Fachartikel

Stromüberwachung

Sicher am Hang 

Sicher am Hang 

Ein Präzisionswiderstand der Isabellenhütte überwacht das Stromprofil in einer elektrischen Parkbremse von Fahrzeugen  bis hin zur Kompaktklasse. Hierbei folgt der Anbieter dem Trend der zunehmenden Miniaturisierung. 

Die übliche mechanische Seilzugbremse im Fahrzeug war stets anfällig für Verschleiß und Ausfall. Seilzüge können durch Salzeinwirkung und Feuchte im Winter im Laufe der Jahre korrodieren und schließlich nicht mehr angemessen funktionieren. Diese Gefahr besteht bei der elektrischen Parkbremse (EPB) nicht. Zudem verspricht die elektrische Feststellbremse eine Gewichtsersparnis und trägt so zu einem verringerten CO2-Ausstoß bei. Nicht zuletzt spielt der Komfort eine Rolle: Es ist ein Unterschied, ob nur ein Knöpfchen zu drücken ist oder aber ein eher schwergängiger Hebel anzuziehen. 

Bei einer elektrischen Parkbremse sind die Bremssättel seitlich mit einer Antriebseinheit versehen, die sich auf der Hinterachse befindet, bestehend aus einem Gleichstrommotor und einem Aktuator. Dieser wird über den Schalter im Innenraum aktiviert und fährt eine mechanische Spindel aus, die die Bremsbeläge gegen die Bremsscheiben an beiden Hinterreifen presst und so die Bremse schließt. Sollte das Bordnetz ausfallen, wie etwa im Winter wegen niedriger Temperaturen, steht das Fahrzeug dennoch sicher, da die EPB dank der ­mechanischen Spindel festgestellt ist. Das System ist somit auch kindersicher, denn solange die Zündung ausgeschaltet ist, lässt sich das Parksystem nicht wieder aktivieren.  

Stromüberwachung per Shunt 

Die elektrische Parkbremse stellt also ein sicherheitsrelevantes System dar, das absolut zuverlässig funk­tionieren muss. Der Nutzer muss sich darauf verlassen können, dass das Bremssystem das Fahrzeug an abschüssiger Stelle hält. Um den zuverlässigen Betrieb auf Dauer sicherzustellen, ist beim Betätigen eine Überwachung des Stromprofils vonnöten. 

Hierzu dient ein Shunt. Er muss die Stromaufnahme des Aktuators beim Anziehen und Lösen der Bremse sehr genau überwachen, also das an dem Widerstand abfallende Spannungssignal an die Steuereinheit ­zurückmelden. In der Steuereinheit ist ein festes Stromprofil für den Anpressdruck der Bremse hinterlegt, das der Motor ­innerhalb bestimmter Grenzen immer ­abfahren muss. Der Shunt liefert das entsprechende Feedback, ob die Grenzen eingehalten werden.  

Würde der Motor beispielsweise einmal blockieren, würde die Steuereinheit ohne konkretes Feedback zum Stromprofil annehmen, dass die Bremsen angezogen wurden. Tatsächlich hätte jedoch nur der Motor blockiert und die Bremsbeläge befänden sich nicht an den Bremsscheiben. Daher wird ein exaktes Feedback über den Motorstrom benötigt und das über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs. 

Platzverbrauch halbiert 

Ein Anbieter in diesem Bereich ist die Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG, Spezialist für aktive Strommessung. Ein namhafter Automobilzulieferer als Kunde des Unternehmens nutzte bisher für seine EPBs ein ISA-Plan-Bauteil und arbeitet aktuell am Redesign seiner Parkbremse, in die nun ein kleineres, kompakteres Bauteil integriert werden soll. Der Kunde entschied sich in der Auslegung des Shunts für den FMK-V-R005, Baugröße 1206, durch den der Platzverbrauch auf der Platine mehr als halbiert wird.  

Die Hauptanforderung an den Stromsensor besteht in einer möglichst geringen Gesamtabweichung über ­Lebenszeit, er muss über seine gesamte Einsatzdauer bei identischen Stromprofilen stets dasselbe Signal liefern. Erschwert wird dieser Umstand durch die Einsatztemperaturen, die innerhalb der beschriebenen Anwendung sehr hoch sind. An der Kontaktstelle des Bauteils können Temperaturen bis zu 135 °C auftreten.  

Dies ist auf zwei Faktoren zurückzuführen, zum einen auf die Eigenerwärmung des Bauteils beim aktiven Ausfahren der Bremse und zum anderen auf eine passive Erwärmung durch den Bremsvorgang an sich, da sich die gesamte Einheit direkt am Bremssattel befindet. Die hohen Temperaturen können zu einer Belastung der im Shunt verwendeten Materialien und damit zu einer Abweichung der elektrischen Werte führen. Dieses Verhalten ist beim FMK-V-R005 nur sehr schwach ausgeprägt – er weist eine geringe Drift und damit eine hohe Langzeitstabilität auf. 

Hohe Pulslastfähigkeit 

Die zweite zentrale Anforderung ist eine hohe Pulslastfähigkeit, so dass der Shunt die entstandene Wärme im Hotspot gut abführen kann und so für nur eine geringe Eigenerwärmung sorgt. Das Aktivieren der Parkbremse bedeutet hohe Pulsströme: einmal in dem Moment, in dem der Aktuator anfährt, und zum anderen in dem Moment, in dem die Bremse angezogen wird. Diese Pulse müssen schnell abgeführt werden, um das System nicht überhitzen zu lassen. 

Mit der neuesten Widerstandsserie FMx stellt die Isabellenhütte niederohmige Bauteile zur Verfügung, die die Anforderungen noch besser erfüllen. Auf Basis der ISA-Plan-Technologie war bei fünf Milliohm bisher Schluss. Die FMx-Serie stellt mittels der Full-Metal-Technologie, also einer Ausführung als Vollmetallplatte, auch Werte im Bereich von sechs bis zwei Milliohm bereit.  

Als Ergänzung zur bewährten Folientechnologie ISA-Plan, bei der eine Folie aus Isabellenhüttes hauseigenen Widerstandslegierungen mittels eines Klebers auf einem Trägermaterial wie Kupfer aufgebracht ist, punkten die FMx-Widerstände mit einem massiven Aufbau, bestehend aus einer Vollmetallplatte des Widerstandsmaterials.  

Der eingesetzte Stromsensor ist aus der Widerstandslegierung Noventin gefertigt. Dank der Platte aus Vollmaterial und des geringen Wärmewiderstands (Rthi) kann der FMK höhere Pulse und damit kurze Überbelastungen sehr gut vertragen. Mit den seitlichen ­Anschlüssen, bestehend aus einer Lage Kupfer und Zinn als Finishing, werden die Bauteile direkt auf die Platine aufgelötet. Durch dieses Design wird ein besonders robuster Aufbau erreicht. Dies hilft, bei kurzen Pulsen die Energie aufzunehmen, im Material zwischenzuspeichern und dann in Form von Wärme über die Kontakte abzuführen.  

Noventin selbst weist dabei besonders gute Temperatureigenschaften auf; es ist extrem wärmestabil und verfügt über einen niedrigen Temperaturkoeffizienten. Dank Noventin liegt das Bauteil bei einer Langzeitstabilität von nur 0,3 % Abweichung bei einer maximalen Temperatur von 135 °C an der Kontaktstelle.  

Qualifiziert nach AEC-Q200 

Für die Qualifizierung nach der Automobilnorm AEC-Q200 wurde die Langzeitstabilität bei einer Temperatur von 140 °C an der Kontaktstelle mit einer Dauer von über 2 000 Stunden geprüft, was ungefähr der Bauteillebensdauer entspricht. Die Drift lag hier bei weniger als ± 0,5 %. Entsprechend dieser Qualifikation sind Stromsensoren der FMx-Reihe aufgrund ihrer hohen Präzision über die gesamte Lebensdauer neben der elektrischen Parkbremse für zahlreiche weitere Automotive-Applikationen wie Lichtanwendungen, DC-DC-Wandler oder ­Assistenzsysteme geeignet. Auch in Industrieanwendungen mit BLDC-Motoren in Powertools oder im Consumer-Bereich bei Weißer Ware können die niederohmigen Shunts zum Einsatz kommen und zu bisherigen Lösungen eine deutliche Platzersparnis bieten. 

Autorin: Michaela Wassenberg, Wassenberg Public Relations GmbH in Nürnberg 

Bilder: 02 Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG, 01+03 Shutterstock 

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