Teil 1 dieses Artikels befasste sich mit aktuellen Shunts und Hall-Effekt-Sensordesigns. In diesem Teil geht es um Stromwandler und Neues Technologie Optionen wie Magnetowiderstand und sogar Diamant-Quantensensoren.
Eines der Hauptprobleme bei heutigen Elektrofahrzeugen (EVs) ist die ständige Weiterentwicklung der Technologie und die Weiterentwicklung der Standards. In den mehr als 100 Jahren, in denen es Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen gab, ermöglichte die fast ausschließliche Verwendung von bleihaltigem und dann bleifreiem Benzin und Dieselkraftstoff die Errichtung von Tankstellen überall dort, wo sie in Ländern mit standardisierter Kraftstoffabgabe benötigt wurden. Während die Spannung in heutigen Elektrofahrzeugen normalerweise bei etwa 400 V liegt, gibt es die Anschlüsse für das schnellste (Level 3) Laden in drei verschiedenen Ausführungen: SAE Combo, Tesla und CHAdeMO. Allerdings bietet Porsche mit der kürzlich eingeführten Performance Batterie Plus nun auch Serienfahrzeuge (Taycan-Modelle) mit einer Systemspannung von 800 Volt (Spannungsbereich 610 bis 835 Volt) an. Höhere Spannungen bedeuten schnelleres Laden und laufende Änderungen könnten Systementwickler dazu veranlassen, ihre Wahl der Stromsensoren in bestimmten EV-Systemen zu ändern.
Stromwandlersensoren
Stromwandlersensoren werden in zwei verschiedenen Bauformen angeboten: konventionell und Rogowski-Spule. Basierend auf dem Faradayschen Gesetz ist die Stromwandlermessung eine nicht-invasive (isolierte) Technik zur Messung von Wechselstrom (AC). Es verwendet eine Spule mit einem Magnetkern und die Erhaltung des Ampere-Windungsverhältnisses, um den gemessenen Spulenstrom gegenüber dem Primärstromniveau deutlich zu reduzieren. Typischerweise verfügt ein Stromtransformator über eine Primärwicklung mit einer Windung und eine Sekundärwicklung mit 10 bis 1,000 Windungen auf einem Magnetkernmaterial, das für den Frequenzbereich ausgewählt wird. Zusätzlich zu ihrer inhärenten Isolation sind Stromwandler auch hochlinear und können einen großen Dynamikbereich erreichen.
Anstelle eines Magnetkerns handelt es sich bei einer Rogowski-Spule um einen Luftkernmagneten, der in einem nahezu geschlossenen Kreis um einen stark stromführenden Leiter gebogen ist, um Wechselstrom zu messen. Im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien kommt es bei Luft nicht zu Nichtlinearität oder Sättigung, sodass die Rogowski-Spule aufgrund des Fehlens eines Magnetkerns Ströme mit sehr hoher Frequenz und hoher Amplitude lesen kann. Anstatt jedoch direkt die Strommenge anzuzeigen, ist die Ausgabe proportional zur Stromänderungsrate (di/dt). Um den aktuellen Messwert zu erhalten, muss der Ausgang der Spule integriert werden. Folglich begrenzt der Integrator zwangsläufig den Frequenz- und Amplitudenbereich, den die Spule messen kann.
Magnetowiderstandsmessung
Der elektrische Widerstand eines Magnetowiderstandssensors ändert sich, wenn er einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Magnetowiderstandssensorprodukte sind in drei Typen erhältlich: anisotroper Magnetowiderstand (AMR), Riesenmagnetowiderstand (GMR) und Tunnelmagnetowiderstand (TMR). Im Gegensatz zu einem AMR- oder GMR-Element kann ein Tunnelmagnetowiderstandselement (TMR) eine viel höhere Leistung erzeugen. Zu den Vorteilen von TMR als neueste Magnetsensortechnologie für EV-Stromerfassungsanwendungen gehören eine geringere Anfälligkeit gegenüber Temperaturänderungen, eine extrem hohe magnetische Empfindlichkeit und ein hohes SNR. Zu den weiteren Vorteilen von TMR gehören ein geringer Stromverbrauch, eine programmierbare Überstromerkennung und ein Fehler-Pin, eine bidirektionale Erfassung und eine Hochspannungsisolierung zur Gewährleistung der Sicherheit.
Diamant-Quantenstromsensor
Noch im Forschungs- und Entwicklungsmodus bieten Diamant-Quantensensoren einen von Natur aus großen Dynamikbereich und eine hohe Empfindlichkeit zur Messung des Batteriestroms. Das Design der Forscher nutzt die Differenzerkennung zweier Sensoren, um Gleichtakt-Umgebungsgeräusche im Fahrzeug zu eliminieren. Eine analog-digitale Mischsignalsteuerung verfolgte die Magnetresonanz-Mikrowellenfrequenzen des Quantensensors über einen weiten Dynamikbereich und zeigte keine Abweichung an.
In einem Prototyp eines Batteriemonitors maß der Diamant-Quantensensor einen Batteriestrom von bis zu 130 A und deckte damit das Fahrmuster des Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTC) ab. Die Fähigkeit des Stromsensors, den Ladezustand der Batterie genau abzuschätzen, wurde mit 10 mA ermittelt. Tests bestätigten einen Betriebstemperaturbereich von − 40 bis + 85 °C und einen maximalen Stromdynamikbereich von ± 1000 A.
Bibliographie
Die neuen Porsche Taycan-Modelle 2025 – Porsche Newsroom USA
Taycan, Taycan 4S, Turbo und Turbo S – Die Batterie – Porsche Taycan
Aufgeladene Elektrofahrzeuge | Ein genauerer Blick auf aktuelle Sensoren in Elektrofahrzeugen – geladene Elektrofahrzeuge
Bildquelle: Leistungsoptimierung von Rogowski-Spulen-Stromwandlern – DENT Instruments
TMR Coreless Current Sensing in Elektrofahrzeugen https://crocus-technology.com/tmr-coreless-current-sensing-in-evs/
Bildquelle: TMR-Sensorlösung: Präzise Batterieüberwachung für Elektrofahrzeuge | TDK
Hochpräzise, robuste Überwachung des Lade-/Entladestroms über einen weiten Dynamikbereich für Elektrofahrzeugbatterien mithilfe von Diamant-Quantensensoren | Wissenschaftliche Berichte (nature.com)