Hinter den Kulissen der Innovation: Der Weg zu einer neuen Art der Strommessung

Wichtige Erkenntnisse:

• Der TMCS2100 ist der erste mehrachsige kernlose Halleffekt-Stromsensor von TI für Traktionsinverter in Elektrofahrzeugen, wodurch magnetische Kerne überflüssig werden, ohne die Genauigkeit der Strommessung zu beeinträchtigen.
• Im Gegensatz zu herkömmlichen kernlosen Stromsensoren, die das Magnetfeld um den Strom nur in eine Richtung messen, misst der TMCS2100 dieses in zwei Richtungen. Dadurch ist er weniger vibrationsempfindlich und toleranter gegenüber mechanischen Verschiebungen.
• Der neue mehrachsige, kernlose Halleffekt-Stromsensor löst einen seit langem bestehenden Zielkonflikt beim Design von Traktionsinvertern: Die kernlose, präzise Strommessung reduziert das Übersprechen zwischen Motorphasen und die Drehmomentwelligkeit und trägt so zu einer größeren Reichweite und einem ruhigeren Fahrverhalten bei.
• Der TMCS2100 wurde in Zusammenarbeit zwischen den Kilby Labs von TI und dem Sensorteam von TI entwickelt und ermöglicht es Automobilherstellern, die von ihnen benötigte Präzision ohne Kompromisse bei Größe und Gewicht zu erreichen. Gleichzeitig passt er in kleinere, effizientere Traktionsinverter.

Jahrelang irritierte – und frustrierte – ein bestimmtes Problem Tausende von Ingenieuren, die Traktionsinverter für Elektrofahrzeuge entwickelten.

Bei Traktionsinvertern erfordert eine präzise Motorsteuerung eine präzise Strommessung. Dabei sah man sich schon seit langem mit einem grundlegenden Kompromiss konfrontiert: Ein Magnetkern kann zwar die erforderliche Genauigkeit der Strommessung bieten, erhöht aber in jedem Design das Gewicht und den Platzbedarf. Bei Verzicht auf den Magnetkern aber könnten schon allein Vibrationen die Strommessungen beeinträchtigen.

Die Ingenieure von TI wollten diesen Kompromiss nicht als endgültige Antwort akzeptieren, sondern verstanden ihn als eine Aufforderung zur Innovation.

„Unsere Kunden brachten den klaren Bedarf an einer kernlosen aber dennoch genauen Strommesslösung für Traktionsinverter zum Ausdruck “, so Jason Cole, Vice President und General Manager of Sensing Products bei TI. Um die Lösung zu entwickeln, schloss sich das Sensorik-Team von TI mit den Kilby Labs zusammen, dem zukunftsweisenden F&E-Innovationszentrum von TI, das mit den Technologiebereichen von TI zusammenarbeitet, um technische Herausforderungen zu meistern, für die es noch keine klaren Antworten gibt.

Von der technologischen Herausforderung zur Lösung

TI arbeitete zunächst mit zwei Automobilingenieuren zusammen, die sich bereits mit dem Kompromiss bei Transaktionsinvertern konfrontiert sahen, wodurch ihr Projekt von Anfang an mit realen Designbeschränkungen behaftet war. Die Hauptfrage der Entwickler wurde zum Ausgangspunkt von TI: Könnte eine kernlose Lösung die Genauigkeit liefern, die Traktionsinverter haben müssen, ohne jene Abstriche machen zu müssen, die Ingenieure schon seit langem akzeptiert haben?

„Im Idealfall möchten Sie ein paar wichtige Mitstreiter haben, die eng mit Ihnen zusammenarbeiten können“, so Lei Ding, Systemmanager bei den Kilby Labs. „Sie haben dann ein kleines Team, das schnell Prototypen produziert, das Konzept evaluiert und es weiterentwickelt.“

Die Zusammenarbeit prägte die anfängliche Richtung des Projekts. Frühe Konzepte stützten sich auf einen externen Mikrocontroller, um Messfehler nachträglich korrigieren zu können. Diskussionen zwischen den Kilby Labs und dem Sensorteam deuteten jedoch auf ein noch ehrgeizigeres Ziel hin, nämlich auf einen Sensor, der Messfehler intern korrigieren kann.

Von da an schlug das Projekt eine andere Richtung ein. Anstatt ihr erstes Design zu optimieren, begannen die Ingenieure von TI neu darüber nachzudenken, wie ein Sensor den Strom in einem Traktionsinverter messen könnte.

Das Team lieferte seinen Prototyp innerhalb kurzer Zeit an ein Kundenlabor in Deutschland, wo er drei Tage lang unter den Bedingungen getestet wurde, denen der Sensor tatsächlich ausgesetzt würde: verschiedene Stromstärken, unterschiedliche Frequenzen, verschiedene Modulationen.

Manchmal führten diese Tests zu weiteren Fragen. Zum Beispiel: Wie würden sich die Tests in einem realen System bewähren? Interessanterweise aber wurde Unsicherheit eher Teil des Prozesses als ein Warnzeichen.

„Anstatt nach einfachen Beispielen zu suchen, die das Funktionieren einer Idee beweisen würden, wählten wir den gegenteiligen Ansatz und suchten nach Fällen, die sie zum Scheitern bringen würden“, so Dok Won Lee, Process Development Engineer Manager bei den Kilby Labs. „So kommt man schnell zu einer Antwort.“

Eine Frage tauchte immer wieder auf. Bestehende kernlose Sensoren messen das Magnetfeld, das den Strom umgibt, nur in einer Richtung. Wie wäre es dagegen, wenn ein Sensor es in zwei Richtungen messen würde?

Ein intelligenterer Sensor, gemeinsam entwickelt

Bislang konnte keine Lösung auf dem Markt eine komplexe Strommessung ausführen und die Mehrachsigkeit eines Signals berücksichtigen. Die Ingenieure bei TI wussten aber, dass sie ein Mehrachsen-Sensordesign verwenden mussten, um unerwünschte Einflüsse zu reduzieren, die die Genauigkeit beeinträchtigen.

Ein Mehrachsen-Sensordesign beseitigt den in der Industrie seit langem bestehenden Zielkonflikt. Durch Messung des Magnetfelds in zwei Richtungen wird der Sensor weniger empfindlich gegenüber Vibrationen. Die Mehrachsen-Messung bewirkt außerdem eine genauere und zuverlässigere Magnetfeld-Sensorik, wodurch die Toleranz des Bausteins gegenüber mechanischen Verschiebungen erhöht wird. Die höhere Genauigkeit reduziert außerdem das Übersprechen zwischen den Motorphasen und die Drehmomentwelligkeit, also das ruckartige Verhalten, das sich auf die Reichweite eines Elektrofahrzeugs und auf dessen ruhige Fahrweise auswirkt.

„Es fühlte sich sehr bereichernd an, weil dies kein einfaches Problem war“, sagte Dok Won. „Das Projekt barg ein hohes Risiko, versprach aber auch immense Chancen. Es gab viele Unsicherheiten, die in eine Sackgasse hätten führen können. Wir konnten den Weg aber dennoch bis zur Produktreife ebnen.“

Der Mehrachsen-Sensor wurde schließlich zu einem realen Produkt, nämlich dem mehrachsigen kernlosen Halleffekt-Stromsensor TMCS2100 für Traktionsinverter.

„Dies ist dennoch nur ein Teil der Innovation“, so Jerry Shi, General Manager für HEV/EV und Antriebsstränge bei TI. „Unsere Kunden werden nämlich noch einen Schritt weiter gehen können. Wenn das Bauteil in Fahrzeuge eingebaut wird, hilft es den Automobilherstellern, die benötigte Präzision zu erreichen, ohne Kompromisse bei Größe und Gewicht eingehen zu müssen, während es sich gleichzeitig in kleinere, effizientere Traktionsinverter integrieren lässt.“

Die Entwicklung des TMCS2100 hätte im Laufe mehrerer Bewertungs-, Optimierungs- und Anpassungszyklen viele Richtungen einschlagen können. Aber die Reise endete an einem Ziel.

„Wir sind Ingenieure, die für Ingenieure erfinden. Unser Ziel war es, das Problem unseres Kunden zu verstehen und gemeinsam eine Lösung zu finden, von der er nicht einmal wusste, dass sie möglich ist“, so Jason. „Diese Technologie verkörpert genau dies.“