Die mangelnde Reichweite, ein geringer Ausbau der nötigen Ladeinfrastruktur in Deutschland sowie die hohen Preise für Elektroautos sind derzeit noch Hemmschuhe bei der Durchsetzung vollelektrifizierter Fahrzeuge. Ob die von der Bundesregierung eingeführte Kaufprämie für Elektro- und Plug-in-Hybridautos samt Ausbau der öffentlichen Ladeinfrastruktur einen Aufschwung bedeuten wird, bleibt erst abzuwarten. Für die Reichweiten-Frage ist ein präzises Batteriemanagementsystem im Fahrzeug unerlässlich. Nur wenn der exakte Ladezustand der Batterie bekannt ist, läuft man nicht Gefahr, Kilometer vor der nächsten Lademöglichkeit stehen zu bleiben. Dafür sorgen bei einer Reihe von Elektrofahrzeugherstellern shuntbasierte ISAscale-Messmodule von Isabellenhütte Heusler. Sie messen den Strom, der in die Batterie hinein- oder herausfließt. Daneben kommt es auch auf das bestmögliche Ansteuern des Motors an, damit das Elektroauto bei einem hohen Wirkungsgrad läuft. Bei der Strommessung für den Antrieb des Motors kommen Phasenstromsensoren der Isabellenhütte zum Einsatz.
Der IPC ist ein Messmodul für den Phasenstrom des Motors. Er befindet sich im sogenannten Umrichter, der für die Ansteuerung des Motors zuständig ist. Bei den Motoren handelt es sich in der Regel um Wechselstrommotoren, die aber aus einer Gleichstromquelle, nämlich der Batterie, gespeist werden. Durch den Umrichter wird eine DC-Spannung in eine benötigte AC-Spannung gewandelt. Dies geschieht über ein Drei-Phasen-System.
Motor optimal ansteuern
„Die beste Ansteuerung dieser drei Phasen ist nun ausschlaggebend für die Qualität des Antriebs“, erklärt Jens Hartmann, Sales Director Precision Measurement bei Isabellenhütte Heusler. „Ziel ist eine Ansteuerung des Motors im optimalen Arbeitspunkt. Gelingt dies aufgrund unzureichend genauer Strommessung nicht, hat dies einen negativen Einfluss auf die Fahrdynamik und die Geräuschentwicklung im Fahrzeug.“ Dafür verantwortlich ist der im Umrichter verbaute IPC; ein Phasenstromsensor, der schnelle Stromänderungen detektieren kann. Im Vergleich zu magnetischen Sensoren als Alternativlösung ist der shuntbasierte IPC klar im Vorteil: Er ist genauer und liefert bereits digitale Messwerte. Gemessen werden müssen im Motor zwei der drei Phasen mit jeweils einem IPC; die dritte lässt sich über die ersten zwei Messwerte errechnen.
Modular aufgebaut
Der IPC verfügt über eine Isolation bis zu 1.500 V. Gerade beim Einsatz in Umrichtern ist dies wichtig, weil der Shunt des IPC immer auf dem jeweiligen Phasenpotential liegt, die Messwerte aller Phasenströme aber auf dem Controlboard zusammengeführt und verarbeitet werden. Generell ist der IPC in modularer Bauweise erhältlich: Der Nutzer hat die Wahl zwischen verschiedenen Spannungspegeln für die Kommunikation, wie LVDS, RS-422 oder CMOS. Die Verarbeitung des seriellen 1-Bit-Datenstroms zu einem Digitalwort geschieht kundenseitig mittels Dezimationsfilter. Durch verschiedene Überabtastraten (OSR) besteht die Möglichkeit, verschiedene Ausgaberaten zu realisieren. Bei einem Takt von 20 MHz und einem OSR von 256 erhält der Kunde den digitalen Messwert mit etwa 78 kSample/s. Der IPC kann Dauerstrombereiche von 100 A bis hin zu mehreren tausend Ampere messen.
Ein weiteres Messmodul ist für die Strommessung im Batterieblock des Elektrofahrzeugs verantwortlich, der IVT-MOD. Im Batteriemanagement des Fahrzeugs ist die Notwendigkeit einer exakten Strommessung noch höher als auf der Antriebsseite. Die Toleranz des gemessenen Wertes gegenüber dem tatsächlich anliegenden Wert muss über den Lebenszyklus der Batterie, unabhängig vom Temperaturbereich geringer als 0,5 Prozent sein. Mit magnetischen Stromsensoren ist eine solche Präzision nur unter großem Aufwand möglich.
Der shuntbasierte IVT, der in modularer Bauweise erhältlich ist, misst genau den Gesamtstrom, der in die Batterie
hinein- oder aus der Batterie herausfließt. Er ist funktional immer an die Batterie gekoppelt – in einigen Fahrzeugen als Teil der Batterie, in anderen als Teil des sogenannten Secondary Circuits, wo auch Schalter, Unterbrecher oder Relais untergebracht sind. Mit einem digitalen Ausgangssignal von einem Kilohertz gibt der IVT exakte Auskunft über den Status der Batterie. „In Bezug auf Elektrofahrzeuge ist die Reichweitenangst der Nutzer sehr ausgeprägt“, sagt Jens Hartmann. „Je genauer der Ladezustand der Batterie angegeben werden kann, desto besser. Bei einer höheren Reichweite, wie manche Fahrzeughersteller sie bereits vorweisen können, wäre eine Fehlertoleranz von mehr als 0,5 Prozent nicht akzeptabel und die Gefahr, die nächste Ladestation nicht mehr rechtzeitig zu erreichen, hoch.“
Sehr genaue Messdaten
Der IVT in der nächsten Generation verfügt außerdem über drei Spannungsmessungen und eine für moderne Batteriesysteme ausreichende galvanische Isolation. Er ist für eine Kommunikation über eine CAN2.0-Schnittstelle ausgelegt. Ein Software-Trigger ist Bestandteil der internen Software und ist in jedem Modul implementiert. Da im Automotive-Bereich der Fokus weniger auf der Spannungsmessung als vielmehr auf der Strommessung für das Batteriemanagement liegt, hat Isabellenhütte ein weiteres Modul entwickelt, das für die Strommessung konzipiert ist: den ICD. In Sachen Präzision steht der ICD dem IVT in nichts nach und liefert ebenso genaue Messdaten für die dauerhafte Energiekontrolle im Batteriestack. Neben diesem ICD-A für den Automotive-Sektor ist hier auch der Einsatz des ICD-R als redundantes Sensormodul möglich. Im Gehäuse ist neben dem Shunt noch ein magnetischer Sensor als Redundanz verbaut. Zur Plausibilisierung kann der über den zweiten Kanal ermittelte Messwert verwendet werden. Für den industriellen Bereich ist ebenfalls eine ICD-Variante als reiner Stromsensor und nochmals kompakterer Bauform erhältlich, der ICD-C.
Mehr Ladestationen
Für die Zukunft der Elektrofahrzeugbranche hält Hartmann den Ausbau der Infrastruktur für entscheidend. Solange die Reichweite der Fahrzeuge aufgrund der begrenzten Kapazitäten der heutigen Speichermedien wie der Lithium-Ionen-Batterien noch nicht weiter ausgebaut werden kann, muss die Anzahl und die Verbreitung der Ladestationen deutlich erhöht werden. „Wenn eine Infrastruktur geschaffen wird, die es mir ermöglicht, nach drei Stunden Fahrt eine halbe Stunde mein Auto aufzuladen – und das deutschlandweit –, ist die Vollelektrifizierung auf einem guten Weg.“
