Weitbereichsstrommessung

Der Energieverbrauch der verschiedenen Steuergeräte in einem Fahrzeug ist mit einem erhöhten Bedarf an elektrischer Energie (Spitzenleistung) in verschiedenen Fahrsituationen verbunden. Im Allgemeinen hat sich der Stromverbrauch in Fahrzeugen mehr als verdoppelt. Dies ist auf die allmähliche Abkopplung von immer mehr Fahrzeugsystemen zurückzuführen, die traditionell Verbraucher des Verbrennungsmotors waren, z. B. das Lenksystem oder der Kühlmittelkompressor. Diese wurden direkt durch elektrische Systeme in Elektrofahrzeugen ersetzt. Darüber hinaus werden zahlreiche neue oder stark weiterentwickelte elektrische Verbraucher wie z.B. komplexe Infotainmentsysteme in Fahrzeuge eingebaut, um Komfort und Sicherheit zu erhöhen.

Erschwerend kommt hinzu, dass die Struktur des Bordnetzes in Elektrofahrzeugen auf eine Zwei-Batterie-Architektur umgestellt wurde. Diese Architektur hat zwei Spannungsebenen, die über einen DC/DC-Wandler gekoppelt sind, und muss auch eine Einspeisung hoher Rekuperationsenergien beim Bremsen berücksichtigen. Deshalb sind komplexe Energiemanagementsysteme erforderlich, um diese Anforderungen zu bewältigen und die Sicherheit und volle Funktionsfähigkeit eines Fahrzeugs auch bei längerem Stillstand zu gewährleisten. Das Bordnetz muss bei einer Vielzahl von Einflussfaktoren wie Fahrzyklen, Lastszenarien oder Außentemperaturen ein stabiles Verhalten aufweisen.

Aus diesem Grund wird das Energiemanagementsystem eines Fahrzeugs bereits in der Prototypenphase der Fahrzeugentwicklung simuliert und die Genauigkeit der Simulationsmodelle in späteren Entwicklungsphasen durch Messungen verifiziert. Für diese Messungen werden alle elektrischen Verbraucher eines Fahrzeugtyps auf Steckplatinen, sogenannten Breadboards, aufgebaut, die während der gesamten Entwicklungs- und Produktionszeit vorhanden und verfügbar bleiben.

So können z.B. Fehler in Bauteilen und Software-Updates reproduziert werden. In diesen Prüfständen müssen bis zu 100 Stromkanäle überwacht werden, um das Energiemanagementsystem vollständig zu beurteilen und die daraus resultierenden Daten zu erfassen.

Die Messung von Lastströmen in Fahrzeugbordnetzen, vor allem wenn es sich um eine große Bandbreite von unterschiedlichen Stromwerten handelt, stellt mehrere Herausforderungen dar. Diese Herausforderungen ergeben sich aus der Notwendigkeit, sowohl sehr große als auch sehr kleine Ströme gleichzeitig genau und sicher zu messen. Hier sind einige der wichtigsten Herausforderungen:

1. Breiter Strombereich: Elektrische Systeme in Fahrzeugen weisen in der Regel einen großen Strombereich auf, der von sehr kleinen Strömen (Nanoampere) in elektronischen Steuergeräten (ECUs) bis zu sehr großen Strömen (mehrere zehn Ampere) in verbrauchsintensiven Komponenten wie Motoren und Scheinwerfern reicht. Die Messung dieses breiten Spektrums mit einem einzigen Gerät kann eine Herausforderung darstellen.
2. Messgenauigkeit und Präzision: Die Gewährleistung hoher Genauigkeit und Präzision über den gesamten Strombereich ist unerlässlich. Ungenaue Messungen können zu einer fehlerhaften Diagnose und Wartung führen und die Leistung und Sicherheit des Fahrzeugs beeinträchtigen.
3. Shunt-Widerstand: Zur Strommessung werden häufig Shunt-Widerstände verwendet. Die Auswahl eines geeigneten Shunt-Widerstands, der hohe Ströme ohne Überhitzung verarbeiten kann und gleichzeitig eine gute Auflösung für kleine Ströme bietet, ist jedoch eine Herausforderung.
4. Spannungsabfall: Messungen hoher Ströme über Shunt-Widerstände können zu erheblichen Spannungsabfällen führen. Dies kann die Leistung empfindlicher Elektronik oder von Geräten mit niedrigen Versorgungsspannungsschwellen beeinträchtigen. Die Abschwächung dieses Spannungsabfalls ist entscheidend.
5. Wärmeableitung: Hohe Ströme erzeugen Wärme, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen und möglicherweise Bauteile beschädigen kann. Um diese Probleme zu vermeiden, müssen wirkungsvolle Lösungen zur Wärmeableitung eingesetzt werden.
6. Elektrisches Rauschen: Das gleichzeitige Auftreten von Hoch- und Niederstromsignalen in einem System kann zu elektrischem Rauschen führen. Dieses Rauschen kann die Genauigkeit der Messungen beeinträchtigen und erfordert möglicherweise eine zusätzliche Abschirmung oder Filterung.
7. Sicherheit: Die Sicherheit ist beim Umgang mit hohen Strömen ein vorrangiges Anliegen. Angemessene Schutzmechanismen, wie z. B. Sicherungen oder Stromkreisunterbrecher, müssen zum Schutz vor Überstrombedingungen vorhanden sein. Die Gewährleistung der Sicherheit bei gleichzeitiger Durchführung genauer Messungen ist ein Balanceakt, der jedoch immer zugunsten der Sicherheit der messenden Person ausfallen muss.
8. Sensor-Kalibrierung: Die Kalibrierung eines Stromsensors, der über einen weiten Bereich genau sein soll, stellt eine Herausforderung dar. Die Kalibrierung für kleine Ströme kann andere Techniken und Geräte erfordern als für große Ströme.
9. Kosten: Die Entwicklung eines Sensors oder Messsystems, das einen großen Strombereich abdeckt und gleichzeitig genau ist, kann kostspielig sein, was sowohl für Hersteller als auch für Verbraucher ein Problem darstellt.
10. Größe und Verpackung: Die Entwicklung eines Messgeräts, das in den oft begrenzten Platz im elektrischen System eines Fahrzeugs passt, ist oftmals nicht einfach, insbesondere wenn es um sehr kleine und sehr große Ströme geht.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, können Automobilingenieure und -hersteller verschiedene Strategien anwenden, wie z. B. die Verwendung mehrerer Sensoren für verschiedene Strombereiche, die Verwendung von Instrumenten mit automatischer Messbereichswahl, die Anwendung fortschrittlicher Kalibrierungsverfahren und die Integration von Temperatur- und Spannungskompensationsmechanismen. Letztendlich ist es entscheidend, bei der Entwicklung von Messsystemen für elektrische Lasten im Fahrzeug ein Gleichgewicht zwischen Genauigkeit, Sicherheit und Kosten zu finden.