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(Bild: Rohm)

Die Klimaerwärmung erfordert Maßnahmen in allen Bereichen, auch beim Automobil. Weltweit gelten ab 2020 gesetzliche CO2-Grenzwerte. Die strengsten Vorgaben gibt es dann mit 95 g/km für Europa. Um diese zu erreichen, entwickeln die Automobilhersteller verschiedene Elektroantriebskonzepte.
Das sind zum Beispiel reine Elektrofahrzeuge, die ihren Antriebsstrom aus aufladbaren Batterien beziehen oder Autos, die in einer Brennstoffzelle Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln. Zudem gibt es verschiedene Hybrid-Varianten:

  • Voll-Hybride, bei denen die Batterie während der Fahrt mit regenerativer Energie aufgeladen wird und auch rein elektrisches Fahren erlaubt.
  • Plug-In-Hybride, die an einer Steckdose aufgeladen werden können.
  • Mild-Hybride (MHEVs), die eine 48-Volt-Batterie mit regenerativer Energie aufladen und Start-Stopp-Betrieb sowie die elektrische Verstärkung des Verbrennungsmotors ermöglichen.
Bild 1: Jährliche Prognose für die Produktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Bild 1: Jährliche Prognose für die Produktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Rohm

Allein im Segment 48-Volt-Mild-Hybrid prognostizieren Experten für 2024 7,1 Millionen Fahrzeuge (Bild 1). Doch wie verringert der Einsatz von Hybridantrieben den Kraftstoffverbrauch? Bei Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren und 12-Volt-Bleibatterie muss der Motor die gesamte Energie nicht nur für den Antrieb, sondern auch zum Betrieb der elektrischen Systeme wie etwa Beleuchtung oder Klimaanlage erzeugen. In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen lädt regenerative Energie, die beispielsweise durch Bremsen erzeugt wird, die Batterie auf, welche die elektrischen Systeme versorgt und außerdem den Verbrennungsmotor in verschiedenen Antriebssituationen unterstützt. Auf diese Weise wird die erforderliche Motorleistung reduziert und weniger Kraftstoff verbraucht.

Die möglichen Kraftstoffeinsparungen und damit die CO2-Reduktionen sind bei Plug-In- und Voll-Hybrid-Systemen sehr groß. Der technische Aufwand und damit die Kosten sind hier jedoch erheblich. Außerdem erschweren das zusätzliche Gewicht und der Platzbedarf den Einsatz in kompakten und kleinen Autos. Im Gegensatz dazu ist ein 48-Volt-Mild-Hybrid-System nicht nur platzsparender und kostengünstiger, sondern reduziert im Vergleich zu einem herkömmlichen 12-Volt-Fahrzeug die CO2-Emissionen signifikant.

Stromversorgungs-ICs für 48-Volt-MHEVs

Bild 2: Unterschiede der Stromversorgungssysteme mit 12 V und 48 V, wie es auch in MHEVs zum Einsatz kommt.

Bild 2: Unterschiede der Stromversorgungssysteme mit 12 V und 48 V, wie es auch in MHEVs zum Einsatz kommt. Rohm

Ein wesentlicher Unterschied zwischen konventionellen und Mild-Hybrid-Fahrzeugen ist die Nennspannung der Batterie. Bei MHEV ist sie mit 48 V viermal so hoch. Da jedoch alle anderen elektrischen und elektronischen Einheiten, einschließlich der Steuergeräte, mit den bisherigen niedrigen Spannungen arbeiten, erhöht sich somit für die Stromversorgungs-ICs die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung deutlich (Bild 2).

Um die Spannung von 48 V auf die von elektronischen Steuergeräten benötigten 5 V oder 3,3 V zu wandeln, sind typischerweise zwei Stufen erforderlich, zuerst eine Zwischenwandlung auf beispielsweise 12 V, dann eine zweite Konvertierung auf 3,3 V. Dies erhöht die Zahl der ICs und Peripheriekomponenten, den Platzbedarf und die Kosten. Nicht zuletzt verringert das Abwärtswandeln den elektrischen Wirkungsgrad, was wiederum die Verlustleistung steigert und damit den Aufwand erhöht, diese abzuführen.

Gleichspannungswandler mit einem hohen Abwärtswandlungsverhältnis, die in einem Schritt aus einer sehr hohen Eingangsspannung eine niedrige Ausgangsspannung erzeugen, wären hier die ideale Lösung. Eine Methode, das Abwärtswandlungsverhältnis zu erhöhen, ist eine niedrigere Schaltfrequenz. Dies erfordert jedoch den Einsatz größerer Spulen und Kondensatoren. Außerdem könnten Schaltfrequenzen unterhalb von 2 MHz das AM-Frequenzband stören. Daraus ergibt sich das Anforderungsprofil für einen Gleichspannungswandler mit einem hohen Abwärtswandlungsverhältnis und einer hohen Schaltfrequenz.

 

Auf der nächsten Seite stellt der Beitrag die Nano-Puls-Control-Technologie im Detail vor.

ICs mit Nano-Pulse-Control-Technologie

Bild 3: Schaltrauschen bei steigenden Spannungen und Frequenzen.

Bild 3: Schaltrauschen bei steigenden Spannungen und Frequenzen. Rohm

Die Wandlung einer hohen Eingangsspannung in eine niedrige Ausgansspannung bei hoher Schaltfrequenz erfordert eine kleine Schaltimpulsbreite, was jedoch eine technische Herausforderung darstellt. Der Zusammenhang zwischen Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Schaltfrequenz und Schaltimpulsbreite berechnet sich wie folgt: ton= (VOUT/VIN)× (1/f), (ton: Schaltimpulsbreite, VOUT: Ausgangsspannung, VIN: Eingangsspannung, f: Schaltfrequenz).

Das bedeutet, dass bei höheren Abwärtswandlungsverhältnissen und steigender Frequenz die Schaltimpulsbreite abnehmen muss. Um die für 48-V-MHEV-Systeme notwendigen kurzen Schaltimpulse zu erzeugen, müssen zunächst zwei Probleme gelöst werden, die mit dem unvermeidlichen Schaltrauschen zusammenhängen. Eine Erhöhung der Eingangsspannung oder der Schaltfrequenz vergrößert gleichzeitig den Rauschanteil aufgrund der vorhandenen parasitären Induktivität beziehungsweise Kapazität (Bild 3).
Das Schaltrauschen kann das Verhalten des Wandlers instabil werden lassen. Bei herkömmlichen Regelmethoden können Zeitmasken dies verhindern. Zudem wird hier eine Analogschaltung gebraucht, die eine zusätzliche Verzögerungszeit einführt. Diese beiden Effekte vergrößern jedoch die Pulsbreite.
Rohm entwickelte mit Nano Pulse Control eine neue Technologie, die auf der Basis von hochspannungsfesten BiCDMOS-Prozessen und ultra-schneller Pulssteuerung Schaltrauschen frühzeitig erkennt und kompensiert.

 

Bild 4: BD9V100MUF-C ermöglicht bei 2,1 MHz die direkte Abwärtswandlung von 60 V auf 2,5 V.

Bild 4: BD9V100MUF-C ermöglicht bei 2,1 MHz die direkte Abwärtswandlung von 60 V auf 2,5 V. Rohm

Bild 5: Stabile Schaltfrequenz über einen weiten Eingangsspannungsbereich.

Bild 5: Stabile Schaltfrequenz über einen weiten Eingangsspannungsbereich. Rohm

BD9V100MUF-C ist das erste IC mit dieser Technologie. Die erforderliche Pulsbreite um aus 60 V, die maximal auftretende Batteriespannung in 48-Volt-Systemen, 3,3 V zu erhalten, beträgt 30 ns, unter Berücksichtigung von Schwankungen von Last und Stromversorgung weniger als 30 ns. Rohms BD9V100MUF-C kann bis zu 9 ns kurze Schaltpulse erzeugen. Zum Beispiel lässt sich mit einer Pulsbreite von 20 ns bei einem Eingangsspannungbereich von 16 V bis 60 V eine stabile Ausgangsspannung von 2,5 V erzeugen. Dies entspricht einem Abwärtswandlerverhältnis von bis zu 24:1 (Bild 4 und Bild 5).

 

Wie der BD9V100MUF-C für einen erhöhten Kurzschlussschutz sorgt, lesen Sie auf der folgenden Seite.

Erhöhter Kurzschlussschutz

BD9V100MUF-C ist für Automobilanwendungen nach AEC-Q100, Grade 1, qualifiziert. Der Baustein verfügt über zahlreiche Schutzfunktionen, die bei Störungen oder bei Überschreiten zulässiger Parameter Beschädigungen des IC oder des Systems verhindern. Wenn zum Beispiel bei einer Eingangsspannung von 60 V Eingang und Schaltausgang kurzgeschlossen werden, könnte ein konventioneller Kurzschlussschutz eine Zerstörung des IC nicht verhindern. Die von Rohm entwickelte Technologie kann eine Anomalie erkennen und die Ausgänge deaktivieren, bevor ein Schaden eintreten kann. Für eine höhere Zuverlässigkeit bei der Platinenbestückung kommt ein Wettable-Flank-Gehäuse zum Einsatz, das hohe Benetzbarkeit und die Möglichkeit der optischen Inspektion gewährleistet.

Fazit

Die Verringerung der CO2-Emissionen in Fahrzeugen ist eine große Herausforderung und die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz ein wichtiger Schritt, um dieses Ziel zu erreichen. Da 48-V-MHEVs ein gutes Preis-Leistungsverhältnis bieten, wird die Nachfrage steigen. Mit dem Nano-Pulse-Abwärtswandler von Rohm lassen sich kleinere, einfachere Netzteile für Mild-Hybrid-Systeme realisieren. Speziell für den europäischen Markt, wo die Einführung von MHEVs voranschreitet, bieten die Nano-Pulse-ICs von Rohm Vorteile gegenüber bestehenden Produkten.

 

Dieser Beitrag ist in der emobility tec, dem technischen und technologischen Fachmedium für Hybridfahrzeuge und Elektromobilität, erschienen.

Michael Effkemann

Michael Effkemann
Application Engineer bei Rohm

(prm)

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