Exakte Messung von Strömen Der Shunt: Das unbekannte Wesen

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Ohne präzise Überwachung droht im Elektroauto ein teurer Batteriedefekt. Batteriemanagementsysteme (BMS) regeln deshalb permanent die Ströme, die über einen Strommesswiderstand, den Shunt, ermittelt werden. Doch was macht einen guten Shunt aus?

Um nicht von vorneherein einen falschen Eindruck zu verursachen: Shunts werden natürlich nicht nur in Batteriemanagementsystemen eingesetzt. Ihre Einsatzgebiete sind absolut vielseitig. Im Grunde sind sie überall zu finden, wo hohe Ströme zu messen sind: In hochpräzisen Messausrüstungen, in Wechselrichtern für Photovoltaik-Anlagen, in Frequenzumrichtern für die Steuerung von Elektromotoren. Oder auch in der Medizintechnik – vom MRT-Scanner bis zur Infusionspumpe. Weitere Applikationsbereiche kommen ständig hinzu.

In all diesen Anwendungen nutzt man Shunts – also elektrische Widerstände mit einem sehr niedrigen Widerstandswert – um den fließenden Strom indirekt durch Messung des Spannungsabfalls über dem Shunt zu bestimmen.

Die Shunts weisen sehr niedrige Widerstandswerte im Milliohm-Bereich auf, damit sie den normalen Betrieb des Stromkreises nicht beeinträchtigen. Wenn Strom durch den Shunt fließt, entsteht ein proportionaler Spannungsabfall gemäß dem Ohm’schen Gesetz (U = R × I). Dieser Spannungsabfall wird gemessen und daraus der Strom ermittelt. Die Präzision der Strommessung hängt dabei ganz entscheidend von der Genauigkeit des Shunt-Widerstands ab.

Bei der Strommessung mittels Shunts können verschiedene Faktoren zu Messverfälschungen führen. Die wichtigsten Einflussgrößen sind:

• Übergangswiderstände an den Anschlüssen: Diese können größer als der eigentliche Messwiderstand sein und zu unvorhersehbaren Spannungsabfällen führen. Um den Einfluss dieser Übergangswiderstände zu minimieren, wird die Messspannung am Shunt häufig über zwei separate Anschlüsse (Kelvin-Anschlüsse) abgegriffen.

• Temperaturabhängigkeit: Der Widerstand des Shunts ändert sich mit der Temperatur, was die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt.

• Induktive und kapazitive Effekte: Vor allem bei Wechselstrommessungen oder in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Feldern können parasitäre induktive oder kapazitive Effekte die Messergebnisse beeinflussen.

• Langzeitveränderungen und Materialalterung: Mechanische Beanspruchung, Oxidation oder Materialermüdung können den Widerstand des Shunts über die Zeit verändern.

Viele dieser Einflussfaktoren lassen sich durch eine sorgfältige Auswahl der Materialien, eine präzise mechanische Ausführung und geeignete Herstellungsverfahren wie etwa dem Elektronenstrahlschweißen minimieren.

Beim Elektronenstrahlschweißverfahren (Electron Beam Welding, EBW), das Susumu bei der Herstellung seiner Präzisions-Shunts verwendet, trifft ein hoch fokussierter Elektronenstrahl unter Vakuumbedingungen auf das Werkstück und erhitzt dieses punktuell. Das Verfahren wird eingesetzt, wenn höchste Präzision und minimale Wärmeeinflüsse gefordert sind. Der konzentrierte Elektronenstrahl ermöglicht sehr schmale Schweißnähte, was zu einer präzisen Verbindung führt, ohne das Bauteil übermäßig zu erhitzen. Durch die punktuelle Energieeinbringung bleibt der umgebende Materialbereich nahezu unverändert. Das ist besonders wichtig, um die exakt kalibrierte Widerstandsfähigkeit eines Shunts nicht zu beeinflussen. Außerdem schließt die Durchführung des Arbeitsvorgangs im Vakuum Verunreinigungen und Oxidation weitgehend aus. Das Resultat dieses Verfahrens sind saubere und einheitliche Schweißverbindungen.

Hervorzuheben ist der Umstand, dass bei dem von Susumu eingesetzten Verfahren eine nachträgliche Feineinstellung des Widerstandswertes durch Trimmung (per Laser oder mechanischem Feinschliff) nicht mehr nötig ist. Gewissermaßen als Nebeneffekt des Fertigungsverfahrens werden damit parasitäre induktive oder kapazitive Effekte vermieden, die die Messergebnisse negativ beeinflussen könnten.

Fasst man all diese Aspekte zusammen, so wird ersichtlich, dass die Strommesswiderstände von Susumu die höchsten Anforderungen erfüllen. Da sind zunächst die Speziallegierungen, die dieser Hersteller einsetzt: Sie garantieren eine hohe Stabilität des Widerstandswertes über einen weiten Temperaturbereich und über lange Zeiträume. Zudem sind beispielsweise die Produkte der Serien MSRPF2726 und MSRPF4026 mit sog. Kelvin-Pins zum Abgreifen der Messwerte ausgestattet – so lassen sich Rückwirkungen auf den Widerstandswert vermeiden.

Noch wichtiger sind die Fertigungsverfahren: Susumu nutzt das anspruchsvolle Elektronenstrahlschweißverfahren und erzielt so hochexakte Widerstandswerte für seine Shunts. Dieses Verfahren bewahrt auch vor unerwünschten Auswirkungen des sonst in der Industrie üblichen Feinabgleichs durch Trimmung: Die mit dem Trimmen verbundenen mechanischen Einschnitte in den Shunt-Körper können die Stromtragfähigkeit des Bauteils beeinträchtigen, zudem erwärmt sich ein solcher Widerstand im Betrieb nicht mehr gleichmäßig, es kann zur Ausbildung thermischer Hotspots kommen, die wiederum den Widerstandswert verändern. Susumus Fertigungsprozess hingegen vermeidet diese Problematik. Kurz zusammengefasst: Keine Trimmung, keine Nebenwirkungen. (mr)

* Atsushi Omoto ist Managing Director und COO bei Susumu Deutschland GmbH

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