Herausforderungen der Strommessung in integrierten Hochleistungs-Traktionswechselrichtern:
Die zunehmende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen stellt naturgemäß höhere Anforderungen an deren Zuverlässigkeit, insbesondere an ihre Reichweite. Um dies zu erreichen, müssen Komponenten wie integrierte Hochleistungs-Traktionswechselrichter, die entscheidend für die Fahrzeugbatteriereichweite und das gesamte Fahrerlebnis sind, so kompakt und effizient wie möglich sein. Ein Traktionswechselrichter wandelt Gleichstrom aus der Elektrofahrzeugbatterie in Wechselstrom um, der das Antriebssystem des Fahrzeugs versorgt. Eine weitere Funktion des Wechselrichters ist die Rückgewinnung von Energie aus der Bremsenergierückgewinnung und deren Rückführung in die Batterie.
Die Lösung für die Anforderungen an integrierte Hochleistungs-Traktionswechselrichter liegt in der Entwicklung zuverlässiger Leistungsmodule, die den Platzbedarf von Komponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten, Transformatoren und Filtern reduzieren und gleichzeitig die Vorteile von Siliziumkarbid-MOSFETs für schnellere Schaltvorgänge und höhere Batteriespannungen nutzen.
Ingenieure, die an der Entwicklung von Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge arbeiten, wissen, dass der Stromsensor eine Schlüsselkomponente darstellt. Um den Anforderungen des Elektromobilitätsmarktes gerecht zu werden, muss die Technologie hohe Genauigkeit und einen wettbewerbsfähigen Preis sowie eine hohe Integrationsfähigkeit und die Fähigkeit zum Betrieb unter anspruchsvollen und widrigen Bedingungen bieten.
Die Integration kernloser Stromsensoren in Elektrofahrzeuge befindet sich noch in der Anfangsphase.
Kernlose Stromsensoren stellen eine vielversprechende Lösung für die Zukunft dar, da sie den Einsatz kleinerer und kostengünstigerer Komponenten ermöglichen. Bis zur breiten Anwendung dieser Technologie müssen jedoch noch zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden. LEM, ein auf elektrische Messtechnik spezialisiertes Unternehmen, arbeitet an der Bewältigung dieser Herausforderungen.
Beispielsweise erfordert die große Variation des Magnetfelds im Weltraum, dass kernlose Sensoren mit hoher Präzision und ohne jegliche Bewegung nach Montage und Kalibrierung auf der Stromschiene befestigt werden. Bereits eine Abweichung von einem Zehntel Millimeter kann in Hochleistungs-Traktionsumrichtern schnell zu einem inakzeptablen Fehler führen. Montagetoleranzen, mechanische Handhabung, Vibrationen und Wärmeausdehnung sind potenzielle Ursachen für Verschiebungen. Zusammen mit der Notwendigkeit, diesen besonderen Effekt zu überwinden, um eine hohe Bandbreite zu erzielen, erfordern diese Faktoren einen erheblichen Aufwand im mechanischen Design, um eine zuverlässige Strommessung zu gewährleisten. Da Traktionsumrichter immer kompakter werden, rücken die Leiter näher zusammen und die Magnetfeldverteilung wird komplexer. Kernlose Sensoren mit ihrer Differenzmessfähigkeit sind zwar unempfindlich gegenüber homogenen externen Feldern, jedoch nicht gegenüber Feldgradienten, die zu größeren Messfehlern führen können. Kurz gesagt: Die erheblichen Einschränkungen bei der mechanischen Konstruktion, die für die gewünschte Genauigkeit erforderlich sind, und der Zeitaufwand für die Wechselrichterkalibrierung machen die Lösung mit kernlosen Sensoren – zumindest vorerst – weniger attraktiv.
Überwindung von Hindernissen bei Magnetkernstromsensoren:
Solange diese technischen Hürden nicht überwunden sind, bleiben vollkalibrierte Magnetkernstromsensoren die bevorzugte Methode für hochpräzise Strommessungen in Traktionswechselrichtern von Elektrofahrzeugen. Diese Technologie hat nicht nur einen deutlichen Vorsprung, sondern birgt auch enormes Entwicklungs- und Innovationspotenzial.
Im Betrieb konzentriert und verstärkt der Magnetkern das Magnetfeld zur Detektion mit reduziertem Ausgangsrauschen und schützt die Messung gleichzeitig vor Störungen durch externe Felder. Dies führt zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) über eine große Bandbreite. Dank präziser Steuerung der Magnetkernanordnung und -kalibrierung, des auf dem Hall-Effekt basierenden ASIC und der Stromschiene sind auch in Umgebungen mit starken Vibrationen zuverlässige und stabile Messungen möglich.
Die Herausforderung besteht darin, dass Sensoren mit offenem Regelkreis und Kern tendenziell groß sind und Integrationsschwierigkeiten auf Wechselrichterebene mit sich bringen. Daher konzentriert sich LEM auf die Entwicklung kompakter und kostengünstiger Stromsensoren mit Magnetkernen, die zuverlässige Strommessungen in einem möglichst breiten Anwendungsspektrum ermöglichen. Diese Sensoren gehören zum wachsenden Produktportfolio des Unternehmens und wurden speziell für den Einsatz mit Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge entwickelt. Dadurch können Kunden hochzuverlässige Produkte auswählen, die ihren Anforderungen an den Wechselrichter entsprechen, und Hersteller von Elektrofahrzeugkomponenten können ihre Markteinführungszeit verkürzen.
Als es darum ging, Kundenprobleme zu lösen, die mit herkömmlichen Stromsensoren nicht zu bewältigen waren, entwickelte die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von LEM den einphasigen Stromsensor HSTDR mit integrierter Sammelschiene. Dieser Sensor ist deutlich kleiner als herkömmliche Stromsensoren mit Messöffnung. Der HSTDR ist für die Messung von Gleichspannung und Drehstrom sowie für den Einsatz in DC/DC-Wandlern konzipiert und bietet Entwicklern, die in beengten Verhältnissen wie dem Gehäuse eines Traktionswechselrichters arbeiten, durch seine kompakte Bauweise maximale Flexibilität. Dank seines Magnetkerns mit kleinem Luftspalt bietet der HSTDR zudem Schutz vor externen Feldern und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Bei herkömmlichen Designs sind Sammelschienen typischerweise vom Magnetkern isoliert. LEMs Methode, den Kern direkt auf der Sammelschiene zu platzieren, ermöglicht hingegen einen deutlich kompakteren Kern. Herkömmliche Stromsensoren mit Messöffnung benötigen üblicherweise eine große Messöffnung, die auf die Sammelschienen geschoben werden muss. Dies kann die Konstruktion komplex gestalten und führt zu einer großen Sensorgröße. Im Gegensatz dazu gibt es bei Sensoren mit integrierten Sammelschienen keine Einschränkungen hinsichtlich des Installationsortes. Dies ermöglicht eine Minimierung der Öffnung des Magnetkerns und reduziert so dessen Gesamtgröße um bis zu 40 %. Gleichzeitig wird der Strommessbereich im Vergleich zur vorherigen HSNDR-Generation um 60 % erhöht. Dies bietet Entwicklern von Elektrofahrzeugkomponenten mehr Flexibilität, da der Sensor an beliebiger Stelle am Traktionswechselrichter positioniert werden kann.
Ein kleinerer Magnetkern reduziert zudem das Gesamtgewicht des Sensors um etwa 50 %. Dadurch ist der Sensor vibrationsfest bis zu 10 g, was in der Automobilindustrie häufig erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil eines kleineren Magnetkerns ist der geringere Materialbedarf für die Sensorherstellung, wodurch die Kosten gesenkt werden. Dank eines vollständig kalibrierten Sensors, der Kern, Stromschiene und Sensorelement in einem einzigen Gehäuse integriert, werden außerdem erhebliche Zeitersparnisse und Produktivitätssteigerungen erzielt.
Designüberlegungen für den neuen Sensor:
Bei der Entwicklung des HSTDR-Einphasenstromsensors für den Markt der Traktionswechselrichter von Elektrofahrzeugen berücksichtigten die LEM-Ingenieure drei Schlüsselaspekte. Erstens musste die zuvor erwähnte Begrenzung der integrierten Sammelschiene ausreichend dimensioniert sein, um die mechanische Stabilität zu gewährleisten und zusätzliche Leistungsverluste sowie Wärmeableitung in der ohnehin schon extrem heißen Umgebung zu vermeiden. Daher ist der durch die Sammelschienenbegrenzung verursachte Widerstand vernachlässigbar und liegt unter 20 µΩ. Zweitens war es bei der direkten Montage des Magnetkerns auf der Sammelschiene wichtig, eine Isolationsbarriere zwischen der Elektronik und dem Magnetkern zu entwickeln, um die erforderlichen Luftspalte und Kriechstrecken in Systemen mit einer 800-V-Batterie zu gewährleisten. Schließlich war es wichtig, dass der Sensorausgang in rauen und störungsanfälligen Umgebungen unempfindlich gegenüber hohen Schaltgeschwindigkeiten (dV/dt) bleibt.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Genauigkeit des HSTDR-Stromsensors. Er zeichnet sich durch einen Gesamtfehler von unter 3,5 % in Bezug auf Temperatur und Lebensdauer bei einem dynamischen Bereich bis zu 1500 A aus. Da das Gerät über einen weiten Frequenzbereich hinweg eine gleichbleibende Leistung mit minimaler Phasenabweichung zwischen verschiedenen Einheiten bietet, gewährleistet es eine präzise Drehmomentregelung – ein entscheidender Faktor für Anwendungen in Elektrofahrzeugmotoren.
LEM, das vor über 20 Jahren seinen ersten Stromsensor für Batteriemonitoringsysteme herstellte, ist kein Neuling auf dem Automobilmarkt und entwickelt kontinuierlich innovative Produkte für diesen anspruchsvollen Sektor. LEM hat ein umfangreiches Portfolio solcher Produkte aufgebaut, darunter Sensoren für Traktionswechselrichter, DC/DC-Wandler und On-Board-Ladegeräte, mit dem Ziel, diese so klein und intelligent wie möglich zu gestalten. Das Unternehmen konzentriert sich darauf, Kundenprobleme zu lösen, indem es bestehende Technologien weiterentwickelt und Lösungen für die Zukunft entwickelt, indem es zukünftige Herausforderungen analysiert und an deren Bewältigung arbeitet.
Autor: Sofiane Serbouh, Produktmanager für große Laufwerke, LEM
