Im E-Auto kommt es auf jedes Watt an. Daher legen Entwickler den Fokus auf Technologien, die dabei helfen, den Wirkungsgrad aller Subsysteme zu maximieren.

Im E-Auto kommt es auf jedes Watt an. Daher legen Entwickler den Fokus auf Technologien, die dabei helfen, den Wirkungsgrad aller Subsysteme zu maximieren. (Bild: ADI)

SiC-MOSFETs, die für den Einsatz in der nächsten Generation von Traktionswechselrichtern von Elektrofahrzeugen vorgesehen sind, dürften verbreiteten Schätzungen zufolge die Reichweite eines Elektrofahrzeugs gegenüber bestehenden Lösungen auf Siliziumbasis um vier bis zehn Prozent vergrößern (Bild 1).

Bild 1: Schema des Antriebsstrang-Systems für ein Elektrofahrzeug.
Bild 1: Schema des Antriebsstrang-Systems für ein Elektrofahrzeug. (Bild: ADI)

Isolierte Gatetreiber sollen erstens Personen und Anlagen vor der am SiC-Schalter liegenden hohen Spannung schützen. Zweitens sollen sie eine kurze, präzise Signallaufzeit über die Isolationsbarriere hinweg gewährleisten. Da ein Traktionswechselrichter-System aus zwei Transistoren (einem high-seitigen und einem low-seitigen) pro Phase besteht, muss zur Vermeidung von Kurzschlüssen unbedingt vermieden werden, dass beide gleichzeitig eingeschaltet sind. Die vom Mikrocontroller kommenden und an die Gates der Transistoren geführten PWM-Signale müssen deshalb ähnliche Signallaufzeiten aufweisen, die außerdem möglichst kurz sein sollten, damit die Regelung schnell reagieren kann.

Der isolierte Gatetreiber ist dafür verantwortlich, den besten Schaltpunkt zu bestimmen, eine etwaige Überhitzung des Leistungsschalters zu verhindern, Kurzschlüsse zu detektieren bzw. zu unterbinden und die Einbindung des Treiber/Schalter-Blocks in ein ASIL-D-System zu ermöglichen.

Alle prinzipbedingten Vorteile von SiC-Schaltern würden jedoch zunichtegemacht, wenn nichts gegen die gängigen Störgrößen und die extrem hohen, destruktiven Spannungs-Überschwinger unternommen wird, die in schlecht konstruierten Leistungsschalter-Anwendungen von den äußerst steilen Strom- und Spannungsflanken hervorgerufen werden. SiC-Schalter funktionieren trotz der zugrundeliegenden Technologie relativ einfach, verlangen aber nach Sorgfalt bei der Anbindung an das umgebende System.

Isolation ist entscheidend für den Wirkungsgrad

Die durch SiC-Schalter erzeugten steilen Flanken können die Datenübertragung über die Isolationsbarriere beeinträchtigen. Deshalb ist es wichtig, die Empfindlichkeit des Systems gegen diese Flanken messtechnisch zu erfassen und zu verstehen. Übertrager mit einer dicken Polyimid-Isolierschicht bieten eine gute Impulsfestigkeit mit CMTI-Werten (Common Mode Transient Immunity) von bis zu 200 V/ns und mehr. Mit einer Polyimid-Isolierung lässt sich das volle Potenzial von SiC-Schaltern ausschöpfen, verbunden mit einer guten Betriebssicherheit.

Indem die Schaltenergie und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) maximiert wird, lässt sich die Leistungsfähigkeit verbessern. Das Anheben der Treiberstärke ermöglicht nicht nur eine höhere Flankensteilheit und geringere Schaltverluste, sondern gestattet auch eine Reduzierung der Leiterplattenfläche, da es nicht mehr notwendig ist, jedem Gatetreiber einen eigenen externen Puffer nachzuschalten. Unter bestimmten Bedingungen muss das System unter Umständen die Schaltgeschwindigkeit herabsetzen, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erreichen, oder das Schalten erfolgt in Stufen, um eine zusätzliche Wirkungsgradsteigerung zu erreichen. Der 30-A-Gatetreiber ADuM4177 bietet die Möglichkeit zum Einstellen der Treiberstärke und der Flankensteilheit und ist mit einer SPI-Schnittstelle ausgestattet. Der Baustein besitzt eine Nennspannung von 1500 V (Scheitelwert) und ist für DC-Arbeitsspannungen gemäß DIN V VDE0884-11 ausgelegt. Er kommt für 400-V- und 800-V-Systeme in Frage.

Robustheit ohne Kompromisse

Wegen der kleineren Abmessungen und der exakt vorgegebenen Temperaturbelastbarkeit von SiC-basierten Leistungsschaltern (MOSFETs) sind Kurzschlüsse ein gravierendes Problem für diese Bauelemente. Gatetreiber sorgen deshalb für den Kurzschlussschutz, der von essenzieller Bedeutung für die Zuverlässigkeit, die Sicherheit und die Lebenszyklus-Optimierung von EV-Antriebssträngen ist. Bei den diesbezüglichen wichtigen Kenndaten – der Kurzschluss-Detektierungszeit und der Gesamt-Fehlerbeseitigungszeit – lassen sich Werte von nur 300 ns bzw. 800 ns erzielen.

Power-Management

Beim E-Auto kommt es auf jedes einzelne Watt an – ganz gleich, ob ein EV eingeschaltet ist oder sich im Standby- oder Sleep-Modus befindet. Gute Power-Management-Lösungen können den Gesamtwirkungsgrad eines EV verbessern, ohne dass Abstriche an den optimalen EMV-Eigenschaften gemacht werden müssen. Dies gilt für Anwendungen mit niedrigen Strömen und Spannungen bis hin zu solchen, in denen hohe Ströme und Spannungen vorkommen.

Designprobleme bei Hochspannungs-Sperrwandlern

Bild 2: Der Wirkungsgrad des Sperrwandlers LT8316 bei verschiedenen Eingangsspannungen.
Bild 2: Der Wirkungsgrad des Sperrwandlers LT8316 bei verschiedenen Eingangsspannungen. (Bild: ADI)

In funktional sicheren Systemen spielt die Erzeugung einer lokalen Kleinspannung aus der hohen Batteriespannung eine entscheidende Rolle. In den isolierten Hochspannungs-Sperrwandlern traditioneller Bauart wird eine hohe Regelgenauigkeit mithilfe von Optokopplern erreicht, die die Regelinformationen von der Sekundär- an die Primärseite übermitteln. Optokoppler bescheren isolierten Schaltungen jedoch einen erheblichen Zuwachs an Komplexität, denn ihre Signallaufzeit, ihre Alterung und ihre schwankenden Übertragungsverhältnisse erschweren das Kompensieren der Regelschleife und können die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Während der Anlaufphase wird zudem entweder ein Ableitwiderstand oder eine Hochspannungs-Startschaltung benötigt, um den Baustein anfangs mit Strom zu versorgen. Solange die Anlaufschaltung nicht durch einen zusätzlichen Hochspannungs-MOSFET ergänzt wird, sorgt der Ableitwiderstand außerdem für unerwünschte Verluste.

Design ohne Optokoppler

Wird die Ausgangsspannung isoliert mithilfe einer dritten Wicklung des Übertragers erfasst, kann die Regelung ohne Optokoppler erfolgen. Die Programmierung der Ausgangsspannung erfolgt dabei mit zwei externen Widerständen und einem dritten, optionalen Widerstand zur Temperaturkompensation. Der Betrieb im sogenannten Boundary-Modus trägt zum Erzielen hervorragender Lastregeleigenschaften bei. Die Ausgangsspannung wird erfasst, wenn der Sekundärstrom nahezu null beträgt, und es sind keine externen Widerstände oder Kondensatoren zur Lastkompensation erforderlich. Der daraus resultierende geringe Bauteileaufwand der Lösung macht das Design eines isolierten Sperrwandlers eindeutig einfacher.

Startphase optimieren

Wegen des eingebauten Verarmungs-MOSFETs (selbstleitend und mit negativer Schwellenspannung) werden weder ein externer Ableitwiderstand noch andere Start-Bauelemente benötigt. Sobald ein lokaler 12-V-Kondensator aufgeladen ist, sperrt der Verarmungs-MOSFET, um die Verluste zu reduzieren.

Geringe Ruhestromaufnahme

Zum Erzielen einer möglichst niedrigen Ruhestromaufnahme empfiehlt sich die Implementierung verschiedener Mechanismen. So sollte bei geringer Last die Schaltfrequenz abgesenkt werden (unter Einhaltung des Mindeststroms), um die Stromaufnahme zu verringern, gleichzeitig aber die Ausgangsspannung korrekt zu erfassen. Der LT8316 kommt im Standby-Modus mit einer Reduzierung der Schaltfrequenz um den Faktor 16 (von 3,5 kHz auf 220 kHz) und Begrenzung des Preload-Stroms auf weniger als 0,1 Prozent der vollen Ausgangsleistung auf eine Ruhestromaufnahme von unter 100 µA.

Aus Bild 2 geht der Wirkungsgrad bei verschiedenen Eingangsspannungen hervor, wobei der Sperrwandler auf eine maximale Effizienz von 91 Prozent kommt. Auch ohne Optokoppler wird bei verschiedenen Eingangsspannungen eine gute Lastregelung erreicht. Bild 3 zeigt die Netz- und Lastregeleigenschaften des Sperrwandlers.

Bild 3: Netz- und Lastregeleigenschaften des Sperrwandlers LT8316.
Bild 3: Netz- und Lastregeleigenschaften des Sperrwandlers LT8316. (Bild: ADI)

Welche Rolle spielt das Batteriemanagement?

Ein BMS überwacht und koordiniert den Ladezustand (State-of-Charge, SOC) einer Anordnung aus mehreren Batteriezellen. Wenn es sich um große Batteriesätze mit hoher Spannung handelt, ist ein präzises Überwachen der Parameter sowohl der einzelnen Zellen als auch des gesamten Batteriesatzes entscheidend, um einerseits eine maximale Batteriekapazität zu erzielen und andererseits für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu sorgen. Je exakter das BMS arbeitet, umso mehr Energie kann aus der Batterie entnommen werden, was wiederum die Reichweite des Fahrzeugs erhöht. Zusätzlich wird die Gesamtlebensdauer der Batterie maximiert, und die Gesamtkosten verringern sich.

Gesamt-Messfehler über die Lebensdauer

Der ADBMS6815 als aktuelles BMS-Produkt kommt auf einen Gesamt-Messfehler über die Lebensdauer (Lifetime Total Measurement Error, LTME) von 1,5 mV.

Automobilhersteller haben bestätigt, dass jedes Millivolt LTME die SOC-Schätzung um mindestens fünf Prozent ungenauer macht, weshalb die Hersteller bei der Angabe der Restreichweite im Fahrzeug übermäßig konservativ vorgehen müssen. Bei einem Hochspannungs-Batteriesatz im Wert von 9000 US-Dollar würde ein Fehler von einem Prozent bei der SOC-Abschätzung Kosten von rund 90 US-Dollar je Millivolt Fehler verursachen. In den LTME-Wert gehen die thermische Hysterese, der Einfluss des Lötprozesses, Quantisierungsfehler (Rauschen), die Feuchtigkeits-Empfindlichkeit und die Langzeitdrift ein.

In einem 800-V-System mit sechzehn 12-kanaligen Bauelementen ergeben sich bei einem Fehler von 4 mV gegenüber 1,5 mV im Fall des ADBMS6815 um etwa 225 US-Dollar höhere Gesamtkosten, während eine bessere SOC-Schätzung möglich ist und sich die Reichweite des EV erhöht (Bild 4).

Bild 4: Mehrzellen-Lösung auf Basis des ADBMS6815 für ein Batteriemanagement-System.
Bild 4: Mehrzellen-Lösung auf Basis des ADBMS6815 für ein Batteriemanagement-System. (Bild: ADI)

Der ADBMS6815 besitzt zwei, auf acht Kanäle gemultiplexte 16-Bit-Delta-Sigma-ADCs und bietet acht programmierbare Oversampling-Verhältnisse zum Filtern zwischen 26 Hz bis zu 27 kHz. Mit seiner Fähigkeit zum Cell-Balancing mit 300 mA erlaubt der ADBMS6815 den Verzicht auf externe Entlade-Schalter, wodurch sich etwa 0,50 US-Dollar je BMS-IC einsparen lassen. Der Baustein erfüllt in vollem Umfang die aktuellsten Anforderungen und warnt frühzeitig bei thermischen Problemen in einer Zelle. Hierfür werden die Zellen sogar bei abgestelltem Fahrzeug überwacht.

Drahtlose Batteriemangement-Systeme

WBMS-Lösungen (wireless BMS) stützen sich technisch auf die BMS-Performance, Funk-Lösungen und die Netzwerkprotokoll-Technologie. WBMS-Systeme sind speziell für Batteriemanagement-Anwendungen im Kfz-Bereich konzipiert und sollen als lückenlos sichere, geschützte, robuste und skalierbare Lösungen dienen (Bild 5).

Bild 5: Wireless BMS stützen sich technisch auf die BMS-Performance, Funk-Lösungen und die Netzwerkprotokoll-Technologie.
Bild 5: Wireless BMS stützen sich technisch auf die BMS-Performance, Funk-Lösungen und die Netzwerkprotokoll-Technologie. (Bild: ADI)

Kernstück eines wBMS-Systems ist das Funk-Netzwerk. Das drahtlos als redundante Stern-Topologie angelegte System enthält eine leistungsfähige, mit 2,4 GHz arbeitende Funk-Stufe mit einer nach dem Channel-Hopping-Verfahren funktionierenden MAC-Schicht und einer Netzwerkschicht, die für Determinismus sowie für Übertragungsweg-, Zeit- und Frequenz-Diversität sorgt.

Der Wegfall der Verkabelung des Batteriesatzes ist eines der zentralen Merkmale, mit denen sich ein wBMS von einem herkömmlichen BMS unterscheidet. Je nach Architektur des Batteriesatzes kann dies bis zu 90 Prozent der Verkabelung und bis zu 15 Prozent des Volumens einsparen, sodass der Batteriesatz eine höhere Energiedichte aufweist.

Gleichzeitig ermöglicht dies modulare Batteriesätze, was Vereinfachungen mit sich bringt und eine kosteneffiziente, automatisch oder mit Robotern durchgeführte Fertigung gestattet. Modulare Batteriesatz-Lösungen eröffnen zudem nicht nur die Möglichkeit der Wiederverwendung identischer Designs in einem ganzen EV-Portfolio, sondern es entsteht auch Flexibilität beim Design, ungehindert durch die Notwendigkeit, umfangreiche Kabelbäume und Steckverbinder unterzubringen.

Wegbereiter für Second-Life-Nutzung von Batteriesätzen

Um die CO2-Bilanz eines Fahrzeugs weiter zu verbessern, muss über die Second-Life-Nutzung seiner Batterie nachgedacht werden. Der Batteriesatz sollte dafür, während seines gesamten Lebenszyklus genau überwacht werden, was sich mit einem wBMS einfach bewerkstelligen lässt.

Am Beginn seines Lebenszyklus kann ein Batteriemodul lange Zeit mit Transport und Lagerung verbringen, bevor es in einem Batteriesatz verbaut wird. Ein drahtloses BMS ermöglicht hierbei die fortlaufende Überwachung von Leerlaufspannung und Temperatur, sodass sich etwaige Frühausfälle sofort identifizieren lassen. Drahtlos konzipierte Batteriemodule können auch während ihrer gesamten Lebensdauer verfolgt und überwacht werden. All dies sorgt in Verbindung mit dem Wegfall der Kommunikations-Verkabelung dafür, dass Batteriesätze einfacher und kosteneffektiver einer Second-Life-Nutzung zugeführt werden können. (na)

Timothé Rossignol

System Engineering and Marketing Leader für E-Mobility Power Conversion Systems bei Analog Devices

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