gesponsertAnalogsensoren für Strom- und Temperaturüberwachung in einem Bauteil E-Mobilität: Entwicklungsaufwand mit Plug-&-Play-Lösung reduzieren

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Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG

Die Elektrifizierung im Automobilsektor schreitet voran und ist mit etlichen Herausforderungen für Automobilhersteller und -zulieferer verbunden. Immer kürzere Entwicklungszyklen erfordern kostengünstige und gleichzeitig technisch hochwertige Lösungen, die schnell verfügbar sind. Gefragt sind Bauteile, die den Zulieferern Entwicklungsarbeit abnehmen und als Standardprodukte das In-Design erleichtern und mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen. Die Analogsensoren der Isabellenhütte bieten für das Batteriemanagement eine präzise Strom-Shunt-Überwachung und gleichzeitig die Überwachung der Sammelschienen-Shunt-Temperatur.

Im Batteriemanagement gilt es, die zentralen Parameter State-of-Health (SoH), State-of-Charge (SoC) und State-of-Power (SoP) zu erfassen. Mit den Analogsensoren der Isabellenhütte, die aus einem Busbar-Shunt und einer aufgelöteten Platine (PCB) bestehen, lassen sich die ein- und ausgehenden Ströme im Batteriepack sowie die Temperaturentwicklung präzise überwachen. So kann der Ladezustand der Batterie zuverlässig erfasst und die Lebensdauer der Batterie durch optimierte Ladevorgänge verlängert werden.

Plug-and-Play reduziert Entwicklungsschritte

Je nach Konfiguration der Anwendung befindet sich die Hauptelektronik mit einem Großteil der Funktionen häufig an anderer Stelle als der Busbar-Shunt. Dementsprechend benötigen Automobilhersteller eine einfache Lösung, die Strecke zwischen Hauptelektronik und Shunt zu überbrücken. Hierfür bietet sich eine kleine auf den Busbar-Shunt aufgelötete Platine mit einem Stecker an. Über eine geeignete Verkabelung sind Analogsensoren somit eine einfache Plug-and-play-Lösung. Für den Anwender entfallen mehrere Entwicklungsschritte: die Festlegung des Lötpad-Designs und der besten Position für den Messabgriff auf dem Shunt sowie die Kalibrierung. Darüber hinaus entfällt auch die Erfassung des initialen Widerstandswerts sowie des Temperaturverlaufs (Temperature Coefficient of Resistance, TCR) eines jeden Bauteils, da diese Daten direkt auf einem Data-Matrix-Code zur Verfügung gestellt werden. Dadurch verringern sich der interne Messaufwand und die notwendige Software-Programmierung.

Shunt-Know-how bringt den Vorteil

Manuel Dietermann, Business Development Manager BU Components bei der Isabellenhütte, erläutert die Stolpersteine beim Eigendesign der Lötpads: „Ein Kunde fragte ein Bauteil-Design für einen Busbar-Shunt an, der in vier unterschiedliche Applikationen eingesetzt werden sollte. Die jeweiligen Platinen wurden von vier Ingenieuren entwickelt. Im Resultat stellte keine Lösung die ideale Konfiguration dar und dasselbe Bauteil lieferte vier unterschiedlichste Messergebnisse. Durch unser Know-how im Shunt- und PCB-Design sind dagegen die Spannungsabgriffe bei den Analogsensoren optimal ausgelegt, um präzise und vergleichbare Messergebnisse zu erzielen. Der Kunde benötigt dann keine detaillierten Kenntnisse über den Einfluss des Temperaturkoeffizienten beim Design der Lötpads der PCB, sondern baut die fertigen Analogsensoren ein.“

Analogsensoren BSL, BSX, BSS und BSN

Die Analogsensoren der Isabellenhütte unterscheiden sich primär im maximalen Dauerstrom, der durch Geometrie und Widerstandswert des Sensors beeinflusst wird. Während der kleinste Sensor BSL sich bei einem Widerstandswert von 100 µOhm mit einem maximalen Dauerstrom von ca. 310 A sehr gut für 12-V-Applikationen eignet, ist der BSX mit einem Widerstandswert von 25 µOhm für Dauerbelastungen von 1.340 A ausgelegt, was ihn für eine Anwendung in einem 400-V- oder 800-V-Batteriepack prädestiniert. Möchte der Kunde den Materialeinsatz reduzieren und hat geringfügig niedrigere Dauerstrombelastungen von bis zu 1.100 A, ist der BSN mit leicht verändertem Querschnitt eine Alternative.

Die Pulsbelastungen sind entsprechend unterschiedlich. Beispielsweise kann der BSL bei einem Strompuls von 1 s mit bis zu 800 A beaufschlagt werden, während der BSX problemlos 3.400 A bei gleicher Pulsbelastung von 1 s verarbeiten kann. Der größere Querschnitt und die damit größere Masse des Bauteils sorgen für eine bessere Aufnahme der durch den Spannungsabfall am Shunt erzeugten Wärmeenergie.

Während die genannten Bauteile derzeit als B- und C-Muster erhältlich sind, ist der BSS bereits als Serienprodukt in verschiedenen Anwendungen im Einsatz. Mit R-Werten von wahlweise 100 µOhm oder 50 µOhm eignet er sich für die Überwachung von SoC, SoH und SoP in Batteriepacks von schweren Nutzfahrzeugen, Elektrostaplern, Baggern oder Trucks.

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Industrieller Anwendungsfall: Energiespeichersysteme

Im industriellen Bereich ist der BSSbei mobilen und stationären Energiespeichersystemen ebenfalls gefragt. Die integrierten Batteriemanagementsysteme speichern überschüssige Energie – beispielsweise aus Solar- oder Windkraft – zwischen, um sie im Bedarfsfall wieder abzugeben. Für ein effizientes Energiemanagement dieser Speicher sind Analogsensoren mit ihrer exakten Strom- und Temperaturerfassung eine wertvolle Unterstützung.

Überstromerkennung als Sicherheitsfaktor

Des Weiteren kann durch die Strommessung auch die Fehlerüberwachung innerhalb des Systems durchgeführt und im Fehlerfall die Batterie durch eine Sicherung vom Verbraucher getrennt werden. Die Analogsensoren erkennen sehr präzise Überströme, die an einen Mikrocontroller übermittelt werden. Dieser löst eine Pyro-Fuse oder eine eFuse aus, um die Batterie von angeschlossenen Komponenten oder dem Fahrzeuggestell sicher zu trennen. Herkömmliche Schmelzsicherungen sind u. a. aufgrund ihrer Auslöseverzögerung häufig nicht mehr ausreichend.

Alleinstellungsmerkmal Data-Matrix-Code

Was die Analogsensoren der Isabellenhütte insbesondere auszeichnet, ist der aufgebrachte Data-Matrix-Code (DMC) auf jedem Bauteil, der die individuellen Messdaten des Sensors beinhaltet. Dazu zählen der initiale Widerstandswert und der Temperaturkoeffizient. Beide Parameter sind für jeden Sensor individuell zu betrachten, da diese durch Fertigungsschwankungen innerhalb der Toleranzgrenzen beeinflusst werden. Im Markt wird üblicherweise zwar ebenfalls der initiale Widerstandswert angegeben, jedoch nur der Batch-Mittelwert des Temperaturkoeffizienten. Das macht die Messung ungenauer.

Unterstützung bei der Implementierung

Abgesehen davon, dass die Analogsensoren bereits vereinfachte Integrationsmöglichkeiten für Kunden bieten, unterstützt die Isabellenhütte intensiv bei der technischen Implementierung der Sensoren. Der Service umfasst im Vorfeld die thermische Simulation der Sensoren sowie der kompletten Baugruppe mit angebundenen Stromschienen. So kann beurteilt werden, ob in der jeweiligen Anwendung z. B. ein etwas höherer Widerstand geeignet sein könnte, um ein besseres Messsignal zu erzielen. Oder es sollte ein niedrigerer Widerstand gewählt werden, weil sich das Bauteil zu sehr erwärmt. Ebenso unterstützen die Experten beim Auslesen und der Verwendung des Data-Matrix-Codes. Anhand des sogenannten „Mission Profiles“ des Kunden kann das Dillenburger Unternehmen auf Wunsch Simulationen über die Alterung der Sensoren über Lebensdauer durchführen, was u.a. bei Energiespeichersystemen relevant ist, da diese meist über 10 bis 15 Jahre im Einsatz sind und dauerhaft gute Ergebnisse liefern müssen. Auch bei der Anbindung an die Stromschienen des Kunden gibt die Isabellenhütte Hilfestellung.

Alternative Messmöglichkeiten: blanke Shunts oder Pin-Abgriff

Wenn Hauptplatine und Shunt nah beieinander liegen, bietet sich als Alternative zum Analogsensor ein blanker Busbar-Shunt an. Der Vorteil liegt darin, dass keine zusätzlichen Steckverbinder oder Kabel konfektioniert werden müssen, sondern der Shunt direkt aufgelötet wird. Hier liegt jedoch gleichzeitig der Nachteil, dass die Platzierung der Lötpads entscheidenden Einfluss auf das Messergebnis hat und es hier zu Abweichungen kommen kann. Da der Trend im Batteriepack mehr und mehr dazu geht, Hauptplatine und Shunt getrennt voneinander zu platzieren, ist der Analogsensor die bequemere Alternative.

Eine weitere, höher integrierte Messlösung gegenüber dem blanken Shunt ist ein Busbar-Shunt mit aufgeschweißten Pins, auf die Kunden ihre eigene Platine aufpressen oder auflöten können. Die Pins sind bei Shunts dieser Art bei der Isabellenhütte so platziert, dass eine gute Erfassung der Messwerte gewährleistet werden kann. Allerdings ist durch den Abstand der Platine zum Shunt keine exakte Temperaturmessung und Kompensation des Temperaturkoeffizienten mehr möglich. Gerade im Hochvoltbereich ist eine zuverlässige Temperaturerfassung jedoch unerlässlich, sodass Analogsensoren die bessere Wahl sind.

Verfügbarkeit der Analogsensoren

Der BSS ist bereits in Produktion und kann mit Werten von 100 und 50 µOhm erworben werden. Beim BSX sind C-Muster im dritten Quartal 2025 erhältlich und der SOP für das erste Quartal 2026 geplant; ähnliches gilt für den BSN: C-Muster in Q3 2025 und der SOP Ende Q4 2025. Beim BSL können C-Muster auf Anfrage geliefert werden. Bei kundenspezifischen Anpassungen beträgt die Lieferzeit für B-Muster in der Regel vier bis sechs Wochen nach technischer Klärung der Details. Generell gilt: Je geringer die Abweichungen vom Standard sind, desto kürzer fallen die Lieferzeiten aus. Den größten Einfluss hat hier das jeweilige Shunt-Design.

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