SiC treibt Onboard-Laden bei steigenden Spannungspegeln voran

Elektrofahrzeuge (EVs) erfreuen sich in verschiedenen Formen (Hybrid, rein elektrisch etc.) trotz der anhaltenden Reichweitenangst zunehmender Akzeptanz. Die Fahrzeughersteller arbeiten weiterhin daran, die Reichweite zu erhöhen und die Ladezeiten zu verkürzen, um diese wesentliche Hürde für mehr Akzeptanz zu überwinden. Die Art und Weise, wie Elektrofahrzeuge aufgeladen werden, wirkt sich erheblich auf die Benutzerfreundlichkeit und den Komfort des Fahrzeugs aus. Viele Fahrzeugbesitzer setzten nach wie vor auf den OBC. Dieser Beitrag befasst sich mit der Bedeutung von OBCs und damit, wie Fortschritte bei Halbleiterschaltern deren Leistungsfähigkeit auf die nächste Stufe heben werden.

Heute finden sich eine Vielzahl von Fahrzeugantriebssystemen – von Fahrzeugen, die ausschließlich mit einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, über Hybridmodelle, die einen Verbrennungsmotor mit einem Elektroantrieb kombinieren (xHEV), bis hin zu Elektrofahrzeugen (xEV). xHEV umfassen zwei verschiedene Arten: Mild-Hybrid-Elektrofahrzeuge (MHEV) und Voll-Hybrid-Elektrofahrzeuge (FHEV).

MHEV basieren in erster Linie auf einen Verbrennungsmotor und enthalten eine kleine Batterie (meist 48 V). Sie können jedoch nicht ausschließlich elektrisch betrieben werden, und der Elektromotor trägt dazu bei, den Kraftstoffverbrauch geringfügig zu senken.

FHEV bieten mehr Flexibilität, da sie den Verbrennungsmotor und den Elektromotor, der von einer Batterie (meist im Bereich von 100 bis 300 V) gespeist wird, nahtlos kombinieren können. FHEV laden ihre Batterien auch durch regeneratives Bremsen auf, indem sie beim Bremsen Energie zurückgewinnen, um die Effizienz zu verbessern.

Alle xEV, einschließlich Plug-in-Hybride und rein batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV), sind mit regenerativen Bremssystemen ausgestattet. Aufgrund ihrer größeren Batteriekapazitäten sind diese Fahrzeuge jedoch in hohem Maße auf OBC angewiesen, um ihre Batterien wieder aufzuladen (Bild 1).

Die einfachste Form eines Ladegeräts besteht lediglich aus einem Kabel, mit dem der OBC des Elektrofahrzeugs an eine Steckdose angeschlossen wird (in der Regel ist ein Erdschlussschutz erforderlich). Diese Systeme der Stufe 1 (oder SAE AC Level 1, wie im Standard J1772 definiert) sind zwar praktisch, arbeiten aber mit einer Leistung von etwa 1,2 kW und bieten eine Reichweite von bis zu 8 km pro Ladestunde. Systeme der Stufe 2 (SAE AC Level 2) verwenden eine mehrphasige AC-Einspeisung aus dem Netz und sind am häufigsten in öffentlichen Gebäuden und gewerblichen Einrichtungen zu finden. Mit einer Leistung von bis zu 22 kW kann die Reichweite pro Ladestunde auf bis zu 145 km erhöht werden.

Sowohl Ladegeräte der Stufe 1 als auch der Stufe 2 liefern Wechselstrom an das Fahrzeug, so dass ein OBC erforderlich ist, um den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und die Batterie zu laden. Die meisten Ladegeräte, die derzeit eingesetzt werden, sind der Stufe 2 zuzuordnen.

Hochleistungs-DC-Ladegeräte, die auch als Level-3-, SAE-Level-1- und -2-DC-Ladegeräte oder IEC-Mode-4-Ladegeräte bezeichnet werden, geben eine Gleichspannung aus und können die Batterie direkt laden, so dass ein OBC nicht erforderlich ist. Die Leistungsstufen dieser DC-Ladegeräte reichen von 50 bis über 350 kW und ermöglichen eine Ladung von bis zu 80 Prozent der Batteriekapazität in etwa 15 bis 20 Minuten. Aufgrund der hohen Leistungen und der erforderlichen Infrastrukturänderungen des Stromnetzes ist die Zahl der Schnellladeanschlüsse noch relativ begrenzt, nimmt aber rasch zu.

Viele Automobilhersteller stellen derzeit von 400- auf 800-V-Batterien um. Dies soll die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen, indem die Systemeffizienz verbessert, die Leistung erhöht, schnellere Ladegeschwindigkeiten ermöglicht und das Gewicht von Kabeln und Batterien reduziert wird.

Ein OBC ist ein zweistufiger Leistungswandler mit einer Leistungsfaktorkorrekturstufe (PFC), gefolgt von einer isolierten DC/DC-Wandlerstufe. Eine nicht isolierte Konfiguration ist zwar möglich, wird aber selten verwendet. Die PFC-Stufe sorgt für die Gleichrichtung der AC-Einspeisung, regelt den Leistungsfaktor auf >0,9 und erzeugt eine geregelte Busspannung für die DC/DC-Stufe.

In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach bidirektionalen Systemen deutlich zugenommen. Diese ermöglichen es Elektrofahrzeugen, den Stromfluss von der Batterie zurück zur Stromquelle umzukehren und unterstützen so verschiedene Zwecke wie den dynamischen Ausgleich der Netzlast (V2G; Vehicle-to-Grid) oder das Management von Netzausfällen (V2L; Vehicle-to-Load).

Beim herkömmlichen PFC-Ansatz kommt eine Gleichrichterdiodenbrücke in Verbindung mit einem Boost-/Aufwärtswandler zum Einsatz. Die Gleichrichterbrücke wandelt AC in DC um, während der Boost-Wandler die Spannung anhebt. Eine verbesserte Version dieser Grundschaltung ist der Interleaved-Boost-Aufbau, bei dem mehrere Wandlerstufen parallel geschaltet werden, um den Ripplestrom zu reduzieren und den Wirkungsgrad zu verbessern. Für diese PFC-Topologien werden Halbleiter wie Super-Junction-MOSFETs und Dioden mit niedriger Durchlassspannung U_F verwendet.

SiC im OBC

Das Aufkommen von Leistungsschaltern mit breiter Bandlücke (WBG; Wide Bandgap), insbesondere von SiC, hat neue Designs ermöglicht. Diese weisen geringere Schaltverluste, einen niedrigeren R_DS(on) und eine Body-Diode mit geringer Sperrverzögerung auf.

Die brückenlose Totempole-Topologie hat sich in PFC-Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung (6,6 kW und mehr) durchgesetzt. Bild 2 beschreibt die Schaltung, wobei der langsame Zweig (Q5-Q6) mit der Netzfrequenz (50 bis 60 Hz) schaltet und der schnelle Zweig (Q1-Q4) den Strom formt, die Spannung erhöht und mit einer höheren Frequenz (65 bis 110 kHz) im Hard-Switching-Modus arbeitet. Während die brückenlose Totempole-Topologie den Wirkungsgrad deutlich verbessert und die Anzahl der Leistungskomponenten reduziert, führt sie zu einer komplexen Steuerung.

Die DC/DC-Stufe basiert auf einer isolierten Topologie, die einen Transformator zur Isolierung einsetzt und deren Hauptziel die Regelung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie ist. Obwohl auch Halbbrückentopologien verwendet werden können, basieren die heute vorherrschenden Lösungen auf Dual-Active-Bridge-/DAB-Wandlern, wie z. B. Resonanzwandlern (LLC, CLLC) oder phasenverschobenen Vollbrückenwandlern (PSFB; Phase-Shifted Full Bridge). Resonanzwandler wie LLC und CLLC haben aufgrund ihrer Vorteile heute große Aufmerksamkeit erlangt, wie z. B. ein breiter sanft schaltender Betriebsbereich, die Fähigkeit zum bidirektionalen Betrieb und die einfache Integration von Resonanzinduktor und Transformator in einen einzigen Leistungstransformator (Bild 3).

SiC-Bauelemente für 650 V sind die bevorzugte Wahl für 400-V-Batteriepacks. Bei 800-V-Architekturen machen die höheren Spannungsanforderungen jedoch den Einsatz von 1200-V-Bauteilen erforderlich.

Die Einführung von SiC in OBC ist auf die hohe Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Leistungskennzahlen (FOM; Figure of Merit) zurückzuführen. SiC bietet Vorteile in Bezug auf den spezifischen R_DS(on) pro Fläche, die Schaltverluste, die Sperrverzögerungsdiode und die Durchbruchspannung. Damit können SiC-basierte Lösungen auch bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten. Mit diesen Leistungsmerkmalen lassen sich effizientere und leichtere Designs erstellen. Folglich können Systeme höhere Leistungen (bis zu 22 kW) erreichen, die mit herkömmlichen Lösungen auf Siliziumbasis (IGBT oder Super-Junction) nicht möglich wären.

Ein OBC mit höherer Leistung in einem Elektrofahrzeug hat zwar keinen direkten Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeugs, spielt aber eine entscheidende Rolle bei der Lösung des Problems der Reichweitenangst, da er die Ladezeiten erheblich verkürzt. Die Leistungsfähigkeit von OBCs nimmt weiter zu, um schnelleres Aufladen zu ermöglichen. SiC trägt entscheidend dazu bei, diese Systeme effizienter zu machen, indem eine effiziente Stromwandlung aus dem Netz ohne Energieverschwendung gewährleistet wird. Damit lassen sich kompaktere, leichtere und zuverlässigere OBC-Systeme entwickeln. (na)