Kohlendioxid-Sensor Bessere Luftqualität im Fahrzeug, ohne die Reichweite einzuschränken

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Mit einem speziellen CO₂-Sensor zusammen mit einem Mikrocontroller zur Signalverarbeitung lässt sich in einem E-Auto die Klimaanlage effizient steuern. Wie genau das funktioniert und welche Vorteile das Sensorsystem bietet.

Die begrenzte Reichweite und Lebensdauer der Akkus ist eine der größten technischen Herausforderungen beim Einsatz von Elektrofahrzeugen. Eine Möglichkeit, diese zu erhöhen, besteht in einer verbesserten Effizienz des gesamten Fahrzeugs. Allerdings gibt es im Automobilumfeld große Verbraucher, die dem entgegenstehen. Einer davon ist die Klimaanlage. Der Elektroantrieb erzeugt weniger Verlustleistung als ein Verbrennungsmotor und somit auch weniger Abwärme, die sich zum Heizen des Innenraums nutzen lässt. Bei Elektrofahrzeugen muss zusätzlich elektrisch geheizt werden, um die gewünschten Temperaturen zu erreichen oder zu halten.

Hintergrund: Die PAS-Methode

Die PAS-Methode basiert auf dem photoakustischen Effekt. Gasmoleküle absorbieren Licht einer bestimmten Wellenlänge und dehnen sich dadurch aus. Bei Kohlenstoffdioxid ist es die Wellenlänge 4,2 μm. Über eine Infrarotquelle werden Lichtimpulse in schneller Folge ausgestrahlt. Nur Licht mit einer Wellenlänge von 4,2 µm gelangt durch einen optischen Filter, der speziell auf CO₂-Moleküle abgestimmt ist, in die Sensorkammer.

Die CO₂-Moleküle in der Sensorkammer absorbieren die Energie. Durch schnelle Erwärmung und Abkühlung kommt es zu thermischer Ausdehnung und Kontraktion. Diese Prozesse erzeugen eine Druckänderung, welche durch den hochempfindlichen MEMS-Detektor erfasst wird. Je höher die CO₂-Konzentration in der Kammer ist, desto stärker fällt das Signal aus. Die Signalverarbeitung erfolgt durch einen integrierten Mikrocontroller, welcher das Ergebnis in Echtzeit als ppm (parts per million) ausgibt. Für eine präzise Ergebnisausgabe ist der akustische Detektor für niedrige Frequenzen optimiert und die Absorptionskammer von externen Geräuschen abgeschirmt.

Problem: Verbrauchte Luft im Fahrzeug

Eine Möglichkeit, die Effizienz des Klimasystems zu erhöhen, besteht darin, die Luft im Innenraum wiederzuverwenden (Umluft). Im Winter wird die bereits aufgewärmte Luft erneut erwärmt, im Sommer wird die klimatisierte Luft erneut gekühlt und in den Innenraum geleitet. Da nur eine geringere Temperaturdifferenz überbrückt werden muss, wird weniger Energie benötigt.

Ein großer Nachteil dieser Methode besteht darin, dass dem Innenraum keine frische Zuluft zugeführt wird. Wenn die verbrauchte Luft nicht erneuert wird, steigt der CO₂-Wert an und die Qualität der Raumluft verschlechtert sich. Dies kann zu Kopfschmerzen, Müdigkeit und einem unangenehmen Fahrgefühl führen. Es ist wichtig, die Raumluft regelmäßig zu lüften. Ab einem CO₂-Gehalt von 1.000 ppm sind Lüftungsmaßnahmen erforderlich.

Ziel: Eine bessere Luftqualität im Fahrzeug

CO₂-Sensoren können eine Lösung bieten, indem sie in das Klimasystem des Fahrzeugs integriert werden. Sie überwachen die Luftqualität im Fahrzeug und können bei entsprechend hohen CO₂-Werten eine Warnung abgeben oder direkt Frischluft beimischen, um eine gesunde Luftqualität aufrechtzuerhalten. Die Wahl des passenden Sensors für die Anwendung in Elektrofahrzeugen hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise der Größe des Fahrzeugs, dem gewünschten Messbereich und der Art der Messung. Auch die Abmessungen, Performance und Kosten der Sensoren sind entscheidend.

Ein CO₂-Sensor mit kleinem Formfaktor von 14,0 mm x 13,8 mm x 7,5 mm ist der XENSIV PAS von Infineon (Bild 1). Er reduziert den Platzbedarf im Vergleich zu handelsüblichen CO₂-Sensoren um mehr als 75 Prozent. Gleichzeitig bietet er eine präzise CO₂-Messung auf Basis der MEMS-Technik.

Ein Mikrocontroller für die Signalverarbeitung

So integriert der CO₂-Sensor XENSIV PAS auf einer Leiterplatte einen photoakustischen Wandler mit Detektor, Infrarotquelle und optischem Filter, einen Mikrocontroller für die Signalverarbeitung und Algorithmen sowie einen MOSFET-Chip zum Betrieb der Infrarotquelle. Der integrierte Mikrocontroller führt ppm-Berechnungen sowie erweiterte Kompensations- und Konfigurationsalgorithmen durch. Das Ergebnis ist der tatsächliche CO₂-Gehalt und nicht nur eine Korrelation.

Darüber hinaus stehen verschiedene Konfigurationsoptionen wie Messfrequenz oder Basiskalibrierung und Schnittstellen (UART, seriell I²C, PWM-Schnittstelle zur Verfügung. Der Messbereich für CO₂ reicht von 0 bis 32.000 ppm. Die Genauigkeit beträgt ±30 ppm oder ±3 Prozent (0 bis 8.000 ppm) vom Messwert. Sie wird vom Hersteller für den Messbereich von 400 bis 5.000 ppm garantiert. Das ist für diese Anwendung ausreichend, denn die typische Atmosphäre hat einen CO₂-Gehalt von 400 ppm, in der Fahrzeugkabine liegt der Wert in der Regel darüber.

Erster SMD-fähiger CO₂-Sensor

Weitere Vorteile für die Anwender der Sensoren liegen im Produktionsprozess. Infineon bietet nach eigenen Angaben den ersten SMD-fähigen CO₂-Sensor (SMD-Gehäuse, erhältlich auf Tape & Reel), der dem internationalen JEDEC-Standard für bleifreie Oberflächenmontage im Reflow-Verfahren entspricht und ist für eine einfache Montage und Systemintegration auch bei hohen Stückzahlen ausgelegt.

Der CO₂-Sensor XENSIV PAS zeichnet sich zudem durch eine hohe Flexibilität dank vielfältiger Konfigurationsoptionen und Plug-and-play aus. Darüber hinaus ist ein Evaluation-Kit erhältlich, bestehend aus dem CO₂-Sensor sowie einem Mikrocontroller der Familie PSoC 4100S zur Datenauswertung. Dank seiner Eigenschaften und Fähigkeiten lassen sich mit dem CO₂-Sensor Klimaanlagen in Elektrofahrzeugen steuern. Zum einen sorgt er für eine optimale Luftqualität und trägt damit auch zur Sicherheit der Insassen bei. Zum anderen erhöht er die Effizienz und damit die Reichweite und Lebensdauer der Akkus. (heh)

Interview Oliver Pust, m-u-t

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* Edgar Schäfer ist Field Application Engineer Automotive bei Rutronik.

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