Batterieüberwachung Konzept zur High-Side-Messung an 12-V-Autobatterien

Zur Berechnung des Ladezustands und der dynamischen Ermittlung der Batterieimpedanz wird meist ein Batteriesensor am negativen Pol der Autobatterie platziert. Eine sinnvolle Alternative ist die Messung am positiven Batteriepol, was eine ganze Reihe von Vorteilen bringt. In diesem Beitrag erfahren Sie, wie sich eine solche High-Side-Messung konkret realisieren lässt.

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Um die Wirtschaftlichkeit neuer Fahrzeuge zu erhöhen, werden immer mehr Funktionen im Automobil elektrisch betrieben, was die Dauerlast des Verbrennungsmotors verringert. Solche Funktionen sind unter anderem Wasser-, Öl- und Treibstoffpumpe, die Ventilsteuerung und die Servolenkung. In dem Maße, in dem Last vom Motor zur Fahrzeugbatterie verschoben wird, entsteht eine immer kritischere Notwendigkeit, die Batterie geladen und funktionsfähig zu halten.

Für Entwickler von elektrischen Systemen im Automobil ist der Batteriesensor eine entscheidende Komponente, denn er stellt der elektronischen Steuereinheit der Bordelektrik (ECU) über einen LIN-Bus Daten zum Ladezustand, Gesamtzustand und Funktionszustand der Batterie zur Verfügung.

Die Low-Side-Messung ist weit verbreitet und bewährt

Üblicherweise wird ein Batteriesensor am negativen Pol der Batterie platziert (Low Side) wo er Stromstärke, Spannung, sowie Temperatur misst. Dabei erfasst ein Batteriesensor simultan Werte zu Batteriestrom und Batteriespannung mit einer Sampling-Frequenz von 1 kHz. Die Berechnung des Ladezustands und die dynamische Ermittlung der Batterieimpedanz benötigt eine besonders hohe Messgenauigkeit. Eine messwiderstandbasierte Low-Side-Stromstärkenerfassung durch ein hochpräzises Messsystem mit automatischer Offsetkorrektur, das parallel zu einer Spannungsmessfunktion arbeitet, erreicht die notwendige Genauigkeit nahezu ohne Einfügungsdämpfung und ist für die anspruchsvollen Umgebungsbedingungen im Automobil geeignet.

Die High-Side-Messung erlaubt eine Optimierung der Bordnetztopologie

Wie wäre es, wenn der Batteriesensor stattdessen am positiven Pol platziert würde, um als High-Side-Sensor zu arbeiten? Fahrzeugentwickler erhielten damit die Möglichkeit, die Topologie von Bordnetzen zu verändern und zu optimieren, beispielsweise durch Nutzung des Batteriesensors, um Messungen in verschiedenen Bereichen des elektrischen Versorgungssystems durchzuführen. Der Sensor könnte auch mit verwandten Modulen wie der Stromverteilereinheit kombiniert und an einen gemeinsam genutzten Mikrocontroller angekoppelt werden, was Möglichkeiten zur Verringerung der Gesamtmaterialkosten eröffnet. Dieser Ansatz würde zugleich den Trend zur Entwicklung von Fahrzeugen mit weniger, aber stärker zentralisierten ECUs unterstützen.

Low-Side-Sensoren am Pluspol bringen EMV-Probleme

Theoretisch ist es möglich, einen existierenden Low-Side-Batteriesensor auf der High Side zu verwenden, entweder durch Einsatz einer Ladungspumpe und einer Niveauverschiebungstechnik, um die Stromversorgung des Sensors auf ein Niveau oberhalb der von der Batterie gelieferten 12 V anzuheben, oder mit Hilfe galvanisch isolierter Komponenten für Stromversorgung und Digitalkommunikation. Der erstgenannte Ansatz wird jedoch kaum in der Lage sein, die Testpulse zur elektromagnetischen Verträglichkeit zu bestehen bzw. komplexe und schwierige EMV-Maßnahmen notwendig machen. Das zweite Konzept würde den Einsatz von kostspieligen isolierten Bausteinen erfordern, gegen die offene Fragen bei Zuverlässigkeit und Stromverbrauch sprechen.

Neuartiges Konzept zur High-Side-Messung ist genau und robust

Ein von austriamicrosystems entwickeltes Konzept für die automobile Batteriesensorik bietet nun jedoch die Möglichkeit, High-Side-Batteriesensoren mit der von Fahrzeugherstellern geforderten Genauigkeit und Robustheit zu realisieren. Es gewährleistet eine hochgenaue Signalerfassung an einem 100-μΩ-Messwiderstand auf der High Side der Batterie, die Ströme von 1 mA bis zu mehr als 1 kA nahezu ohne Einfügungsdämpfung abdeckt. Darüber hinaus ermöglicht es die Überwachung des Ruhestroms, der Ruhespannung und der Temperatur mit einem äußerst geringen Eigenstromverbrauch (etwa 80 μA) – eine essentielle Anforderung an automobile Batteriesensoren, die im Normalbetrieb nie von der Batterie getrennt werden.

Die Implementierung des Sensorkonzepts schafft keine EMV-Problematik, da EMV-Ereignisse durch eine Gleichtaktunterdrückung und A/D-Wandlerfilter eliminiert werden. Die Ausgabedaten des Systems können zudem an eine existierende ECU übermittelt werden, was die Gesamtmaterialkosten reduziert.

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