Ruhestrom und Laststrom mit einem Sensor messen: Warum der Shunt im Niedervolt-Bordnetz die Nase vorn hat

In 12-, 24- und 48-V-Bordnetzen müssen Ströme von wenigen Milliampere bis zu mehreren hundert Ampere zuverlässig erfasst werden, im Fahrzeug wie am Prüfstand. Shunt, Hall-Sensor und Stromzange im Überblick – und warum ein einziger Shunt-Sensor beide Messaufgaben lösen kann.

Die Herausforderung: Dynamikbereich

Der Ruhestrom eines abgestellten Fahrzeugs liegt nach dem Einschlafen der Steuergeräte im Milliampere-Bereich. Schon wenige Milliampere über dem Budget können die Batterie in einigen Tagen tiefentladen. Die Lastströme von Hochstromverbrauchern erreichen dagegen kurzzeitig mehrere hundert Ampere. Beispiele sind Starter, elektrische Servolenkung, PTC-Zuheizer und Kältemittelverdichter, in 24-V-Nutzfahrzeugen auch Hydraulikpumpen und Ladebordwände. Besonders hoch fallen die Spitzen bei Einschalt- und Anlaufvorgängen sowie beim Kaltstart aus.

Zwischen 1 mA und 750 A liegt ein Dynamikbereich von 1:750.000. Sensoren, die für Lastspitzen ausgelegt sind, lösen im unteren Bereich meist nur noch eingeschränkt auf. Genau dort liegt aber der Ruhestrom. In der Praxis werden deshalb oft zwei Sensoren verbaut. Das bedeutet doppelten Aufwand bei Installation, Verkabelung, Kalibrierung und Auswertung.

Umgebungsbedingungen

Im Erprobungsfahrzeug ist die Messtechnik Spritzwasser, Staub, Feuchtigkeit und Temperaturwechseln ausgesetzt. Ein dauerhaft verbauter Sensor braucht deshalb mindestens die Schutzart IP67 und einen Temperaturbereich, der Kälte- und Hitzeerprobungen abdeckt, typischerweise −40 °C bis +85 °C. Entscheidend ist dabei die Temperaturdrift: Beim Laststrom fällt ein Offset von wenigen Milliampere nicht ins Gewicht, beim Ruhestrom macht er das Messergebnis unbrauchbar.

Hall-Sensor und Stromzange: stark bei hohen Strömen, schwach im Milliampere-Bereich

Hall-Sensoren und Stromzangen messen berührungslos über das Magnetfeld. Sie sind schnell montiert und galvanisch getrennt. Für Hochstrommessung und Diagnose sind sie bewährte Werkzeuge.

Beim Ruhestrom stoßen sie jedoch an physikalische Grenzen. Offset, Temperaturdrift und Remanenz des Magnetkerns überdecken typischerweise wenige Milliampere. Bei der Stromzange hängt das Ergebnis zusätzlich von der Leiterposition und vom Nullabgleich ab. Für den Dauereinbau sind Zangen zudem selten ausgelegt. Wer Ruhestrom präzise messen will, braucht mit diesen Prinzipien meist einen zweiten Sensor.

Shunt: ein Sensor für den gesamten Messbereich

Der Shunt misst den Strom direkt im Strompfad über den Spannungsabfall an einem Präzisionswiderstand. Das bringt entscheidende Vorteile:

• Kein magnetischer Offset, keine Remanenz: Der Nullpunkt bleibt stabil. Das ist die Voraussetzung für verlässliche Ruhestrommessungen über Stunden und Tage.
• Geringe Temperaturdrift: Widerstandslegierungen wie Manganin halten den Messwert über den Temperaturbereich der Fahrzeugerprobung stabil.
• Ein Sensor statt zwei: Ruhestrom und Lastspitzen werden mit demselben Sensor an einem Messpunkt erfasst. Das spart Hardware, Einbauraum, Verkabelung und Auswerteaufwand.
• Dauerhaft verbaubar: Kompakt, gekapselt und mit hoher Schutzart bleibt der Shunt über die gesamte Erprobungskampagne im Fahrzeug.

Die eigentliche Herausforderung liegt in der Elektronik. An einem typischen Shunt mit 100 µΩ fallen bei 1 mA nur 100 nV ab. Diese Signale sicher zu erfassen und gleichzeitig Lastspitzen von mehreren hundert Ampere zu verkraften, erfordert eine konsequent auf diese Aufgabe ausgelegte Messelektronik.

PowerTrace HCS 75060: vom Ruhestrom bis zum Kaltstart

Genau dafür hat BRIGHT den PowerTrace HCS 75060 entwickelt. Der CAN-Strom- und Spannungssensor erfasst Ruhestrom im Milliampere-Bereich und Lastspitzen bis ±750 A mit einem kompakten Gerät statt zweien.

• Strom: ±750 A Spitze, ±225 A Dauerstrom
• Auflösung: 1 mA im Feinstrombereich
• Genauigkeit: ±0,5 bis 1 % im Dauerstrombereich
• Spannung: ±60 V, für 12-, 24- und 48-V-Bordnetze
• Schnittstelle: CAN, bis 1 kHz, CAN-konfigurierbar
• Schutzart und Temperatur: IP67, −40 °C bis +85 °C
• Abmessungen: ca. 39,5 × 30 × 49 mm

Neben dem Strom misst der PowerTrace auch die Bordnetzspannung am selben Messpunkt. Damit werden etwa Spannungseinbrüche beim Kaltstart direkt sichtbar. Über CAN fügt sich der Sensor ohne zusätzliche Hardware in bestehende Messketten ein. Die Software lässt sich an die jeweilige Messaufgabe anpassen.

Typische Einsatzfelder sind Ruhestromanalysen, Motorstart- und Lastspitzenmessungen, 48-V-Bordnetze, Erprobungsflotten, Prüfstände und HiL sowie Sonder- und Verteidigungsfahrzeuge.

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