Analogtipp Präzise A/D-Wandler für die exakte Energiezählung in Ladestationen

Je größer der Bedarf an AC- und DC-Ladesystemen wird, umso wichtiger werden hochgradig präzise Energiezähler. Präzisions-ADCs ermöglichen exakte Energieberechnungen und bringen die notwendige Flexibilität mit, um die Infrastrukturen für die umweltfreundliche Mobilität der Zukunft zu schaffen

Die stetig zunehmende Verbreitung elektrisch angetriebener Fahrzeuge verlangt nach einem immer dichteren Netz von Ladestationen, die zudem möglichst effizient sein sollen. Wegen ihrer auf 22 kW begrenzten Ladeleistung kommen AC-Ladestationen vorwiegend in Privathaushalten zum Einsatz, wo längere Ladezeiten eher hinnehmbar sind als an öffentlichen Ladepunkten. Die kaskadierten Power-Module von DC-Ladestationen bieten dagegen Leistungen von über 360 kW und sorgen damit für kurze Ladezeiten, benötigen dafür aber mehr Platz und kommen deshalb eher für öffentliche Ladepunkte in Frage.

Beide Arten von Ladesystemen benötigen hochpräzise Energiezähler, wobei es drei Arten von Zählern gibt:

• Wechselstromzähler – Hier wird die aus dem Netz kommende bzw. in das Netz zurückfließende Energie gemessen. In zunehmendem Maß werden traditionelle Zähler in AC-Ladegeräte eingebaut, um einen direkten Anschluss an das Netz zu ermöglichen.

• Strommessung in DC-Power-Modulen – Während die Energiezählung oftmals getrennt von den Power-Modulen erfolgt, ist unter Umständen eine hochpräzise Stromüberwachung erforderlich. Zwischen den Power-Modulen eines DC-Ladesystems angeordnet, können isolierte Verstärker Auskunft über die Leistungsfähigkeit der einzelnen Module geben.

• Gleichstromzähler – DC-Ladesysteme basieren auf unterschiedlichen Architekturen, da sich ihre Nennleistung durch die Zahl der Power-Module erhöhen oder verringern lässt. In einigen Fällen findet sich ein Energiezähler am Ausgang der DC-Ladestation. Dieser misst die Spannung am Einspeisepunkt zum Fahrzeug, damit den Konsumenten nicht die die zwischen Ladeeinheit und Ladestecker entstehenden Verluste in Rechnung gestellt werden (Bild 1).

Um die Energiemenge für die Leistungsmessung zu berechnen, gibt es mehrere Konzepte. Ein präziser A/D-Wandler wird mit einem Mikrocontroller kombiniert, um den Strom und die Spannung aller drei Phasen zu messen (Mehrphasen-Zählerarchitektur). Dabei können Stromwandler oder Shunt-Widerstände zum Einsatz kommen. An den ADC werden dabei überaus strikte Genauigkeitsanforderungen gestellt, damit die Normen der jeweiligen Regulierungsbehörden eingehalten werden. Der Signal-Rauschabstand, das Rauschen und der Verstärkungsfehler entscheiden ebenfalls darüber, ob sich ein bestimmter ADC für eine Energiezähler-Anwendung eignet.

Soll ein Stromwandler als Messwertaufnehmer dienen, wird ein mehrkanaliger Präzisions-ADC benötigt. Der 24-Bit-ADC ADS131M08 mit integrierter Phasenverzögerung übertrifft sogar die Anforderungen der Zählernorm ANSI C12. Der ADS131B04-Q1 bietet sich mit seinem geringeren Offset-Fehler und seiner geringeren Drift für DC-Ladestationen an. Unabhängig vom jeweils verwendeten A/D-Wandler ist unter Umständen eine Abschirmung nötig, um den Zähler vor magnetischen Manipulationen zu schützen. Unerlässlich ist diese Schutzmaßnahme, wenn mit dem Zähler die an den Konsumenten abgelieferte Energiemenge ermittelt werden soll.

Bei einer auf Shunt-Widerständen basierenden Zählerarchitektur sind die Genauigkeitsanforderungen identisch. Da Shunt-Widerstände antimagnetisch sind, kann hier auf Schirmmaßnahmen verzichtet werden, sodass kostengünstigere und kompaktere Lösungen möglich sind. Der isolierte 24-Bit-ADC AMC131M03 verfügt über eine integrierte Daten- und Stromversorgungs-Isolation und seine Störstrahlungswerte liegen unter den Anforderungen gemäß CISPR 11 und 25. Mit seinem großen Signal-Rauschabstand und seinem geringen Verstärkungsfehler ermöglicht dieser A/D-Wandler höchst exakte Messungen. Seine verstärkte Isolation ist für 7.070 V_PEAK und 5.000 V_eff (für eine Dauer von einer Minute) ausgelegt. (kr)

* Jiyah Starks ist Product Marketing Engineer PADC bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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