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Strommessung im Antrieb von E-Autos – Kompaktere Inverter erfordern präzisere Shunts

31.08.2022 Knowledge

Wie für viele andere Geräte und Anwendungen, sind auch für Elektroautos immer kleinere Komponenten gefordert. Bei Invertern für die Kontrolleinheit des Elektromotors bringt die Miniaturisierung höhere Schaltfrequenzen mit sich. Dadurch steigt der Einfluss der parasitären Induktivität. Niederinduktive Shunts bieten hier höchste Präzision zur Messung des Antriebsstroms.

 

Batteriebetriebene elektrische Fahrzeuge gelten aktuell als Basis für die Mobilität der Zukunft. Ihr Konzept ist so einfach wie alt: Eine Batterie speichert die elektrische Energie und treibt damit einen Elektromotor an, der das Fahrzeug in Bewegung setzt. Ziel moderner Technologien ist es, die Effizienz des Antriebs – und damit auch die Reichweite des Fahrzeugs – zu steigern. Gleichzeitig soll die Ladezeit der Batterie möglichst kurz sein.

Weil sie wartungs- sowie nahezu verschleißfrei sind und einen hohen Wirkungsgrad haben, finden in aktuellen Elektroautos größtenteils bürstenlose Drehstrom-Motoren Anwendung. 

Um den Motor anzusteuern, ist eine Leistungselektronik erforderlich. Denn die Batterie liefert ihre Energie in Form von Gleichstrom. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Antriebssystems.

Die Leistungselektronik besteht hier aus einem Inverter-Modul, das den Gleichstrom in drei Phasen umwandelt. Bisher kamen hierfür vor allem IGBTs zum Einsatz, also Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode auf Silizium-Basis. Eine Spule, die auf die Eigenschaften des Inverters ausgelegt ist, dient als Output-Filter.

Ansätze zur Miniaturisierung

Im Zuge der Optimierung der Reichweite wird versucht, so viel Gewicht wie möglich einzusparen. Durch höhere Batteriespannungen können z.B. geringere Drahtquerschnitte verwendet werden. Für die Miniaturisierung der Elektronik bietet die Siliziumkarbid- (SiC) Technologie die Möglichkeit zu höheren Schalfrequenzen und geringeren Schaltverlusten bei kleinerer Bauweise. Die höheren Schaltfrequenzen bieten außerdem den Vorteil, dass kleinere passive Komponenten verwendet werden können, also auch eine kleinere Spule im Output-Filter.

Damit die Motorsteuerung den Motorstrom sinnvoll regeln kann, braucht sie den aktuell fließenden Strom als Eingangsparameter. Dieser muss daher permanent gemessen werden. Die genauesten Ergebnisse liefert ein Strommesswiderstand (Shunt). Am häufigsten finden hier sogenannte Metal-Plate-Shunts im Milliohm- bis Mikroohmbereich Anwendung. Sie bestehen meist aus einer Metalllegierung und sind für besonders hohe Ströme geeignet. Das Messprinzip ist recht einfach: Fließt ein Strom, gibt es über dem Widerstand einen messbaren Spannungsabfall. Aufgrund des bekannten Ohmwertes und der gemessenen Spannung lässt sich mithilfe des Ohm’schen Gesetzes der Strom errechnen.

In der Realität gibt es jedoch verschiedene Einflussfaktoren, die zu einem abweichenden Messergebnis führen können, wenn sie im Vorhinein nicht beachtet und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bei hochfrequenten Strömen spielt die parasitäre Induktivität diesbezüglich die größte Rolle. Sie induziert bei einer Stromänderung eine elektromotorische Kraft, auch Urspannung genannt. Diese wird umso größer, je stärker die Stromänderung über einen gewissen Zeitraum ausfällt bzw. je kürzer der Zeitraum für die Stromänderung ist. Abbildung 2 zeigt einen typischen Strom- und Spannungsverlauf über einem Widerstand mit größerer parasitärer Induktivität.

Da mit dem Shunt die Spannung gemessen werden soll, ist die erzeugte Urspannung möglichst gering zu halten, um den Messfehler zu minimieren. Je höher die Schaltfrequenz, desto höher ist auch der Einfluss der parasitären Induktivität. Deshalb sind insbesondere bei SiC-basierten Invertern niederinduktive Shunts gefragt, um eine präzise Messung des Stroms sicherzustellen.

Alternativ ist es auch möglich, einen höheren Ohmwert zu wählen, so dass sich der Einfluss der parasitären Induktivität auf den messbaren Spannungsabfall verringert, da das Signal insgesamt größer wird. Das führt jedoch wieder zu höheren Verlusten durch eine erhöhte Leistungsaufnahme. Es ist also vorteilhafter, einen Shunt mit besonders geringer parasitärer Induktivität zu wählen. Das bieten vor allem flache SMD (Surface Mount Device) Metal-Plate-Shunts dank ihrer Bauform und Materialauswahl.

Als Initialtoleranz für Strommesswiderstände hat sich der Wert von ±1% durchgesetzt. Um diesen Wert bei der Produktion zu gewährleisten, muss der Widerstand abgeglichen werden. Verfahren, die auf Einschnitte in das Widerstandselement verzichten, liefern hier die besten Ergebnisse. Rutronik bietet mit den Serien TLR und PS von KOA Europe zwei besonders niederinduktive Shunt-Serien an. Die TLR-Serie kommt für den Abgleich des Ohmwertes komplett ohne Einschnitte in das Material aus und erreicht damit parasitäre Induktivitätswerte im Bereich von 0,1nH. Die PS-Serie ist für deutlich größere Ströme bis 244A ausgelegt. Sie hat etwas höhere Induktivitätswerte, diese liegen aber dennoch deutlich unter 1nH. Damit eignen sich diese Bauteile hervorragend für die Strommessung von Elektromotoren in E-Autos, insbesondere wenn SiC-basierte oder andere hochfrequente Inverter verwendet werden.


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Schematic description of a drive unit for a battery electric vehicle (picture source: KOA Europe)

Voltage and current across a shunt with 50 mΩ and 10 nH (picture source: KOA Europe)