Intelligente Stromsensoren für isolierte Hochstromanwendungen (100 A bis 1000 A)

Leistungsstarke USV-Systeme, Bordladegeräte, Traktionswechselrichter, Brennstoffzellen, Batteriesysteme und andere Anwendungen erfordern genaue Strommessungen bei hohen Gleichspannungen. Traditionell verwendeten diese Systeme Shunt-basierte Strommesslösungen bei <50 A und Hall-basierte Lösungen bei >50 A.

Isolierte Strommessmethoden

Der Artikel „Vergleich von Shunt- und Hall-basierten isolierten Stromerfassungslösungen in HEV/EV“ von Krunal Maniar / Texas Instruments befasst sich mit Elektrofahrzeuganwendungen, die isolierte Hochstrommesstechnologien verwenden. Die am häufigsten verwendeten Methoden sind entweder Shunt-basiert mit isolierten Verstärkern oder isolierten Modulatoren oder Hall-basiert mit offenen oder geschlossenen Hallsensoren, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Isolierte Strommessmethoden (Bildquelle: Texas Instruments)

Shunt-basierte Systeme sind im Allgemeinen einfacher zu implementieren, da sie linearer sind und eine höhere Strommessgenauigkeit bieten als Hall-basierte Methoden. Tabelle 1 vergleicht die Eigenschaften beider Technologien über mehrere Kategorien hinweg.

Tabelle 1: Vergleich von Shunt- und Hall-basierten Methoden (Quelle: Texas Instruments)

Anwendungen mit höherer Leistung, höhere Effizienzanforderungen und der wachsende globale Markt für Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), die eine höhere Strommessgenauigkeit erfordern, treiben das Interesse an Lösungen für isolierte Nebenschlussmessungen mit höheren Strömen voran.

Isolierte intelligente SSA-Strommesstechnik von Riedon

Die intelligenten SSA-Stromsensoren von Riedon integrieren einen niederohmigen Hochleistungs-Shunt mit einem isolierten Präzisionsverstärker. Die Modelle sind mit Strommessbereichen von 100 A bis 1000 A erhältlich. Zu den Hauptmerkmalen gehören 1500 V_DC/1000 V_AC,eff verstärkte Isolation, ±0,1% Anfangsgenauigkeit, ±0,1% Linearität über den Strombereich, unipolare Stromversorgung, differenzieller Analogausgang und 300 kHz Bandbreite. Das Funktionsdiagramm des Sensors ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Funktionsdiagramm eines intelligenten Stromsensors (Bildquelle: Riedon)

Der physikalische Aufbau besteht aus einer Stromschiene mit einem isolierten Sensorgehäuse, das um die Mitte der Schiene herum konstruiert ist, wie im SSA-250 in Abbildung 3 dargestellt. Ein vierpoliger Steckverbinder der Serie JWPF von JST bietet die Schnittstelle zu (1) Strom, (2) Masse, (3) +Vin und (4) -Vin für den gekapselten Sensor. Der entsprechende Gegensteckverbinder von JST ist vom Typ J04R-JWPF-VSLE-S (Gehäuse) und SWPR-001T-P025 (Kontakt).

Abbildung 3: SSA-250 (Bildquelle: Riedon)

Die SSA-Familie von Riedon besteht aus vier Strom-Nennwerten: 100 A, 250 A, 500 A und 1000 A. (Hinweis: Die 1000A-Version verwendet eine breitere Stromschiene mit vier Befestigungslöchern).

Optionale Montagehardware und Kabelkonfektion

Zur Erleichterung der Montage ist für die Modelle SSA-100 bis SSA-500 eine optionale Montagehalterung, die SSA-BASE, erhältlich (siehe Abbildung 4). Sie besteht aus Materialien mit UL94-V0-Einstufung und verwendet Hardware aus 5/16-18-Edelstahl.

Abbildung 4: SSA-BASE (Bildquelle: Riedon)

Eine optionale Anschlusskabelkonfektion, die SSA-CABLE-1M, ist erhältlich und in Abbildung 5 dargestellt. Sie ist mit allen SSA-Modellen kompatibel und die Standardkabellänge beträgt 1 Meter.

Abbildung 5: SSA-CABLE-1M (Bildquelle: Riedon)

Die Kabelkonfektion verwendet den JST-Gegenstecker für die Modelle SSA-xxx und zwei verdrillte Paare farbcodierter 22-AWG-Drähte. Ein verdrilltes Paar (rot/schwarz) ist für die Sensorleistungs- und Erdungsanschlüsse und das andere (gelb/weiß) für die differentiellen (+) und (-) Verstärkerausgangssignale.

Machbarkeitsstudienprojekt für drahtlose Bluetooth-Stromsensoren für 100 A

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Machbarkeitsstudie für einen 100A-Bluetooth-Funkstromsensor unter Verwendung des Sensors SSA-100 von Riedon und handelsüblicher Hardware. Für den Hauptcontroller und die Bluetooth-Vernetzung verwendete ich das Feather-Express-Board nRF52840 von Adafruit. Ich habe dieses Board ausgewählt, weil es Bluetooth bereits integriert hat und die Programmierung in CircuitPython unterstützt. Ich habe begonnen, CircuitPython in meinen Mikrocontroller-basierten Projekten zu verwenden, weil es sehr leistungsfähig, einfach zu benutzen, auf mehreren Plattformen verfügbar ist und über eine umfangreiche Bibliotheks-/Beispielunterstützung von Adafruit verfügt. Da das Stromsignal des SSA-100-Sensors durch eine analoge Differenzspannung von 12 mV/A dargestellt wird, habe ich das ADC-Breakout-Board ADS1115 von Adafruit hinzugefügt. Dieser ADC bietet 4 Kanäle, 16-Bit-Genauigkeit, programmierbare Verstärkung, I²C-Schnittstelle und Differenzeingangsfähigkeit. Abbildung 6 zeigt das Verdrahtungsschema zwischen der Hardware und dem Riedon-Stromsensor.

Abbildung 6: Scheme-it-Schaltbild des Bluetooth-Stromsensors (Bildquelle: Digi-Key)

Die vollständige Stückliste (BOM) ist in dem untenstehenden Digi-Key-Scheme-it®-Projekt enthalten.

Der CircuitPython-Code auf dem nRF52840 Feather Express stellt die Bluetooth-Verbindung her und sendet aktuelle Messwerte vom SSA-100-Sensor an ein Android-Smartphone. Projektdetails, Beispiel-Code in CircuitPython und Referenz-Links finden Sie im eeWiki-Projekt Bluetooth Wireless 100 Amp Current Sensor.

Testaufbau und Ergebnisse

Zu Testzwecken installierte ich den Stromsensor in Serie mit der 12V-Batterie in meinem Honda ATV, wie in Abbildung 7 dargestellt. Das Einschalten der elektrischen Winde des ATV lieferte eine Stromlast für den Stromsensor zur Messung.

Abbildung 7: Honda-ATV-Testaufbau (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die mobile Anwendung BlueFruit LE Connect von Adafruit wurde auf einem Google-Pixel-Smartphone installiert, um aktuelle Messungen anzuzeigen, die vom nRF52840 Feather Express gesendet wurden. Der „Plotter“-Modus in der App wurde verwendet, um die aktuellen Messwerte des SSA-100 anzuzeigen, wenn die ATV-Winde eingeschaltet war. Abbildung 8 zeigt die aktuellen Messwerte des ATV, wenn die Winde im Rückwärts- und Zugmodus betrieben wurde.

Abbildung 8: Plottergrafik von BlueFruit LE Connect (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Fazit

Die SSA-Stromsensoren von Riedon sind genau, vielseitig und einfach zu verwenden. Sie können sowohl bei AC- als auch bei DC-Anwendungen und sowohl auf der versorgungs- als auch auf der massebezogenen Seite eingesetzt werden. Da sie hochgradig linear sind, können die Sensoren leicht in Hochleistungsschaltungen eingebettet werden, um genaue isolierte Strommessfähigkeiten hinzuzufügen.