Analogtipp Strom über fünf Dekaden in 48-V-Systemen messen

Von Dan Harmon *

In Batteriemanagementsystemen ist ein Messbereich über fünf Dekaden notwendig. Der Analogtipp erklärt warum das so ist, welche Anforderungen an den Strommessbereich eines 48-V-BMS gestellt werden, wie Sie das Messsystem einfach gestalten und den Shunt dimensionieren.

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Bild 1: 
Vereinfachte Darstellung der Messpunkte in einem Batteriemanagementsystem.
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Vereinfachte Darstellung der Messpunkte in einem Batteriemanagementsystem.
(Bild: TI)

In vielen Batteriemanagementsystemen (BMS) werden zwei Messungen durchgeführt, um die Vorgaben der Funktionalen Sicherheit zu gewährleisten. Eine Messung muss hochpräzise sein, um den Ladezustand der Batterie zu überwachen. Die zweite Messung muss nicht so genau sein – sie dient lediglich zum Vergleich. (Sie stellt sicher, dass die erste Messung im richtigen Bereich liegt).

Die sekundäre Messung erfolgt häufig an der entgegengesetzten Seite des Batteriestapels, so dass ein völlig anderer Shunt notwendig wird. Alternativ dazu kann eine andere Technik, z. B. ein magnetischer Stromsensor, einen redundanten Pfad für die Funktionale Sicherheit bieten.

Batteriemanagement: Warum ist ein Multidekaden-Messbereich in 48-V-BMS notwendig?

Bild 1: 
Vereinfachte Darstellung der Messpunkte in einem Batteriemanagementsystem.
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Vereinfachte Darstellung der Messpunkte in einem Batteriemanagementsystem.
(Bild: TI)

Warum muss ein Kfz-Batteriemanagementsystem über mehrere Dekaden des Stroms messen? Das obere Ende des Messbereichs wird von zwei Betriebsarten bestimmt: dem Aufladen der Batterie und dem Betrieb des Traktionsmotors. Wie Sie aus Bild 1 entnehmen können, erfolgt die Messung entweder oberhalb oder unterhalb des Batterie-Stapels. In beiden Fällen können potenziell Ströme bis zu 1.000 A auftreten.

Die 48-V-Batterie wird mit hohen Strömen geladen, um die Ladezeit zu minimieren. Die Traktionsmotoren müssen bei maximalem Drehmoment einen Spitzenstrom von 1.000 A verkraften.

Bidirektionale Strommessung

Bild 2: Die Strommessung in einem Batterie­managementsystems im Auto muss sowohl 
Quellen- als auch Senkenströme detektieren.
Bild 2: Die Strommessung in einem Batterie­managementsystems im Auto muss sowohl 
Quellen- als auch Senkenströme detektieren.
(Bild: TI)

Diese beiden Anwendungsfälle verdeutlichen auch die Notwendigkeit einer bidirektionalen Strommessung, wie in Bild 2 dargestellt. Beim Laden fungiert die Batterie als Senke und nimmt Strom aus dem Bord-Ladesystem auf, während sie umgekehrt die Rolle einer Stromquelle (für den Traktionswechselrichter) einnimmt, wenn das Fahrzeug fährt.

Am anderen Ende des Verbrauchsspektrums liegt der 100-mA-Bereich für den Betrieb im abgeschalteten Fahrzeug, z. B. für den schlüssellosen Zugang (Keyless Entry) oder Updates der System-Firmware. Deswegen ist ein Messbereich über fünf Dekaden notwendig.

48-V-BMS: Dimensionierung des Shunts

Welchen Wert muss nun der Shunt haben, um den maximalen Strom messen zu können? Neben dem größtmöglichen Strom wird für diese Berechnung auch der Vollausschlag-Eingangsbereich des Messgeräts benötigt.

Bei einem Gerät mit bidirektionalem Analogausgang bestimmen die Versorgungsspannung, der Spannungshub zur Versorgung und die Referenzspannung den maximalen Ausgangshub. Dividiert man den maximalen Ausgangshub durch die Verstärkung, erhält man den Vollausschlag des Eingangs.

Bei einem digitalen Baustein ist der Eingangsbereich meist im Datenblatt angegeben. Den maximalen Wert des Shunts erhält man, indem man den Vollausschlag-Eingangstromwert durch den maximalen Strom dividiert.

Der tatsächliche Wert des Shunts sollte kleiner sein als der berechnete Wert. Damit schließen Sie aus, dass etwaige Systemtoleranzen die Schaltung in die Sättigung treiben. Sobald Sie den Wert des Shunts kennen, sollten Sie außerdem überlegen, welcher Fehler in der Implementierung akzeptabel ist.

Anforderungen an einen Strommessbereich über fünf Dekaden

Das Realisieren eines Strommessbereichs von fünf Dekaden in einer 48-V-BMS-Applikation stellt also folgende Anforderungen:

  • Hinreichend großer Eingangsbereich, um beim maximalen Strom einen genügend großen Shunt wählen zu können und so den Offset-Fehler zu überwinden.
  • Niedrige Gesamt-Offsetspannung am Eingang, unter Berücksichtigung der Gleichtaktunterdrückung (CMR) und des Versorgungsspannungsdurchgriffs (PSRR), um die niederohmigen Shunts für den maximalen Strom zu nutzen.

Der Vollausschlag-Eingangsbereich des digitalen Power-Monitors INA229-Q1 und die maximale Gesamt-Offset-Spannung von 2 µV über den Arbeitstemperaturbereich bei einer Gleichtaktspannung von 48 V ermöglichen einen Messbereich von fünf Dekaden mit einem einzigen Baustein sowie ein und demselben Shunt. Zudem lässt sich mit dem Chip die 48-V-Batterie mit verschiedenen Alarmfunktionen überwachen, beispielsweise Über- oder Unterspannung sowie Über- oder Unterstrom.

* Dan Harmon arbeitet im Produkt-Marketing „Automotive Current Sensing“ bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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