Bild 1: Ein bidirektionaler Fixed-Ratio-Wandler, der als Abwärtswandler mit K = 1/12 arbeitet, funktioniert auch als Aufwärtswandler mit einem K von 12/1. (Bild: Vicor)
In HV-Batteriesystemen ist die DC/DC-Wandlung die Basis der Stromversorgungsarchitektur. Sie erfolgt mit Schaltnetzteilen wie Abwärts-/Buck- oder Aufwärts-/Boost-Wandlern oder Low-Dropout-/LDO-Reglern. DC/DC-Wandler können zwar effektiv sein, schränken jedoch die Flexibilität und Leistungsfähigkeit des Stromversorgungsnetzwerks (Power Delivery Network, PDN) durch starre Ausgänge und ihre unterdurchschnittliche Wandlungseffizienz ein. Dies gilt vor allem bei hohen Spannungen, wie sie bei aktuellen Batteriesystemen vorkommen.
Wie steigert der Fixed-Ratio-Wandler die Batterieleistung?
Um diese Mängel zu beheben, hat Vicor Fixed-Ratio-Wandler entwickelt, die eine hocheffiziente isolierte Wandlung in einem kleinen Gehäuse für HV- und Low-Voltage-/LV-Lasten ermöglichen sollen, die als Sicherheitskleinspannung (Safety Extra-Low Voltage, SELV) bezeichnet wird.
Analog zu einem Transformator bei der AC/AC-Wandlung führt ein Fixed-Ratio-Wandler eine DC/DC-Wandlung durch, wobei die Ausgangsspannung ein fester Bruchteil der DC-Eingangsspannung ist (Bild 1). Ähnlich wie bei einem Transformator, dessen Abwärts-/Aufwärtswandlung durch das Windungsverhältnis der Spulen definiert ist, werden die Fähigkeiten eines Fixed-Ratio-Wandlers durch seinen K-Faktor definiert, der als Bruchteil im Verhältnis zu seiner Abwärtswandlung ausgedrückt wird.
Anders als herkömmliche DC/DC-Wandler, die die Ausgangsspannung regeln, bieten Fixed-Ratio-Wandler keine Ausgangsregelung. Sie sind zudem autonom und benötigen keine Rückkopplung oder externen Steuermechanismen.
Welche Vorteile bietet ein bidirektionaler Stromfluss?
Da Fixed-Ratio-Wandler unabhängig von einem externen Host oder Controller arbeiten, sind sie von Natur aus bidirektional. Dasselbe Modul erhöht oder senkt daher die Spannung je nach Stromflussrichtung in einem festen Verhältnis. Durch die Spannungserhöhung/-senkung über ein einziges Modul ermöglichen Fixed-Ratio-Wandler hohe Flexibilität und Einfachheit für PDNs, die auf bidirektionalen Stromfluss angewiesen sind.
Fixed-Ratio-Wandler lassen sich bei höheren Leistungsanforderungen einfach parallel schalten. Mehrere Module skalieren somit ein System auf die gewünschte Ausgangsleistung. Auch eine Reihenschaltung ist möglich, um einzigartige Spannungsverhältnisse basierend auf ihren kaskadierenden K-Faktoren zu erzielen. In diesen Fällen müssen die Wandler leistungsmäßig aufeinander abgestimmt sein, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.
Außerdem sind Fixed-Ratio-Wandler in Bezug auf die Energieeffizienz bei geringem Platzbedarf unübertroffen. Während ein herkömmlicher Ab-/Aufwärtswandler maximale Energieeffizienz im niedrigen 90-Prozent-Bereich erzielt, weisen Fixed-Ratio Wandler wie die BCM-Reihe von Vicor eine Wandlungseffizienz von bis zu 98 Prozent auf.
Wie unterstützen Fixed-Ratio-Wandler die Zellbildung?
Die erste Phase im Lebenszyklus einer Batterie ist die Zellbildung. Hier müssen neu hergestellte Batterien den Formationszyklus durchlaufen, der aus dem ersten Lade- und Entladevorgang einer Zelle besteht. Dabei wird eine Zelle wiederholt zyklisch geladen und entladen, um die Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI; Solid-Electrolyte Interphase) der Zelle allmählich aufzubauen. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses bestimmt die Zellchemie, sodass die Latenzzeit der Zellbildung meist ein Prozess mit fester Dauer ist.
Für diesen Formierungszyklus in der Batterie ist ein PDN erforderlich, das die Lade- und Entladezyklen unterstützt.
Das Standard-PDN für ein solches System nimmt 3-Phasen-Wechselstrom aus dem Netz auf, wandelt ihn in DC mit hoher Spannung (HV-DC) um und führt dann mehrere DC/DC-Wandlungen durch, um die Nennspannung zu erreichen, die zum Laden einer Batteriezelle erforderlich ist, z. B. 4,2 V (Bild 2). Die Endspannung, die für das Laden der Batterie erforderlich ist, variiert je nach Zellchemie von Anlage zu Anlage, aber die verschiedenen Spannungsabfälle von AC auf eine niedrigere DC-Busspannung, z. B. 12 V, sind in der Branche Standard.
Lösungen mit diskreten Bauelementen sind schwierig zu entwickeln und erfordern ein hohes Maß an Fachwissen im Bereich Stromversorgung. Außerdem haben sie eine umfangreiche Stückliste, die zu Kosten- und Lieferkettenproblemen führen kann. Diskrete Lösungen schränken auch die Flexibilität ein, da sie nur vordefinierte Ausgangsspannungen bieten. Wenn unterschiedliche Zellchemien unterschiedliche Spannungen erfordern, ist es kostengünstiger, eine flexible Lösung zu entwickeln, die sich je nach Zellchemie anpassen lässt.
In der Batteriefertigung stehen bestehende PDNs vor zwei großen Herausforderungen: Durchsatz und Effizienz. Die Geschwindigkeit, mit der Hersteller die SEI-Schicht einer Batterie bilden können, ist naturgemäß durch die Zellchemie begrenzt, wenn es um den Durchsatz geht. Um kosteneffizienter zu arbeiten, sind skalierbare Systeme erforderlich, die viele Batterien parallel bilden können. Jedoch beschränkt die fehlende modulare DC/DC-Zwischenphase die Möglichkeit, ein System ohne größere Designänderungen einfach zu skalieren.
Das ständige Laden und Entladen der Zellen ist ineffizient. Um dies zu optimieren, nutzen Batteriehersteller die während der Zellladezyklen verbrauchte Energie wieder, indem sie diese entweder lokal speichern oder bei Entladezyklen wieder in das Netz einspeisen. Dies erfordert ein PDN, das den bidirektionalen Stromfluss unterstützt und eine hocheffiziente Stromumwandlung durchführt.
In beiden Fällen sind Fixed-Ratio-Wandler im PDN eine Lösung. Entwickler können die Architektur in drei verschiedene Phasen unterteilen: AC-Gleichrichtung, Wandlung in Niederspannung/LV und Konstantstromumwandlung (Buswandler).
In der Konstantstromumwandlungsphase senken Fixed-Ratio-Wandler den höheren DC-Pegel einfach auf einen sichereren, niedrigeren Pegel, ohne dass diskrete Bauelemente oder Einzelmodule erforderlich sind. Durch das einfache Parallelschalten eines oder mehrerer Fixed-Ratio-Wandler lässt sich so ein modulares und leicht skalierbares PDN erstellen.
Damit lassen sich Systeme entwickeln, die viele Batterien gleichzeitig zyklisch aufladen. Darüber hinaus lässt sich über diese Architektur das PDN einfach ändern, um die erforderliche DC/DC-Wandlung für die spezifische Nennspannung einer Zelle bereitzustellen.
Zur Energieeinsparung ist die bidirektionale Natur eines Fixed-Ratio-Wandlers im Zellbildungsprozess geeignet. Die Hersteller von Batteriezellen können so einfach zwischen Lade- und Entladezyklen wechseln, da sie wissen, dass der Wandler beim Entladen automatisch auf eine vordefinierte höhere Spannung hochschaltet und beim Laden entsprechend heruntersetzt.
Der Energieverlust eines Fixed-Ratio-Wandlers mit einem Wirkungsgrad von 97,9 Prozent ist während des Wandlungszyklus in beide Richtungen minimal. Ohne diesen Wandler würde solch eine Bidirektionalität mehrere Komponenten erfordern (eine für die Abwärts- und eine für die Aufwärtswandlung).
Was macht Fixed-Ratio-Wandler so effizient in Tests?
Der nächste Schritt im Lebenszyklus einer Batterie ist der Batterietest, bei dem die Hersteller Batteriezellen zu größeren Batterie- bzw. Akkupacks zusammenfügen. Bei der Fertigung von Batteriepacks sind die Hersteller nicht an die gleichen chemieabhängigen Zeitvorgaben für das Laden und Entladen von Zellen gebunden. Dennoch bestehen ähnliche Herausforderungen in Bezug auf den Durchsatz.
Deshalb muss jede Zelle ordnungsgemäß getestet und genau gemessen werden, damit sich mehrere Zellen zu einem größeren Akkupack kombinieren lassen. Danach muss auch das größere Akkupack gründlich getestet werden. Da es sich hierbei nicht um einen wertschöpfenden Schritt handelt, sind die Gesamtkosten des Akkupacks umso niedriger, je schneller die Hersteller diesen Prozess abschließen können.
Ein PDN muss flexibel und skalierbar sein, um die große Bandbreite an Batteriespannungen und Leistungsstufen zu unterstützen. Zudem ist ein hoher Durchsatz erforderlich, um mehr Batterien in derselben Zeit auf gleichem Raum testen zu können. Batterietester benötigen daher PDNs, die modular und skalierbar sind, um den spezifischen Testanforderungen und –umfängen gerecht zu werden. Wie in der Zellbildungsphase umfasst das Standard-PDN eines Batterietesters die Wandlung von 3-Phasen-Wechselstrom in die Nennspannung der Zelle (Bild 3).
Durch Fixed-Ratio-Wandler in der Konstantstromumwandlungsstufe des PDN vermeiden Entwickler von Batterietests die mühsamen Zwischenwandlungsstufen. Stattdessen kann man darauf vertrauen, dass die Konstantstromumwandlung vom Fixed-Ratio-Wandler gesteuert wird. Entwickler können sich so auf die letzte Stufe des Wandlungsprozesses konzentrieren, bei der die Spannungen für den Test mit der Nennspannung der Zelle übereinstimmen müssen. Diese vereinfachte Architektur ermöglicht modulare und flexible Systeme, die sich leicht an verschiedene Testanforderungen anpassen lassen.
Ein weiterer Vorteil von Fixed-Ratio-Wandlern ist die Leistungsdichte. Durch einen sehr hohen Wirkungsgrad und kleinen Formfaktor unterstützen diese Wandler Kilowatt an Leistung und Hunderte von Volt. Dies erhöht den Durchsatz beim Testen, da mehr Testgeräte auf gleichem Raum untergebracht werden können. Dardurch lassen sich mehr Batteriezellen gleichzeitig testen.
I2R-Verluste
Wenn die Batterie schließlich das Werk verlässt und in einer realen Anwendung zum Einsatz kommt, sind die Herausforderungen rund um das PDN noch nicht abgeschlossen. In vielen aktuellen batteriebetriebenen Anwendungen gibt es eine wachsende Nachfrage nach einer sehr hohen Spannungsversorgung.
Bei gleicher Leistung ermöglichen höhere Spannungspegel eine Stromversorgung mit geringeren Strömen. Ein Vorteil der HV-Stromversorgung ist daher die höhere Effizienz, da geringere Ströme weniger I²R-Verluste verursachen.
Zudem lässt sich bei der HV-Versorgung der Kabelquerschnitt in Fahrzeugkabelbäumen verringern. Da weniger Strom benötigt wird, kommen Kabel mit geringerem Durchmesser zum Einsatz.
Der erfolgreiche Betrieb solcher HV-Systeme hängt von der Fähigkeit ab, die bei der Stromversorgung verwendeten hohen Spannungen in die niedrigeren Spannungen umzuwandeln, die an der Last benötigt werden. An diesem Punkt im Lebenszyklus der Batterie haben Fixed-Ratio-Wandler einen Mehrwert.
Betrachten wir als Beispiel einen ferngesteuerten Roboter. Mit einem Fixed-Ratio Wandler (K-Faktor 1/16) und seinem Wirkungsgrad von 97,9 Prozent lässt sich die hohe Spannung für die Stromverteilung (z. B. 800 VDC) auf eine niedrigere Spannung (48 VDC) herabsetzen. Ausgehend von den 48 VDC stellen herkömmliche Abwärtswandler mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent die für einen Mikrocontroller (MCU) erforderlichen 3,3 V bereit. Ohne einen Fixed-Ratio-Wandler würde die gesamte Umwandlung von 800 auf 3,3 V mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent erfolgen, was zu deutlich höheren Verlusten führen würde.
Wie hilft der Fixed-Ratio-Wandler im Batterie-Recycling?
Hat eine Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, ist das Recycling der letzte Schritt ihres Lebenszyklus. Das Recycling von Batterien ist ein energieintensiver elektrochemischer Prozess, bei dem die Rohstoffe und Elemente der Batterie chemisch von der Zelle getrennt werden, um sie wiederzugewinnen und in Zukunft wiederzuverwenden. Wie in anderen Phasen des Batterie-Lebenszyklus besteht das PDN aus der Umwandlung von 3-Phasen-Wechselstrom in Hochleistungs-DC und schließlich in niedrigere Spannungen, um die Recyclinganlage zu betreiben (Bild 4).
Eine Herausforderung aus Sicht des PDN besteht darin, dass beim Recycling von Batterien viel Wärme entsteht, weshalb die Komponenten innerhalb des PDN auch bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten müssen. Auch die Leistungsdichte spielt beim PDN-Design eine immer wichtigere Rolle, da kleine Formfaktoren und eine hocheffiziente Stromumwandlung erforderlich sind. Der Fixed-Ratio-Buswandler BCM6123 von Vicor bietet hier z. B. eine Leistungsdichte von 2352 W/in3 (Bild 5). Damit lassen sich die Temperatur- und Leistungsanforderungen von Batterie-Recyclinganlagen problemlos erfüllen. Da der Strombedarf und die Nachfrage weiter steigen, ermöglicht die modulare Stromarchitektur dieser Wandler somit eine entsprechende Skalierung des Systems mit minimalem Aufwand.
Fazit
In jeder Phase des Batterielebenszyklus steigt der Bedarf an effizienten, leistungsstarken und skalierbaren HV-PDNs. Erfolgreiche Lebenszyklen bei Batterien hängen vom Erfolg jeder einzelnen Phase ab. Ob es um die Herstellung der Batteriezellen, Tests, den Einsatz in Anwendungen oder das Recycling geht – der gesamte Lebenszyklus einer Batterie profitiert von Fixed-Ratio-Wandlern. (bs)