E- und Hybrid-Fahrzeuge Spannungsmessung auf mehreren Ebenen

Die Spannung der Blei-Akkus in PKWs und Nutzfahrzeugen ist mit 12 beziehungsweise 24 V klar definiert. Diese Bordspannung zu messen, ist unproblematisch hinsichtlich der Messmittel und der Sicherheit. In Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen sind hingegen Batterietechnologien mit höheren Spannungen nötig, um den Leistungshunger der elektrischen Komponenten, wie dem Antriebsmotor, den elektrischen Pumpen und Kompressoren, zu befriedigen. In diesen Gefährten müssen Leistungen bis über 180 kW praxisgerecht bereitgestellt werden. Meist kommen dafür Lithium-Ionen-Batterien oder neuerdings auch sogenannte Festkörperzellen zum Einsatz. Die optimale Abstimmung der Bordnetz-Architektur ist von zahlreichen Parametern abhängig, wie der Energiedichte, dem Bauraum, dem konstruktiven Aufwand und Gewicht, der Stückzahl und den damit verbundenen Kosten. Daraus resultieren zahlreiche Spannungsebenen, die derzeit verwendet und erprobt werden.

Zusätzliche Spannungsebene

Es zeichnet sich ab, dass sich neben der 12/24-V-Ebene und der Hochvolt-Ebene von 60 V_DC bis 1.500 V_DC noch eine dritte, die 48-V-Ebene, etablieren wird. Diese eignet sich unter anderem für Elektromotoren in Mild-Hybrid-PKWs von 3 bis etwa 12 kW, aber auch zur Versorgung von Aggregaten wie Klimakompressor, Pumpen, Lenkungsantrieb sowie für Boost- und Rekuperations-Funktionen.

Trennung von Spannungsnetzen

Die verschiedenen Spannungsebenen bedeuten auch für den Messtechniker neue Herausforderungen. Grundsätzlich unterscheidet sich ein Automobil von Installationen in der Gebäudetechnik im Hinblick auf die Erdung. Sofern das Fahrzeug nicht an einer Ladestation hängt, kann man ein Elektroauto als System mit isolierter Erdung betrachten. Das hat den Vorteil, dass das Problem unterschiedlicher Erdpotenziale zwischen Messgerät und Prüfling nicht besteht. Im Fahrzeug sind die beiden Niedervolt-Ebenen, also 12/24 und 48 V, über jeweils eigene Massepunkte mit dem Chassis verbunden, jedoch nicht galvanisch getrennt. Zwischen Hochvolt- (HV) und Niedervolt-Ebene ist eine galvanische Trennung vorgeschrieben. Aufgrund von Sicherheitsaspekten sollten zusätzlich auch die Netze räumlich getrennt werden.

Batterien messen

Eine moderne Hochvolt-Batterie besteht neben dem Zellpaket aus der Batteriemanagement-Einheit, inklusive der Temperatur-Überwachung, und einem robusten Gehäuse mit Anschlüssen, welche den hohen Sicherheitsanforderungen entsprechen. Mechanisch werden die Batterie-Zellen in der Regel zu einem Block aus vielen Einzelzellen zusammengefasst. Mehrere solcher Blöcke bilden dann die Batterie. Die Gesamt-Batteriespannung U_BAT ergibt sich aus der Anzahl, der in Reihe geschalteten Batterieblöcken, multipliziert mit der Zellspannung. Bei Li-Ionen-Batterien liegt die Spannung einer einzelnen Zelle im Bereich von 3 bis 4 V. Für eine Gesamtbatteriespannung von 400 V müssen somit mindestens 100 Zellen in Reihe geschaltet werden. Bei Messungen an Batterien ist zu beachten, dass das kombinierte Spannungspotential aus Gleichtakt- (U_C) und Messspannung (U_M) niemals die Isolationsspannung (U_ISO) übersteigen darf.

Warum isoliert messen?

Die wesentlichen Vorteile isolierten Messens im Bereich der Elektromobilität sind:

• Einfache Messung von Gleichtaktspannungen, zum Beispiel an Batteriezellen

• Hohe Sicherheit bei der Messung in der Nähe von Hochvolt-Komponenten

• Beste Signalintegrität bei Spannungsspitzen durch induktive Verbraucher wie Motoren und bei Störimpulsen auf dem Massepotential aufgrund hoher Schaltströme

Diese Vorteile zeigen sich zum Beispiel bei der Überprüfung der Spannung von einzelnen Batteriezellen. Die meisten Messtechniker denken in diesem Fall an ein klassisches Handheld-Messgerät, das keine Verbindung zu dem Schutzleiter beziehungsweise der Masse hat. Soll im Rahmen der Qualitätssicherung aber das dynamische Lastverhalten einzelner Batteriezellen überprüft werden, ist eine leistungsfähigere Lösung notwendig. Verlangen die Anforderungen außerdem nach einer Messung im Rahmen eines automatisierten Prüfablaufs, ist eine performante Anbindung an den PC erforderlich. Für ein solches Szenario sind isolierte Messkarten ideal, um umfangreiche Messreihen, sowohl von Gleich- als auch Wechselspannungen und -strömen, präzise und schnell aufnehmen zu können.

Von zentraler Bedeutung beim Design isolierter Messkarten ist die Entkopplung des Signalpfads. Je nach Aufgabenstellung kann das analog, das heißt vor dem A/D-Wandler – etwa durch Trennverstärker – oder auf der digitalen Seite des Wandlers erfolgen. Im Fall einer digitalen Isolierung, lässt sich das optoisoliert, induktiv oder kapazitiv umsetzen.

Besonders sicher und vielseitig einsetzbar sind Messkarten mit einzeln isolierten Kanälen, sogenannten Inselkanälen, die nicht nur gegenüber der PC-Masse isoliert sind, sondern auch eine Potentialtrennung untereinander aufweisen. Dieses Konzept setzt Alldaq beispielsweise bei den Spannungsmesskarten seiner ADQ-250-Serie ein.

Um Kleinsignalrauschen, zum Beispiel bei größeren Kabellängen, wirksam zu unterdrücken, ist eine differentielle Eingangsstufe empfehlenswert. Die Spannungseingänge umfassen meist ein oder mehrere Bereiche bis ±10 V und sind damit zur Messung einzelner Batteriezellen völlig ausreichend. Eher selten sind Messkarten mit einem Eingangsbereich von ±10,24 V, wie ihn Alldaqs ADQ-250-Reihe besitzt. Damit können ±10 V vollumfänglich gemessen werden. Das ist zum Beispiel häufig bei Signalkonditionierungsmodulen erforderlich. Um Verbraucher im 48-V-Bordnetz direkt zu messen, empfehlen sich Messkarten mit einem erweiterten Messbereich von beispielsweise ±102,4 V, wie das bei der ADQ-250E-Serie von Alldaq der Fall ist.

Bei der Auswahl des DC/DC-Wandlers zur Versorgung des analogen Frontends ist es wichtig darauf zu achten, dass die Isolationsspannung auch einer dauerhaften Belastung standhält.

Strommessung mit Messkarten

Neben der isolierten Spannungsmessung kommt der Strommessung eine immer größere Bedeutung zu. Bei dieser sind im Wesentlichen drei Messarten zu unterscheiden:

• Induktive Messung misst die in der Stromzange induzierte Spannung. Sie ist nur für Wechselstrom geeignet und benötigt keine zusätzliche Hilfsspannung.

• Hallsensoren liefern eine Spannung, sobald sich ein von Strom durchflossener Leiter in einem umgebenden Magnetfeld befindet. Sie sind auch für Gleichstrom geeignet und benötigen eine Hilfsspannung.

• Klassische, Shunt-basierte Strommessung: Während die ersten beiden Messprinzipien berührungslos, das heißt prinzipiell isoliert messen, ist der Isolationsaufwand für eine Shunt-basierende Messung höher. Sie gewährleistet jedoch eine sehr hohe Signalintegrität und ist vor allem für dynamische Messungen im Bereich >10 kHz geeignet.

Moderne Strommesskarten, wie zum Beispiel die CompactPCI-Karte ADQ-412 von Alldaq, bieten vielfaches Oversampling, den Abgleich unter Einbeziehung der Feldverdrahtung und eine Isolationsspannung von 700 V. Dadurch können sie nicht nur Ruheströmen messen, sondern auch Einschaltspitzen bis zu 50 A.

Schnellere Ergebnisse dank isoliertem Messen

Neben der Elektromobilität sind Messungen mit isolierten Kanälen immer dann sinnvoll, wenn Gleichtaktspannungen, Transienten mit hoher Spannung und elektrisches Rauschen vorkommen. Anwender und Messaufbau werden vor potenziell gefährlichen Spannungsspitzen geschützt. Die höheren Anschaffungskosten isolierter Messhardware zahlen sich schnell aus, da Entwickler von der Zuverlässigkeit und den verlässlichen Messergebnissen profitieren und schneller zu relevanten Ergebnissen kommen. Besonders sinnvoll sind isolierte Messungen in der Entwicklung von Elektrokomponenten, der Gesamtfahrzeug- und Lebensdauererprobung, der Qualitätskontrolle und bei weit verteilten Messstellen oder Sensoren, wie zum Beispiel auf Prüfständen.