IGBT-Hochvoltheizer klimatisiert E-Autos und konditioniert Batterien

Reicht die Motorabwärme für die Klimatisierung nicht mehr aus, ist es notwendig, einen Teil der in der Batterie gespeicherten Energie in Wärme umzuwandeln. Um eine einstellbare Heizleistung zu ermöglichen, ohne dass diese von der Betriebstemperatur- oder Batteriespannung abhängig ist, kommen bei der neuen Generation von Hochvoltheizern IGBTs zum Einsatz. Diese regeln den Energiefluss von der Batterie bis zum Heizelement. Das Heizelement erhitzt das Kühlmittel, das mit der Klimaanlage des Fahrzeugs über einen Wärmetauscher verbunden ist. Mit einem Gebläse wird die warme Luft in die Kabine geleitet.

Insassen, Sicherheit und Batterie

Bild 1: Um bei einem Heizer die Wärme besser verteilen zu können, bietet sich die Parallelschaltung mehrerer Zweige an. Rohm

Bei den Heizsystemen geht es nicht nur um Komfort für die Insassen. Diese haben auch wichtige Sicherheitsfunktionen, wie zum Beispiel das Entfrosten der Fensterscheiben oder das Entfeuchten der Kabine, um dem Fahrer eine klare Sicht nach außen zu verschaffen. Die Batterie braucht aufgrund der chemischen Prozesse im Inneren auch eine gewisse Betriebstemperatur. Der Heizer sorgt dafür, dass die Batterie sich immer im grünen Temperaturbereich befindet. Eine weitere, etwas weniger bekannte Zusatzfunktion der Heizer ist, im Fall von hohen Spannungsspitzen als Entladewiderstand zu dienen. Sollte es aus irgendeinem Grund zu einer ungewollten Spannungserhöhung im Bordnetz kommen, ist das Gerät in der Lage, diese Energie aufzunehmen und somit die Überspannung zu begrenzen. Das schont die Batterie und andere Systeme, die ans Bordnetz angeschlossen sind.

Die einfachste Form, einen Heizer zu realisieren, ist mit einem IGBT in Reihe mit einem Heizelement. Der Schalter wird mit einem einstellbaren Tastverhältnis betrieben, sodass die abgegebene Leistung immer mit dem Sollwert übereinstimmt. Um die Wärme besser zu verteilen, sind mehrere Zweige parallel geschaltet (Bild 1).

Um das Wasserheizsystem sicher im Fehlerfall abschalten zu können, wird ein Sicherheits-IGBT benötigt, der im Normalbetrieb dauerhaft eingeschaltet ist. Sollte ein Fehlerfall vorkommen, schaltet dieser IGBT ab und trennt somit die Heizelemente vom Hochvolt-Bordnetz.

Die Mehrheit der Systeme ist auf 400-V-Batterien ausgelegt, in diesen kommen 650-V-IGBTs zum Einsatz. Alternativ gibt es auch 800-V-Systeme, die mit 1200-V-IGBTs realisierbar sind. Je nach Leistung der einzelnen Heizelemente sind IGBTs mit einem Nennstrom bis zu 50 A notwendig. Die Schaltfrequenzen liegen üblicherweise im zweistelligen Hertz-Bereich bis ein paar Kilohertz. Für diese Anwendungen ist die Schaltgeschwindigkeit (dV_CE/dt) vorgegeben. In der Regel ist diese auf einem niedrigen Wert begrenzt, im Gegenteil zu anderen Anwendungen, wo versucht wird, so schnell wie möglich ein- und auszuschalten.

AEC-Q101-qualifizierte IGBTs

Tabelle: Die RGS-Produktreihe ist AEC-Q101-qualifiziert und umfasst die Spannungsklassen von 650 V und 1200 V. Rohm

Rohm bietet ein komplettes Portfolio von AEC-Q101-qualifizierten IGBTs für Spannungsklassen von 650 V und 1200 V an, die RGS-Produktreihe (Tabelle). Die Serie erzielt niedrige Leistungsverluste, die die Effizienz von Anwendungen steigern und deren Baugröße minimieren. Sie eignen sich daher besonders für Wechselrichter in elektrischen Kompressoren sowie für den Einsatz in PTC-Heizgeräten. Die IGBTs sind mit Nennströmen von 30 bis 50 A, mit und ohne integrierte Diode, im TO-247-Gehäuse verfügbar. Alle IGBTs bieten auch eine Kurzschlussfestigkeit von 8 μs. Außerdem wird im Jahr 2020 die RGS-Reihe auf SMD-Bauteile erweitert: 15- bis 50-A-IGBTs mit oder ohne integrierte Diode in TO-263-3L-Gehäusen für die 650-V-Spannungsklasse und 30 A in TO-263-7L-Gehäusen für die 1200-V-Spannungsklasse. Durch die breite Auswahl lassen sich die Bauteile direkt an die Bedingungen des Heizsystems optimal anpassen.

(na)