Worauf man bei Messungen an Hybridmotoren achten muss
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Worauf man bei Messungen an Hybridmotoren achten muss White Paper Im Bereich der Kraftfahrzeuge werden zunehmend Hybridantriebe interessant. Diese Antriebsform verfügt neben einem konventionellen Verbrennungsmotor zusätzlich über einen Elektromotor. Die Speisung des Elektromotors und die Rückspeisung bei Bremsvorgängen erfolgt dabei über Batterien, die üblicherweise eine Spannung von mehreren hundert Volt aufweisen können. Ein messtechnisches Problem entsteht bei Messungen einzelner, kaskadierter Zellenspannungen. Zwar betragen die Zellenspannungen üblicherweise nur wenige Volt, jedoch entsteht durch die Hintereinanderschaltung der Zellen ein hohes Spannungsniveau, auf dem die Zellenspannung gemessen werden muss. Dieses Whitepaper zeigt, worauf bei solchen Messaufgaben zu achten ist und hilft, den geeigneten Messverstärker auszuwählen. Die Thematik wird dabei aus Sicht des Anwenders und nicht des Entwicklers von Verstärkern betrachtet.
Was ist Gleichtaktspannung?
Am nachfolgenden einfachen Beispiel soll erläu-
tert werden, was sich hinter dem Begriff der
Gleichtaktspannung verbirgt. Betrachtet man
eine Spannungsquelle, bestehend aus 3 V-Zellen
und will man die Zelle deren Minuspol auf 300 V
liegt messen, so liegt der negative Eingang des
Messverstärkers auf 300 V und der positive Ein-
gang auf 303 V.
Unter der Gleichtaktspannung UGL wird der Mit-
telwert der Spannungen an den Verstärkerein-
gängen verstanden. Im dargestellten Beispiel
(Abb. 1) beträgt die Gleichtaktspannung UGL =
301,5 V. Der Messverstärker hat nun die Aufgabe,
die zwischen seinem Plus- und Minuseingang
anliegende Spannung von 3 V korrekt zu messen,
ohne sich von der Gleichtaktspannung beeinflus-
sen zu lassen.
306 V
303 V +
3V USIG = 3 V UA
300 V -
UGL= (303 V + 300 V)/2
9V
6V = 301,5 V
UGL
3V
Masse
Masse
Abb. 1:
Entstehung von Gleichtaktspannungen an einer Batterie
Die UGL = 301,5 V muss eliminiert werden. Hät-
te der Differenzverstärker (Subtrahierer) eine
Unsicherheit von lediglich 0,1%, so würde dies
einen Fehler von ca. 0,3 V bedeuten.
Bezogen auf den 3 V-Bereich wäre dies ein
relativer Fehler von 10%!
Die Unterdrückung von UGL wird CMRR ge-
nannt.
Abb. 2: Der Differenzverstärker subtrahiert die Spannungen
zwischen Plus- und MinuseingangIMR/dB
Die CMMR nimmt mit 20 dB/Dekade
140
ab. Dies bedeutet, dass bei 10-fach
Abfall 20 dB/Dekade
120 höherer Frequenz die CMMR um
den Faktor 10 (20 dB) abnimmt.
Frequenz/Hz
50 500
Abb. 3: CMRR als Funktion der Frequenz
Isolierte Verstärker
Wie das Beispiel an Abb. 2 Bild zeigt, müsste
Bei Messungen an hohen Spannungen werden
die Differenz mit einer extrem kleinen Unsi-
sehr häufig isolierte Verstärker eingesetzt.
cherheit ermittelt werden, um die 3 V hinrei-
Einerseits soll Schaden an der Messeinrich-
chend genau messen zu können. Bei Verstär-
tung vermieden werden und andererseits ist
kern wird die Fähigkeit, Gleichtaktspannungen
der Schutz von Personen zu gewährleisten.
zu unterdrücken, üblicherweise als CMRR
Besonders hohe Gleichspannungen, wie sie
(Common Mode Rejection Ratio) bezeichnet.
beispielsweise bei Batterien für Hybridautos
Die Ausgangsspannung UA ergibt sich in die-
vorhanden sind, können für Menschen bei
sem Fall zu:
Berührung gefährlich werden.
UA = USIG + UGL /CMMR
Bei Isolationsverstärkern ist zwischen solchen
zu unterscheiden, die eine Blockisolierung
Gute Verstärker unterdrücken Gleichtak- aufweisen und solchen, bei denen jeder Kanal
tspannungen mit 120 dB (Faktor 106), sehr einzeln isoliert ist.
gute erreichen bis zu 140 dB (Faktor 107). Zu In Abb. 4 ist eine Blockisolation für zwei Kanä-
beachten ist allerdings, dass diese CMRR meist le dargestellt. Die Eingangsspannungen USIG1
nur für 50/60 Hz angegeben wird. Typischer- und USIG2 beziehen sich jeweils auf die Masse
weise wird die CMRR mit höherer Frequenz 1. Beispielsweise darf keine der vier Eingangs-
der Gleichtaktspannung geringer. leitungen eine höhere Potentialdifferenz als
Dies ist besonders zu beachten, da bei Hybrid- 10 V gegenüber Masse 1 aufweisen. Zwischen
antrieben neben der Gleichspannungsbatterie den Massen 1 und 2 sei dagegen eine Potenti-
ein Wechselrichter zur Ansteuerung des Elekt- aldifferenz von 1000 V (Trennspannung oder
romotors zwischengeschaltet ist. Stammt die Isolationsspannung) zulässig. Diese Form der
Gleichtaktspannung vom Wechselrichter, so Anordnung führt für den Anwender sofort zu
kann davon ausgegangen werden, dass die im der Frage, ob er die Masse 1 an einen der bei-
Wechselrichter vorhandenen Frequenzen im den Eingänge anschließen soll, oder ob er die
kHz-Bereich liegen und die CMRR für solche Masse 1 ohne Bezug „floaten“ lassen soll.
Signale wesentlich geringer ist. Beispielsweise Schließlich haben seine anzuschließenden
beträgt die CMRR im obigen Bild bei Sensoren, die die Spannungen USIG1 und USIG2
50 kHz nur noch 80 dB. abgeben, üblicherweise nur zwei und nicht
drei Anschlussleitungen. Eine allgemeingülti-
3ge, zufrieden-stellende Antwort kann bezüg- Auf der Seite der Messquelle, deren Spannung
lich des Anschlusses der Masse 1 nicht gege- USIG über die Gleichtaktspannung UGL mit der
ben werden. Häufig erweist es sich aber als Masse 1 gekoppelt ist, gilt das bereits vorher
günstiger, die Masse 1 festzulegen. gesagte. Im Messverstärker selbst wird z.B.
Um die Verhältnisse bei blockisolierten Ver- durch magnetische oder optische Kopplung
stärkern zu verstehen, wird in Abb. 5 ein Mo- eine galvanische Trennung geschaffen, die die
dell verwendet, das für einen Kanal dargestellt gewünschte Isolationsbarriere realisiert. Zwi-
schen den Massen 1 und 2 kann eine zusätzli-
Isolations- che Spannung UIM vorhanden sein, die die in
barriere
2er-Block
den technischen Daten angegebene Trenn-
+ oder Isolationsspannung nicht überschreiten
USIG1 UA1 darf. Die Unterdrückung der Spannung UIM
- wird in Datenblättern als IMR (Isolation Mode
Rejection) angegeben. In solch einem Falle
+
ergibt sich die Ausgangsspannung zu:
USIG2
UA2
-
UA = USIG + UGL / CMRR + UIM / IMR
1 2 Werden die Kanäle einzeln isoliert aufgebaut,
was natürlich mit erheblich höheren Kosten
Masse 1 Masse 2
ist. verbunden ist (jeder Kanal benötigt eine se-
parate Versorgung), so kann der Minusein-
gang des Verstärkers auf Masse 1 gelegt wer-
Abb. 4: Blockisolierung bei zwei Eingängen
den. Dies geschieht durch den Hersteller und
Isolations- ist daher vom Anwender nicht weiter zu be-
barriere
achten. Bei mehreren Kanälen ist dann jeder
+
Kanal gegen jeden anderen Kanal und alle
USIG gegenüber der Masse 2 isoliert.
- In diesem Fall wird der Verstärker im soge-
nannten Single-Ended-Mode genutzt. Dadurch
UGL
RISO
kann sich auf der Eingangsseite des Verstär-
CISO
kers keine Gleichtaktspannung ergeben und
die Ausgangsspannung UA ergibt sich in die-
UIM sem Fall zu:
1 2
UA = USIG + UIM / IMR
Masse 1 Masse 2
Was also bei nichtisolierten Verstärkern die
UIM = Potentialdifferenz zwischen Masse 1 und
Masse 2 CMRR ist, ist bei einzeln isolierten Verstärkern
die IMR. Für Einzel- und Blockisolation ist zu
RISO = Parasitärer Isolationswiderstand
beachten, dass eine ideale Trennung zwischen
CISO = Parasitäre Kapazität
den Massen nur für Gleichspannungsunter-
schiede vorhanden ist.
Abb. 5: Modell bei Blockisolation
Während der parasitäre Isolationswiderstand
recht hoch sein kann (1012 Ω), ist der Einfluss
4der parasitären Kapazität CISO bei hohen Fre- Isolationsspannung gleich
quenzen nicht zu vernachlässigen. Nimmt man Prüfspannung?
beispielsweise eine geringe Kapazität von le-
In den Datenblättern der verschiedenen Her-
diglich 10 pF an, so ergibt sich für eine Signal-
steller von isolierten Verstärkern taucht eine
frequenz von f = 1 MHz ein kapazitiver Wider-
Vielzahl von Begriffen auf, die für den Anwen-
stand von Xr = 1/(2 π f CISO) = 15,9 k Ω.
der nur schwer nachzuvollziehen sind. Einer-
Praktisch bedeutet dies, dass die Trennwir-
seits gibt es die Isolationsspannung UISO
kung für hohe Frequenzen immer geringer
(maximal zulässige Spannung UIM), die zwi-
wird.
schen den Massen vom Anwender maximal
Isolations- angelegt werden darf und andererseits gibt es
barriere die Prüfspannung UPrüf. Der Hersteller prüft
jeden Kanal vor Auslieferung mit einer
+ Prüfspannung, die wesentlich höher ist als die
UA
zu haltende Isolationsspannung. Diese Span-
-
USIG
nung UPrüf ist z.B. nach der amerikanischen UL-
Spezifikation.
UPrüf = 2 UISO + 1000 V
wobei die Spannung für 60 s anliegen muss
UIM
und ein minimaler Strom nicht überschritten
1 2 werden darf. Entsprechend des Personen-
Masse 1 Masse 2 schutzes werden auch Schutzklassen CAT I bis
III definiert, die jeweils unterschiedliche
Abb. 6: Einzel isolierter Kanal Prüfspannungen erforderlich machen.
Isolations-
barriere
UTemp +
UA
RL
-
iGL
C
UIM
2 1 2 RL = Leitungswiderstand
Masse 2 Masse 1 Masse 2 iGL = Gleichtaktstrom
C = Koppelkapazität Thermoele-
ment-Masse 2
Abb. 7: Isolierte Temperaturmessung
5Isoliert mein nicht unbedingt prob- fall von 0,5 mV. Bedenkt man, dass bei einem
lemfrei Thermoelement des Typ K eine Spannung von
ca. 40 µV/K erzeugt wird, entspricht der Span-
Abschließend soll an einem kleinen Beispiel
nungsabfall an RL bereits einem Messfehler
der Temperaturmessung mit einem Thermo-
von mehr als 10 K, denn am Eingang des iso-
element gezeigt werden, dass auch bei isolier-
lierten Verstärkers wird die Summe der Span-
ten Messungen Störprobleme auf Grund von
nung vom Thermoelement und dem Span-
Potentialunterschieden auftreten können.
nungsabfall RL gemessen.
Hierzu soll Abb. 7 betrachtet werden.
Dass das geschilderte Problem häufig bei prak-
Beispielsweise soll ein Thermoelement leitend
tischen Messungen nur in abgemilderter Form
mit einem elektronischen Bauelement eines
auftritt liegt daran, dass auch auf der oberen
Wechselrichters bei einem Hybridfahrzeug
Leitung des Thermoelementes (+ Eingang des
gekoppelt sein. Zwischen den beiden Massen
Verstärkers) ebenfalls ein Widerstand und
ist also eine Spannung UIM vorhanden, die sich
eine Kapazität nach Masse vorhanden ist.
sehr rasch ändern kann. Hier sind Änderungs-
geschwindigkeiten von mehreren 100 V/µs Wären beide RC-Kombinationen gleich groß,
so würden sich die Effekte bei der Differenz-
nicht selten. Um die Auswirkungen deutlich zu
bildung im Verstärker subtrahieren. Leider
machen, sei in unserem Beispiel angenom-
men, dass sich die Spannung UIM mit dUIM/dt = sind bei Thermoelement-Messungen die Lei-
tungen, aus denen das Thermoelement aufge-
100 V/µs ändern soll. Als Kapazität zwischen
baut ist, aus unterschiedlichem Material mit
Thermoelement und Masse 2 soll ein Wert
stark unterschiedlichen Widerständen.
von lediglich C = 5 pF angenommen werden.
Damit ergibt sich der Strom durch den Kon- Das geschilderte Problem tritt aber nicht nur
densator bei der Annahme, dass UIM nahezu bei isolierten Verstärkern auf. Auch bei nicht
vollständig über dem Kondensator abfällt zu: isolierten Differenzverstärkern kann eine vor-
handene Gleichtaktspannung ähnliche Effekte
iGL = C dUIM/dt = 5 pF 100V/µs = 0,5 mA
hervorrufen.
Wird für den Widerstand RL ein Wert von 1Ω
angenommen (entspricht einer Leiterlänge Autor: Prof. Dr.-Ing. Klaus Metzger
von ca. 1 m), so ergibt sich ein Spannungsab-
6WP_DE_Messungen_an_Hybridfahrzeugen_Neu.doc_ 07/05/2021
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