Der Trend Elektromobilität wird durch neue Technologien wie Wide-Bandgap-Halbleiter oder 800 V angetrieben. Doch auch von den Erfahrungen aus Rechenzentren können E-Autos profitieren.

Der Trend Elektromobilität wird durch neue Technologien wie Wide-Bandgap-Halbleiter oder 800 V angetrieben. Doch auch von den Erfahrungen aus Rechenzentren können E-Autos profitieren. (Bild: Microchip)

Da viele Länder ab 2030 den Verkauf von Neufahrzeugen mit Benzin- und Dieselmotoren verbieten wollen, wird die Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EV) stark zunehmen. Dies treibt den Bedarf an effizienteren und kostengünstigeren EV-Designs mit größerer Reichweite und niedrigeren Kosten an, um die Verbraucher zum Umstieg zu bewegen. Wir stellen einige davon vor.

Technologien für den Antriebsstrang

Neue Leistungs-MOSFETs sind ein wesentlicher Bestandteil bei der Umstellung auf den elektrischen Betrieb von EV-Traktionswechselrichtern, um einen höheren Wirkungsgrad und höhere Spannungen zu unterstützen. Es wird viel über den Einsatz von Halbleitern mit breiter Bandlücke (WBG; Wide-Bandgag) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) für den Antriebsstrang von EVs gesprochen. Neue SiC-Designs entstehen, um die wachsenden Anforderungen an eine höhere Leistungsfähigkeit von EVs zu erfüllen. GaN-Technologie ist auf dem Vormarsch, muss aber noch Vertrauen aufbauen, um nachgewiesene Zuverlässigkeit und niedrigere Preise zu erzielen und sich damit im Markt für EV-Wechselrichter durchzusetzen. SiC und GaN sind teurer als herkömmliche Lösungen, bieten aber überzeugende Eigenschaften wie einen höheren Wirkungsgrad durch geringere Schaltverluste sowie eine geringere Systemgröße und ein geringeres Gewicht durch höhere Schaltfrequenzen und kleinere Kühlsysteme. Designs mit diesen neuen Technologien können komplizierter sein, um einen sicheren und robusten Betrieb zu gewährleisten. Wahrscheinlich wird es ein langer Übergang von siliziumbasierten Leistungshalbleitern auf die neuen Technologien, wobei erstere nach wie vor für die kostensensibelsten Anwendungen ausgelegt sind.

E-Mobility: Laden

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(Bild: AdobeStock_39293318)

Wo und wie lässt sich ein E-Auto aufladen? Welche Leistungselektronik steck in einer Ladesäule? Wie wird die Ladesäule intelligent? Halbleiter, Hochvolt-Komponenten, Stecker, Kabel, Wallboxen, Kommunikation, Infrastruktur, Standards, Services und mehr. Die Technologien dahinter finden Sie hier.

Höhere Spannungen für den OBC

Bei den On-Board-Ladegeräten (OBCs), die zum Aufladen des Hochvolt-Akkus aus dem Netz dienen, während das Fahrzeug geparkt ist, wird es in Zukunft einen enormen Technologiewettkampf geben. Es gibt einen großen Schub von 400- auf 800-V-Systeme, was die Vorteile der SiC-Technologie ausspielt, aber die überlegene Schaltgeschwindigkeit von GaN sorgt für ein effizienteres Ladegerät. Am Ende werden sich wahrscheinlich beide Technologien in verschiedenen Teilen der Welt durchsetzen, und beide wahrscheinlich nebeneinander bestehen. Sicher ist, dass die Spannungen zum Laden von Elektrofahrzeugen weiter steigen. Die neue Technik, die für Hochleistungsladestationen entwickelt wurde, wird dann auf die OBCs übergreifen, um die Ladezeiten zu verkürzen.

Welche Nutzen sich für Stromversorgungssystemen in E-Autos aus Designs für Rechenzentren ziehen lassen

Viel Know-how für die Auslegung von Stromversorgungssystemen kommt von den Rechenzentren. Entwickler können die für Hyperscale-Rechenzentren entwickelten Topologien nutzen, funktionale Sicherheit hinzufügen und ein ziemlich gutes Ladegerät oder einen DC/DC-Wandler von 48 bis 400/800 V für den Antriebsstrang entwickeln. Der größte Unterschied zwischen dem Design für ein Rechenzentrum und der Stromversorgung von EVs besteht darin, dass der Ansatz für ein Rechenzentrum mit dsPIC33-DSCs einen digitalen Regelkreis anstelle analoger Filter und einer Rückkopplungsschleife verwendet. Dies ermöglicht ein Plattformdesign im Digitalbereich, bei dem die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom erfasst, digital gewandelt und dann die PWM angepasst werden, um alle Leistungs-FETs mit Rückkopplungskreisen mit geringer Latenz zu betreiben.

Dieses Know-how aus den Rechenzentren hat dazu beigetragen, die Komplexität der höheren Leistung in EVs zu bewältigen. Um einen digitalen Signalcontroller mit schnell schaltenden GaN-ICs zu koppeln, ist eine Frequenz von 250 MHz erforderlich. Die dsPIC33-Controller-Roadmap von Microchip ist so ausgelegt, diesen Bedarf in naher Zukunft zu decken. Darüber hinaus umfasst das dsPIC33-Angebot Multicore-Controller, um die kompakten Regelalgorithmen vom Rest der für EV-Anwendungen erforderlichen Software zu trennen. Die Automotive-Anforderungen, funktionale Sicherheit, Abstraktionsschichten, Treiber und Autosar führen schnell zu Speicheranforderungen von über 1 MByte, mit einem klaren Vorteil für Multicore-ICs, die einen Core für den Regelkreis und einen anderen Core für die Automotive-/Housekeeping-Funktionen verwenden. Diese Anforderungen führen zu komplexeren Controller-ICs mit den zugehörigen Softwaretools und dem entsprechenden Niveau der ASIL-Sicherheitsunterstützung.

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.

Wie sich die Ladeinfrastruktur und das Stromnetz verändern müssen

Die zunehmende Popularität von EVs hat weit mehr Auswirkungen als die Autos selbst. Die gesamte Infrastruktur des Stromnetzes muss sich ändern. An vielen Orten, an denen es nicht möglich ist, die Strommenge seitens der Versorger zu verdoppeln, wird mehr nachhaltige Energie erzeugt oder es entstehen lokale Mikronetze, so dass die Verbraucher einen Teil davon zuhause durch Solarenergie oder andere Mittel erzeugen können.

Da hohe Energiemengen bewegt werden, um schnelles Laden zu ermöglichen, entwickeln sich Geschäftsmodelle, an die bisher noch nicht gedacht wurde. Vielleicht werden die Nutzer anstelle der Schnellladefunktionen in jedem Haus einen schnellen Batteriewechsel sehen, der mehr Zeit zum vollständigen Aufladen der „Ersatzbatterie“ zulässt.

Oder vielleicht wird das Laden eines Tages allgegenwärtig sein und es werden weniger Batterien benötigt. In Korea und Schweden sind bereits Induktionsspulen in die Straßen eingebaut, um ein Fahrzeug abseits des heimischen oder arbeitsplatzbezogenen Ladeplatzes aufzuladen. Dies verringert die Batteriegröße und den Strombedarf, ergo auch den Bedarf an Ladegeräten.

Fazit

Da Elektrofahrzeuge in den nächsten zehn Jahren zum vorherrschenden Transporttrend werden, achten die Technologielieferanten genau auf die von Entwicklern verwendeten Systemarchitekturen. Flexible Ladegeräte, die die für die nächste EV-Generation erforderliche Leistung liefern, werden entscheidend sein, um Neuerungen in diesem expandierenden Markt durchzusetzen. Aber auch die innovative Gestaltung der Infrastruktur ist zu berücksichtigen – sowohl beim straßenseitigen als auch beim integrierten Laden. Nur so lässt sich die Reichweitenangst vermeiden, die die Verbraucher heute befürchten. (na)

Joseph A. Thomsen

Vice President, MCU16 Business Unit, bei Microchip

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