Diese Fahrzeuge erfordern eine präzise Steuerung nicht nur der Elektromotoren, die die Räder antreiben, sondern auch der in den Batterien verfügbaren elektrischen Energie für den Fahrzeugbetrieb und den Ladevorgang. So wird ein sicheres Laden trotz hoher Spannungen und Ströme gewährleistet. Diese innovativen Anwendungen erfordern die Entwicklung neuer Sensortechnologien, die den Stromverbrauch im Fahrzeug messen und gleichzeitig die in der Automobilindustrie geltenden Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen.
Motoren werden seit Jahrzehnten elektronisch gesteuert. Sie treiben Lokomotiven, Roboter, Kräne, Gepäckförderanlagen an Flughäfen und praktisch jedes System an, dessen Bewegung elektronisch gesteuert wird. Sensoren messen die durch diese Motoren fließenden Ströme, damit die Elektronik Drehzahl und Drehmoment regeln kann. Auch Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen Hochleistungsmotoren für den Antrieb der Räder und die Beschleunigung und benötigen daher Sensoren, die Motorströme präzise messen und gleichzeitig die Anforderungen des Automobilmarktes hinsichtlich geringer Größe, niedrigem Gewicht, geringem Stromverbrauch, einem breiten Betriebstemperaturbereich und natürlich niedrigen Kosten erfüllen. Aus diesem Grund wurden neue Stromsensoren speziell für Elektromotoren in Automobilen entwickelt, deren Messbereich von wenigen zehn bis zu mehreren hundert oder sogar tausend Ampere reicht. Beispielsweise misst die Sensorfamilie HC2 von LEM bis zu 200 A, und die Familie HC20F erreicht 2000 A und erfüllt die Spezifikationen der Automobilindustrie. Es sind auch Lösungen erhältlich, die die Messung aller drei Motorphasen in einem einzigen Gerät integrieren.
Die Messung des Batteriestroms in Automobilanwendungen ist seit einigen Jahren üblich. Diese Systeme erfassen Parameter von 12-V-Batterien wie Stromstärke, Spannung und Temperatur, um deren Leistungsfähigkeit zu analysieren. Bei Start-Stopp-Systemen ist beispielsweise ein optimaler Batteriezustand entscheidend, um ein Abwürgen des Fahrzeugs an Ampeln zu verhindern. Stromsensoren sind für diese Fahrzeuge unerlässlich.
Der Einsatz von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen erfordert die präzise Messung von Batterieparametern. Die neue CAB-Sensorfamilie von LEM wurde speziell für diese Fahrzeugbatterien entwickelt und liefert über den standardmäßigen CAN-Bus äußerst genaue Batteriestromdaten über den gesamten Temperaturbereich. Dies ermöglicht die einfache Integration in Fahrzeugsysteme. Der Sensor nutzt die magnetische Induktionstechnologie (Fluxgate-Sensor) – dasselbe Prinzip, das in der Kriegsführung zur Ortung von U-Booten eingesetzt wird – um solch präzise Messungen ohne Offset oder thermische Drift zu erzielen. Er ergänzt die DHAB-Sensorfamilie, die den traditionellen Hall-Effekt zur berührungslosen Strommessung nutzt und somit eine galvanische Trennung bietet.
Da Verbraucher kürzere Ladezeiten für ihre Elektrofahrzeuge fordern, ist der Stromverbrauch für das Laden der Batterien deutlich gestiegen. Dieser hohe Stromverbrauch erfordert spezielle Ladestationen, die ein Vielfaches der im Haushalt verfügbaren Leistung bereitstellen, um die Fahrzeugbatterie in nur wenigen Minuten aufzuladen – anstatt der mehreren Stunden, die das Laden an einer herkömmlichen Haushaltssteckdose benötigt. Um einen sicheren Ladevorgang für den Nutzer und die Umwelt zu gewährleisten, muss die Bordelektronik sicherstellen, dass der Ladevorgang bei jeder Anomalie oder jedem Stromleck sofort unterbrochen wird. Da Fahrzeuge sowohl mit Wechsel- als auch mit Gleichstrom geladen werden, reichen herkömmliche Haushalts-Sensoren nicht mehr aus. Daher war die Entwicklung spezialisierter, hochpräziser Sensoren mit kurzer Reaktionszeit für diese neue Anwendung notwendig. LEM entwickelt gemeinsam mit Partnerunternehmen neue Lösungen, die diesen Bedarf decken und in einem kostengünstigen, kompakten Gehäuse realisiert werden, das Gleichstromleckströme im Milliamperebereich in Bruchteilen einer Mikrosekunde misst.
Kleinere, effizientere und kompaktere Elektroniklösungen sind der nächste Schritt für Automobilhersteller, die ihre Elektrofahrzeuge optimieren und deren Kosten senken wollen. Um mit der bestehenden Technologie die gleiche Leistung zu erzielen, arbeiten diese kleineren Systeme mit höheren Geschwindigkeiten und Frequenzen, was zu starken Restwelligkeiten führt, die die meisten Strommesssensoren zerstören.
Sensoren und andere Komponenten müssen daher in dieser zunehmend rauen und heißen Umgebung einwandfrei funktionieren. LEM testet neue Materialien und Messtechniken und verfügt über funktionsfähige Prototypen, um diese zukünftigen Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen.
Das Streben nach höherer Effizienz und geringeren Emissionen treibt die Automobilindustrie zu einem verstärkten Einsatz von Bordelektroniksystemen. Von Start-Stopp-Systemen bis hin zu Hybrid- und Elektrofahrzeugen – diese Systeme müssen Ströme präzise messen, um einen ordnungsgemäßen und effizienten Fahrzeugbetrieb zu gewährleisten.
Darüber hinaus erfordern technologische Fortschritte in der Elektronik neue Sensoren, die der Hitze und den rauen Umgebungsbedingungen standhalten, unter denen sie eingesetzt werden müssen. Die Automobilindustrie entwickelt sich rasanter denn je und treibt neue Technologien voran, die zur Entwicklung von Lösungen für die Zukunft des Individualverkehrs beitragen werden.
Autor:
Von: Ramón Portas, LEM
