Elektrofahrzeuge setzen in Zukunft auf dezentrale Stromversorgungs-Architekturen, da diese die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöhen und auch für mehr Reichweite sorgen.

Elektrofahrzeuge setzen in Zukunft auf dezentrale Stromversorgungs-Architekturen, da diese die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöhen und auch für mehr Reichweite sorgen. (Bild: AdobeStock 440283926, Jomic)

Auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge (Electric Vehicles, EVs) und der Hybrid-EVs (HEVs) vollzieht sich derzeit ebenso ein Wandel wie bei der Elektronik, die in ihnen enthalten ist. In der Tat wirkt sich der zunehmende Gehalt an Elektronik entscheidend auf die gesamte Formgestaltung und Funktion dieser Fahrzeuge aus. Was sich dagegen nicht ändert, sind die Autofahrer. Sie hegen nach wie vor die Erwartung, dass ihre EVs und HEVs eine immer größere Reichweite bieten, erschwinglicher werden, sich schneller laden lassen und ihre Insassen außerdem sicher transportieren. Wie aber können es Designer schaffen, den Autokäufern für immer weniger Geld immer mehr zu bieten?

In Anbetracht strengerer Anforderungen an die Sicherheit, die Leistungsdichte und die Abstrahlung elektromagnetischer Störgrößen wurden verschiedene Stromversorgungs-Architekturen entwickelt – darunter auch eine verteilte (dezentrale) Architektur mit eigenen Bias-Stromversorgungen für jeden wichtigen Verbraucher.

Traditionelle Bias-Stromversorgungsarchitekturen in EVs

Designingenieure in der Automobilindustrie können, angepasst an die Stromversorgungs-Anforderungen des jeweiligen EVs, unterschiedliche Architekturen ausarbeiten. In Bild 1 ist die traditionell übliche, zentralisierte Stromversorgungs-Architektur zu sehen. Hier werden die Bias-Spannungen für sämtliche Gatetreiber von einem zentralen Spannungswandler und einem einzigen Bias-Regler erzeugt.

Bild 1: Zentralisierte Architektur in einem Traktionswechselrichter für ein EV bzw. HEV
Bild 1: Zentralisierte Architektur in einem Traktionswechselrichter für ein EV bzw. HEV (Bild: Texas Instruments)

Wegen ihrer niedrigen Kosten waren zentralisierte Architekturen dieser Art in der Vergangenheit recht beliebt. Nachteilig an ihnen sind jedoch die Schwierigkeiten beim Umgang mit auftretenden Fehlern und beim Regeln der Spannung, ganz abgesehen von dem nicht ganz unkomplizierten Layout. Eine zentralisierte Architektur kann nicht zuletzt anfälliger gegen Störbeeinflussungen sein und zudem sperrige und schwere Bauteile in einem Bereich des Systems erfordern.

Wenn die Aspekte Zuverlässigkeit und Sicherheit auf der Prioritätenliste ganz nach oben rücken, kann die eingeschränkte Redundanz einer zentralisierten Architektur zu weitreichenden Systemausfällen führen, sobald auch nur ein Bauteil der Bias-Versorgung einen Defekt erleidet. Wird dagegen auf eine verteilte Architektur gesetzt, um gegen Stromversorgungs-Ausfälle gefeit zu sein, entsteht ein System mit hoher Zuverlässigkeit.

Dezentrale Architektur für mehr Zuverlässigkeit

Wenn bei 100 km/h ein kleines elektronisches Bauteil im Traktionswechselrichter ausfällt, soll das Fahrzeug nicht an Antriebsleistung verlieren oder gar ganz zum Stehen kommen. Inzwischen ist deshalb die Verwendung redundanter oder als Notreserve vorgehaltener Stromversorgungen im Antriebsstrang die Regel, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit zu wahren.

Eine dezentrale Stromversorgungs-Architektur trägt den Zuverlässigkeits-Standards eines EV als Einsatzumgebung Rechnung, indem jedem Gatetreiber seine eigene, in räumlicher Nähe positionierte und genau geregelte Bias-Stromversorgung zugeordnet wird. Eine solche Architektur sorgt für Redundanz und bewirkt, dass das System besser mit Einzelfehlern umgehen kann. Wenn beispielsweise die Bias-Versorgung eines bestimmten Gatetreibers ausfällt, bleiben die fünf anderen Bias-Versorgungen ebenso funktionsfähig wie die zugehörigen Gatetreiber. Das betroffene Fahrzeug kann dann sein Tempo reduzieren und an einer geeigneten Stelle anhalten, aber ebenso lässt sich die Fahrt ohne Einschränkung weiter fortsetzen. Bei einem Systemdesign dieser Art bemerken die Passagiere im Fahrzeug vielleicht nicht einmal, dass etwas nicht in Ordnung ist.

Die große Bauhöhe, das hohe Gewicht und der Flächenbedarf von Stromversorgungen mit externem Übertrager (z. B. Sperrwandler oder Push-Pull-Regler) schließen die Verwendung einer dezentralen Architektur in leichtgewichtiger Elektronik aus. Stromversorgungs-Systeme in Elektrofahrzeugen verlangen stattdessen nach einem kleineren Modul mit integriertem Übertrager. Ein Beispiel hierfür ist das isolierte DC/DC-Bias-Stromversorgungsmodul UCC14240-Q1, das den Übertrager und die übrigen Bauteile in einer einzigen, optimierten Modullösung mit flachen, planaren induktiven Bauelementen zusammenfasst.

Wird der planare Übertrager in ein Gehäuse mit den Abmessungen einer integrierten Schaltung implementiert, so lassen sich Größe, Bauhöhe und Gewicht des Stromversorgungssystems stark verringern. Die Integration des Übertragers und der Isolierung im Fall des UCC14240-Q1 vereinfacht ferner die Regelung und sorgt ebenfalls für eine geringe Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite. Letzteres verbessert den CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) in Anwendungen, die durch hohe Dichte und kurze Schaltzeiten gekennzeichnet sind. Die vollständige Integration der primär- und sekundärseitigen Regelung mitsamt der Isolierung ergibt eine auf ±1,3 Prozent genau geregelte, isolierte und in ein einziges Bauelement integrierte DC/DC-Biasversorgung. Mit seiner Ausgangsleistung von 1,5 W, sogar bei Temperaturen bis zu 105 °C, eignet sich das Modul UCC14240-Q1 als Stromversorgung für Gatetreiber in einer verteilten Architektur, wie sie in Bild 2 zu sehen ist.

Bild 2: Dezentrale Stromversorgungs-Architektur auf Basis des UCC14240-Q1 für einen EV/HEV-Traktionswechselrichter
Bild 2: Dezentrale Stromversorgungs-Architektur auf Basis des UCC14240-Q1 für einen EV/HEV-Traktionswechselrichter (Bild: Texas Instruments)

Antriebsstrang-Systeme ansteuern

EVs erfordern ein hohes Zuverlässigkeits- und Sicherheitsniveau, und diese Anforderung gilt bis in die Leistungswandler-Elektronik hinein. Die Bauelemente müssen bei Umgebungstemperaturen bis 125 °C und darüber hinaus kontrolliert und genau wie vorgesehen funktionieren. Die isolierten Gatetreiber bringen deshalb eine ganze Reihe Sicherheits- und Zuverlässigkeits-Features mit. Fortschritte sind jedoch auch bei den Bias-Versorgungen erforderlich, die weniger leistungsstark sind und die Gatetreiber und weitere Systemelektronik mit Strom versorgen. Hier geht es unter anderem um die Senkung des EMI-Niveaus. Dank der integrierten Übertragertechnologie von TI und der geringen, nur 3,5 pF betragenden Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Übertragers, kann der UCC14240-Q1 Störgrößen, die durch steile Schaltflanken hervorgerufen werden, abmildern und problemlos auf einen CMTI-Wert von mehr als 150 V/ns kommen.

Die in einer verteilten Architektur bestehende räumliche Nähe der Bias-Stromversorgung zum isolierten Gatetreiber ermöglicht ein einfacheres Leiterplatten-Layout und eine genauere Regelung der Versorgungsspannung de Gatetreibers, der wiederum das Gate des eigentlichen Leistungsschalters ansteuert. All diese Faktoren verleihen dem Traktionswechselrichter, dessen Leistung in der Regel zwischen 100 kW und 500 kW beträgt, mehr Effizienz und Zuverlässigkeit. Hochleistungs-Systeme dieser Art verlangen überdies nach einem maximalen Wirkungsgrad, um die Wärmeentwicklung zu minimieren, denn schließlich zählt die thermische Belastung zu den Hauptgründen für Ausfälle von Bauelementen.

Wenn diese EV-Stromversorgungssysteme immer leistungsstärker werden, sollte die Verwendung von Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Leistungsschaltern in den Fokus rücken, um die Abmessungen der Stromversorgungen reduzieren und ihren Wirkungsgrad erhöhen zu können. Beide Halbleitertechnologien bieten zahlreiche Vorteile, setzen dafür aber auch genauer geregelte Gate-Treiberspannungen voraus als die bisherigen, inzwischen ausgereiften IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Ebenso verlangen sie nach Bauteilen, deren Sicherheitsisolierung eine geringe Kapazität aufweist und die einen hohen CMTI-Wert besitzen, denn diese Leistungsschalter schalten hohe Spannungen mit steileren Flanken, als man sie je für möglich gehalten hätte.

Fazit

Autokäufer werden auch künftig Fahrzeuge mit weniger Schadstoffausstoß, größerer Reichweite, mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit sowie einer reichhaltigeren Ausstattung nachfragen, die zudem erschwinglicher sind. Weiterentwicklungen benötigen Fortschritte bei der Stromversorgungs-Elektronik, wozu auch die Architekturen und die jeweils zugeordneten isolierten Gatetreiber und Bias-Stromversorgungen gehören. Der Umstieg auf eine dezentrale Stromversorgungs-Architektur bewirkt eine erhebliche Steigerung der Zuverlässigkeit isolierter Hochspannungs-Anwendungen. Eine Herausforderung stellen jedoch der zusätzliche Platzbedarf und das Mehrgewicht durch die zusätzlich benötigten Bauelemente dar. Vollständig integrierte Stromversorgungs-Lösungen wie das Bias-Stromversorgungsmodul UCC14240-Q1, die mit hoher Schaltfrequenz arbeiten, können im System viel wertvollen Platz und Gewicht sparen.

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Texas Instruments.

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