 3): Gasmoleküle absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge und dehnen sich dadurch aus. Bei Kohlenstoffdioxid ist es die Wellenlänge 4,2 μm. Durch eine Infrarotquelle werden Lichtimpulse in schneller Folge ausgestrahlt. Über einen optischen Filter, der speziell auf CO2-Moleküle abgestimmt ist, gelangt nur Licht mit einer Wellenlänge von 4,2 µm in die Sensorkammer. Die CO2-Moleküle in der Sensorkammer absorbieren die Energie. Durch schnelle Erwärmung und Abkühlung kommt es zu thermischer Ausdehnung und Kontraktion. Dies erzeugt eine Druckänderung, welche durch den hochempfindlichen MEMS-Detektor erfasst wird. Je höher die CO2-Konzentration in der Kammer ist, desto stärker ist auch das Signal. Die Signalverarbeitung erfolgt durch einen integrierten Mikrocontroller, der das Ergebnis in Echtzeit als ppm (parts per million) ausgibt. Für eine möglichst präzise Ausgabe des Ergebnisses ist der akustische Detektor für niedrige Frequenzen optimiert und die Absorptionskammer akustisch von externen Geräuschen abgeschirmt.
Weitere Informationen und eine direkte Bestellmöglichkeit finden Sie auch auf unserer e-Commerce-Plattform www.rutronik24.com.
Bleiben Sie auf dem Laufenden, indem Sie unseren Newsletter abonnieren.
