Leistungsmodule sind flexibel genug für die Entwicklung von Architekturen zum Laden, Umwandeln und Bridging. (Bild: Vicor)
Die Evolution der Fahrzeugelektrifizierung führt zu Veränderungen in der heutigen Architektur der Fahrzeugelektrik. Einerseits nimmt die Leistung, die für den Betrieb des Fahrzeugs nötig ist, zu, andererseits beeinflusst sie die Art und Weise, wie Entwickler den Strom für die verschiedenen Systeme im Fahrzeug bereitstellen. Weltweit arbeiten die Ingenieure unter Hochdruck an der Lösung des Problems der begrenzten Reichweite und der zu wenigen Ladestationen. Wirtschaftlich gesehen steht viel auf dem Spiel. Es könnte die wichtigste Herausforderung sein, der sich Ingenieure je gestellt haben.
E-Mobility: Reichweite
Wie lässt sich die Reichweite eines E-Autos erhöhen? Höherer Wirkungsgrad durch die richtigen Halbleiter, geringeres Gewicht durch Leichtbau und intelligente Fahrweise sorgen für mehr Reichweite. Welche Technologien dahinter stecken, erfahren Sie hier.
Die Antriebsstränge von Batterie-elektrischen Fahrzeugen (BEV) und Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV) nutzen z. B. Hochvoltbatterien (800 V oder 400 V), die auch Zusatzaggregate mit 48 V und 12 V versorgen müssen. Die DC/DC-Wandler, die erforderlichen sind, um diese Lasten herunterzusetzten, sind in der Regel groß und schwer. Dies lässt sich jedoch durch den Einsatz von Wandlern, die auf der SAC-Leistungstopologie (Sine Amplitude Conversion) basieren, abmildern. SAC hat entscheidende Vorteile, die sich mit herkömmlichen Stromversorgungskonzepten nicht erreichen lassen, da es Entwicklern ermöglicht das Gewicht der DC/DC-Wandler um bis zu 50 Prozent und das Gehäusevolumen um bis zu 60 Prozent zu reduzieren.
Herausforderungen bei BEVs
Die Elektrifizierung des Automobils ersetzt den an Bord erzeugten Strom durch Strom aus dem Stromnetz, der in Hochvoltbatterien gespeichert wird. Neben dieser Veränderung stellt die Umstellung vieler Steuerungs- und Subsysteme, wie z. B. elektrische Lenkung und Federung, ADAS- und Infotainmentsysteme, den Energiesystem-Entwickler vor neue Herausforderungen. Der Energiebedarf von Elektrofahrzeugen ist gegenüber Verbrennungsmotoren (Internal Combustion Engine - ICE) um das 20-fache gestiegen. Heutige BEVs benötigen 100 kW oder mehr, wobei mindestens 4 kW des Gesamtbedarfs auf Zusatzaggregate entfallen. Im Vergleich dazu liegt der Gesamtleistungsbedarf eines ICE bei 2,5 bis 4,5 kW. Dieser exponentielle Anstieg bedeutet für die Ingenieure ein beträchtliches Hindernis.
Die andere große Veränderung für Entwickler besteht darin, dass der Strom nicht mehr von einer kontinuierlich arbeitenden 12-Volt-Lichtmaschine kommt, die den Strom aus dem Verbrennungsmotor erzeugt. Stattdessen kommt er aus einem in der Batterie gespeicherten begrenzten Vorrat an 400-V- oder 800-V-Energie. Da viele Zubehörteile kosten- und leistungsoptimiert für 12 V ausgelegt sind, muss es nach wie vor eine 12-V-Stromversorgung im Fahrzeug geben. Daher ist zur Versorgung der verschiedenen Fahrzeug-Subsysteme eine Architektur zur Umwandlung der Hochvolt-Batterieversorgung in 48 V oder 12 V nötig. Idealerweise maximiert man in einem solchen System die Leistungsdichte, um Gewicht und Bauvolumen zu reduzieren.
SAC-Topologie
Der Schlüssel zum Aufbau von DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte ist der Einsatz einer SAC-Topologie. Die Basis des SAC-Prozesses ist das Nullspannungs- beziehungsweise Nullstrom-Schaltkonzept, das eine Spannungswandlung mit festem Übersetzungsverhältnis ermöglicht.
SiC: Technologie, Effizienz, Miniaturisierung
Elektronik für die Zukunft - Vor dem Hintergrund der globalen Erwärmung, die insbesondere künftige Generationen bedroht, steigt die Nachfrage nach energieeffizienten Geräten. Der Einsatz der SiC-Technologie führt zu erheblichen Energieeinsparungen und CO₂-Reduzierung. In diesem Kanal informiert ROHM über Schlüsseltechnologien, Produktionsprozesse und Dienstleistungen.
Um den Wandler so klein wie möglich zu machen, erfolgt das Schalten bei Frequenzen über 1300 Hz; dies erlaubt den Einsatz kleinerer Magnete und kürzerer Pfadlängen für die Windungen. Ein Nebeneffekt des SAC ist sein Einschwingverhalten von mehr als 8,6 MA/s.
SAC-DC/DC-Wandler kommen seit Jahrzehnten im Hochleistungscomputing zum Einsatz und bieten eine Leistungsdichte von mehr als 15 kW/kg und 85 kW/l. Die gleiche Technologie ist inzwischen auch für die Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen unverzichtbar.
Miniaturisiertes EV-Stromversorgungsnetz
Der Einsatz von SAC-basierten Komponenten kann die Größe von Stromversorgungsnetzen reduzieren und erlaubt Entwicklern, das Stromversorgungsnetz auf verschiedenen Wegen zu verbessern. Die Batteriespannung lässt sich leicht in 48 V umwandeln und am Point-of-Load des 48 V-Netzes auf 12 V heruntertransformieren. Die Umwandlung von der Batterie-Primärspannung (400/800 V) auf 48 V kann man z B. mit einem BCM-Hochvolt-Buskonverter von Vicor realisieren. Bei einer Masse von 58 g und einem Volumen von 0,016 l stellt der BCM eine Leistung von 2,5 kW bei 48 V bereit. Ein ZVS-PRM-Regler mit 40 g Masse und einem Volumen von 0,01 l reguliert die 48-V-Leistung.
Die geregelte Spannung von 48 V wird mit einem DCM-DC/DC-Regler in 12 V umgewandelt; eine 2-kW-Einheit für diesen Zweck wiegt 29 g und hat ein Volumen von 0,01 l. Bei Einsatz einer SAC-Topologie können Systeme 2 kW geregelte 12-V-Leistung mit 136 g an Wandlerbauteilen bereitstellen, was das Systemgewicht um bis zu 65 Prozent reduziert und bis zu 50 Prozent des Bauraums für DC/DC-Wandler einspart.
Tabelle 2 zeigt, wie sich diese Gewichts- und Platzeinsparungen in einer Anwendung realisieren lassen. Das Beispiel befasst sich mit den 400 V-zu-12 V DC/DC-Wandlern in drei aktuellen BEVs.
Verbesserte Leistungsdichte
Allerdings ist bei diesem System die Leistungsdichte aufgrund der Verwendung von Standarddesigns, die auf den besten erhältlichen diskreten Komponentensätzen basieren, recht niedrig. Dies lässt sich durch den Einsatz der SAC-Topologie und von Leistungsmodule deutlich verbessern.
Um aus einer 400 V Batteriequelle 4 kW geregelten 12 V Strom zu liefern, muss das System ein BCM zur galvanischen Trennung und 48-V-Einspeisung und ein DCM zur Umwandlung in 12 V Strom verwenden. Ein Verbund aus zwei BCM6135- und zwei DCM3735-Komponenten kann die erforderlichen 4 kW Leistung bereitstellen. Dieser Chipsatz wiegt nur 266 g, liefert 15 kW/kg und belegt nur 0,046 l, was 87 kW/l ergibt. Für die Bereitstellung der vollen Funktion im Fahrzeug sind einige zusätzliche Schaltkreise erforderlich, darunter HV-Steckverbinder, LV-Steckverbinder, Kühlbleche, Gehäuse, Leiterplatten mit zusätzlichen Schaltkreisen (Verpolung, Pre-Charge, EMI-Filter) sowie ein Isolator und ein Steckverbinder für die CAN-Kommunikation.
Inklusive der zusätzlichen Systemkomponenten wiegt der 4 kW DC/DC-Wandler 1,4 kg, was einer Leistungsdichte von 2,5 kW/kg entspricht; sein Volumen beträgt nur 0,76 l, was eine Leistungsdichte von 5,22 kW/L ergibt.
Das so entstandene System hat eine sechsmal höhere Leistungsdichte und ist 58 Prozent kleiner als die derzeit beste Volumendichte eines DCDFDC-Wandlers von anderen Anbietern. Statistisch gesehen erhöht sich für jedes eingesparte kg Masse die Reichweite eines Fahrzeugs um 0,8 km. Dieses System lässt also nicht nur mehr Bauraum für andere Komponenten frei, sondern liefert auch 1,0 km mehr Reichweite. Darüber hinaus wiegt das miniaturisierte System nur halb so viel wie das Mach-E-System des Ford Mustang und weist eine 1,7-mal höhere Leistungsdichte auf. (bs)
