Vergleich von Stromverteilung und Energiespeicherung in Verbrennungsmotor-, Hybrid- und Elektrofahrzeug-Architekturen

Vergleich von Stromverteilung und Energiespeicherung in Verbrennungsmotor-, Hybrid- und Elektrofahrzeug-Architekturen. Verglichen mit früheren Architekturen sind EV-Stromversorgungsarchitekturen komplex, da sie eine Vielzahl von Subsystemen umfassen, die sowohl dynamische als auch statische Lasten an den alten 12-V- und den neuen 48-V-Eingängen aufweisen. Um Zusatzkosten und Gewicht einer Energiespeicher-Zwischenstufe zu vermeiden, wird ein Wandler mit schnellem Einschwingverhalten und hohem Wirkungsgrad benötigt, der die Batterie-Hochspannung in Spannungen umwandelt, die sich sicher im Fahrzeug verteilen lassen. (Bild: Vicor)

Die Stromversorgungsarchitekturen von reinen Elektro- (EV) und Hybridfahrzeugen speichern und verteilen die Energie bei diversen Spannungen zur Versorgung verschiedener Sensor-, Steuerungs-, Sicherheits- und Infotainment-Subsysteme. Dies ist eine Herausforderung in Bezug auf Kosten, Platz und Gewicht für Stromspeicherung und Stromversorgungsnetz. Hybridfahrzeuge lösen sie mit einer 48-V-Batterie und einem 48-V-Verteilsystem, EVs hingegen mit Hochspannungsbatterien (800 und 400 V) und einem 48-V-Verteilsystem. Während eine 48-V-Batterie die benötigte Leistung sofort liefern kann, wirkt sich jede Zwischenbatterie in EV-Architekturen negativ aus auf Gewicht, Platz und Kosten.

Innerhalb von EV-Stromversorgungsarchitekturen bieten sich innovative Möglichkeiten durch die Verwendung einer Hochspannungsbatterie, um die Vorteile der Hochspannungs-Energiespeicherung zu bewahren und zugleich den Einsatz einer Zwischenbatterie zu vermeiden, indem ein DC/DC-Wandler verwendet wird, um Energie für den SELV-Bereich (SELV: Safety Extra Low Voltage – Sicherheitskleinspannung) zu liefern.

Zwar können konventionelle Wandler die Spannungsumwandlung übernehmen, sie bieten aber nicht die nötige schnelle Reaktionszeit zur Bereitstellung der benötigten Leistung für die vielen verschiedenen Subsysteme. Der BCM von Vicor weist niedrige Pfadimpedanz und schnelle Reaktionszeit auf und transformiert die Batterie-Hochspannung für das Stromversorgungsnetz in eine quasi 48-V-Batterie, wodurch die Notwendigkeit einer zwischengeschalteten 48-V-Batterie entfällt.

Der BCM-Wandler benötigt keine zwischengeschaltete 48-V-Batterie

Der BCM-Wandler arbeitet als Wandler mit festem Wandlerverhältnis, bei dem die Ausgangsspannung (Sekundärspannung) ein fester Bruchteil der Eingangsspannung (Primärspannung) ist. Dieser feste Quotient kann größer, gleich oder kleiner Eins sein. Dieser feste Quotient wird als K-Faktor bezeichnet, der definiert ist als die Spannung am Eingang geteilt durch die Spannung am Ausgang (VPRI / VSEC). Bei einem Faktor K kleiner Eins werden die Eingangsspannungen verkleinert, die Eingangsströme jedoch vergrößert. Ist der K-Faktor größer Eins, werden die Eingangsspannungen größer und die Eingangsströme kleiner.

Beispiele für die Umwandlung von Spannung in Strom mithilfe des K-Faktors.
Beispiele für die Umwandlung von Spannung in Strom mithilfe des K-Faktors. (Bild: Vicor)

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.

Prinzipiell besteht der interne Aufbau des BCM-Wandlers aus drei Stufen.

  1. eine primärseitige Schaltstufe, die das primärseitige DC-Eingangssignal in eine Sinuskurve umwandelt
  2. eine ideale Transformatorstufe, die Wechselstrom in Wechselstrom umwandelt und die Spannung um das Verhältnis der Windungen zwischen Primär- und Sekundärseite (den K-Faktor) skaliert
  3. eine sekundärseitige Schaltstufe, die die Sinuskurve des idealen Transformators in ein DC-Ausgangssignal umwandelt. Die Schaltstufen schalten an den Strom- und Spannungs-Nulldurchgängen der Sinuskurve im Transformator, was die Schaltverluste minimiert
Funktions-Blockdiagramm des BCM-Wandlers
Funktions-Blockdiagramm des BCM-Wandlers: Obwohl er Gleichstrom in Gleichstrom umwandelt, nutzt der BCM einen Transformator, um Wechselstrom mit hohem Wirkungsgrad in Wechselstrom umzuwandeln, wobei die Spannung mit dem K-Faktor skaliert und die Schaltblöcke zur Umwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom verwendet werden. Das Schalten erfolgt bei hoher Frequenz; aufgrund der transformatorähnlichen Energieübertragung reagiert der Wandler schnell auf transiente Laständerungen und bildet einen niederohmigen Pfad zwischen Ein- und Ausgang. (Bild: Vicor)

Aufgrund seiner Symmetrie und mit der entsprechenden Sequenzierung und Steuerung lässt sich der BCM sowohl als Step-Down- (Abwärts-) als auch als Step-Up (Aufwärts-) -Wandler betreiben. Dank dieser inhärenten bidirektionalen Fähigkeit kann der BCM die Leistung in beiden Richtungen mit dem gleichen Wirkungsgrad umsetzen.

Dies eröffnet Möglichkeiten für die Leistungsumwandlung in Anwendungen, die z. B. ein schnelles Laden und Entladen von einem Speicherelement erfordern; für die Zwecke dieses Artikels liegt der Schwerpunkt aber auf dem Einsatz einer Abwärts-Wandlung.

Aufgrund ihrer Nullstrom- und Nullspannungsschaltung (ZCS/ZVS) arbeiten die BCM-Wandler bei höheren Frequenzen als herkömmliche Wandler. So arbeitet der BCM6135 z. B. bei 1,2 MHz und anders als ein herkömmlicher ZV/ZC-Resonanzwandler arbeitet der BCM innerhalb eines schmalen Frequenzbandes. Dank seines Hochfrequenzbetriebs reagiert der BCM schnell auf Laststromänderungen und bietet einen niederohmigen Pfad zwischen Ein- und Ausgang. Konvertierung mit festem Wandlungsverhältnis, bidirektionaler Betrieb, schnelles Einschwingverhalten und ein Pfad mit niedriger Impedanz sind die Eigenschaften, durch die der BCM eine 384-V-Batterie wie eine 48-V-Batterie erscheinen lassen kann, was im Folgenden als Transformation bezeichnet werden soll. Die Fähigkeit, eine Stromquelle zu transformieren, ist dabei sowohl der Hauptvorteil als auch der Hauptunterschied zu herkömmlichen Wandlern.

Transformation der Energiequelle

Der BCM transformiert eine Eingangsspannung nach einem festen Skalierungsverhältnis in eine Ausgangsspannung, was sich mathematisch als die Operation VOUT = K × VIN ausdrücken lässt. Man stelle sich ein 48-V-Stromverteilungssystem vor, das Strom von einer auf 384 V geladenen Hochspannungsbatterie bezieht. Der Eingangsspannungsbereich der Lasten auf dem 48-V-Bus ist ein fester Bruchteil der Batteriespannung. Ein isoliertes BCM (1/8) wandelt den Ausgang der HVDC-Batterie in einen mit der 48-V-Verteilung kompatiblen Spannungsbereich um. Aufgrund der schnellen Reaktionszeit des BCM erscheint die 384-V-Batterie aus der Perspektive einer beliebigen Last auf der Niederspannungsseite wie eine Batterie, die sich mit 48 V entlädt. Der BCM-Wandler hat die Hochspannungsbatterie effektiv transformiert, sodass das Gesamtsystem im Vergleich zu einer 48-V-Batterie mit äquivalenter Energiespeicherung alle Vorteile einer Hochspannungsbatterie für die Energiespeicherung wie z. B. schnellere Ladezeit und höhere Energiedichte nutzen kann.

Transformation der Batterie Hochspannung
Transformation der Batterie-Hochspannung: Wenn ein BCM mit K-Faktor 1/8 den Ausgang einer 384-V-Batterie transformiert, ergibt sich eine virtuelle 48-V-Batterie. Diese Transformation bewahrt die Energiedichte und die Fähigkeit der 384-V-Batterie zur transienten Leistungsabgabe, jedoch bei einer SELV-Spannung, die kompatibel zur nachgeschalteten Verteilung ist. (Bild: Vicor)

Der vorliegende Artikel beschreibt die Funktion, den Betrieb und die Möglichkeiten des BCM-Wandlers von Vicor im Vergleich zu einem konventionellen DC/DC-Wandler und schlägt eine Architektur-Implementierung für den Einsatz in einer EV-Stromversorgungsarchitektur vor.

Im Folgenden wird dieselbe Anwendung betrachtet, aber mit einem herkömmlichen Wandler, der den Eingang im Spannungsbereich auf eine bestimmte von den Änderungen am Eingang entkoppelte Ausgangsspannung regelt. Spannungsschwankungen am Eingang breiten sich nicht auf den geregelten Ausgang aus. Die geringere Bandbreite des geregelten Wandlers verhindert, dass das Verteilsystem so schnell Strom liefert wie ein direkter Anschluss an die Batterie. Aus Sicht der Niederspannungsseite gibt es nur eine idealisierte 48-V-Versorgungsspannung. Diese Umwandlung ist zwar nützlich, sie hat aber zwei relative Schwächen. Erstens erfordert die geringere Bandbreite einen zusätzlichen Energie-Zwischenspeicher (entweder kapazitiv oder eine zusätzliche Batterie), um den Strom während eines Entladevorgangs mit hohem dI/dt zu liefern. Zweitens ist eine Regelstufe unnötig, da die Eingangsspannung der Verbraucher auf der Niederspannungsseite einen festen Teilbetrag der Batterie auf der Hochspannungsseite darstellt. Der konventionelle Wandler regelt unnötigerweise - er verschwendet Energie, verursacht Zusatzkosten und reduziert den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Darüber hinaus verschlechtert die begrenzte Bandbreite des geregelten Wandlers die Reaktionszeit auf schnelle Energieentnahmen im Verteilungssystem.

Durch die Auslegung des Spannungsbereichs einer Energiequelle auf einen festen Bruchteil des Eingangsbereichs der Lasten in der Energieversorgung lassen sich hohe Spannungen (mit den damit verbundenen Vorteilen geringer Pfadverluste) für die Energieverteilung ohne die unnötigen in Systemen mit konventionellen Umrichtern verwendeten Regelstufen nutzen. Ein Systemdesign, bei dem alle Spannungsbereiche für Quellen, Lasten und verschiedene Verteilungspfade in einem festen Verhältnis zueinanderstehen, ermöglicht zudem eine optimale Auswahl der besten Technologie für Energiespeicherung, Energieverteilung und die Fähigkeiten des Subsystems. Dies lässt sich in leistungsstarken EV-Stromversorgungsarchitekturen erreichen. Solche Systeme verwenden Li-Ionen-Batterien (mit hoher Kapazität und hoher Spannung für eine schnelle Ladezeit), verteilen den Strom mit 48 V (gemäß der LV148V-Spezifikation für SELV-Stromverteilung) und nutzen einen Mix aus kostengünstigen 12-V-Subsystemen neben der neuesten 48-V-Stromversorgungstechnologie. BCMs verknüpfen all diese Spannungen in einem einzigen hocheffizienten System.

Entkopplung einer 48-V-Quelle von einer Hochspannungsbatterie
Entkopplung einer 48-V-Quelle von einer Hochspannungsbatterie: Wenn ein herkömmlicher Wandler 48 V aus der Batteriespannung erzeugt, kann er die Leistung aufgrund seiner geringeren Bandbreite nicht so schnell liefern und verbraucht außerdem Energie in einer unnötigen Regelungsstufe. (Bild: Vicor)

Virtuelle 48V-Batteriearchitektur

EV-Stromversorgungsarchitekturen können BCMs zum Aufbau eines hocheffizienten und gewichtsoptimierten Stromversorgungssystems nutzen. Die Hochspannungs-Batteriearrays, die die primäre Energiespeichereinheit bilden, werden zur Stromverteilung auf die effizienteste Spannung herunterkonvertiert (Abwärts-Wandlung). Das Hochspannungs-Array bietet neben Vorteilen (Energiedichte und Ladezeit im Vergleich zu Arrays mit niedrigerer Spannung) auch Nachteile (keine SELV), die es für EV-Anwendungen zwar wünschenswert, aber für die Energieverteilung an Lasten im Fahrzeug gefährlich machen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Implementierung eines Stromverteilungssystems gemäß der LV148-Spezifikation eine Energieverteilung bei einer sicheren Spannung (SELV). Diese Spannungsverteilung lässt sich leichter warten als die Hochspannung aus der Batterie und benötigt weniger Kupfer bei geringerem Strom, als wenn sie bei den herkömmlichen 12 V verteilt würde.

EV-Stromversorgungsarchitektur
EV-Stromversorgungsarchitektur: Bei deutlich geringerem Gewicht, aber gleichem Energiegehalt lässt sich eine 384-V-Batterie durch Einsatz eines BCMs wie eine virtuelle 48-V-Batterie nutzen. EV-Stromversorgungsarchitekturen können 48-V-Strom verteilen und NBMs zur Integration älterer 12-V-Subsysteme in die effizienteren und leichteren Architekturen nutzen. (Bild: Vicor)

Der BCM-Wandler reproduziert das Entladeverhalten der HV-Batterie skaliert um den K-Faktor 1/8. Eine solche virtuelle Batterie versorgt das LV148-kompatible Verteilsystem genauso effizient wie eine physische 48-V-Batterie, jedoch mit der Energiedichte und den damit verbundenen Vorteilen einer Hochspannungsbatterie im System.

Der BCM6135-Wandler von Vicor ist galvanisch isoliert und bietet den nötigen Schutz, wenn eine Hochspannungsquelle an eine SELV-Verteilung angeschlossen wird. Er hat einen Spitzen-Wirkungsgrad von über 97 Prozent und einen Wirkungsgrad von über 96 Prozent, wenn er mit mehr als 30 Prozent des Nennstroms betrieben wird. Dank einer Dauerleistung von bis zu 65 A (über 3000 W) lassen sich mit Arrays aus BCM6135-Wandlern leistungsstarke Wandlerstufen zwischen HVDC- und SELV-Spannungsbereichen realisieren. Der BCM6135 hat einen Eingangsspannungsbereich von 260 bis 410V und ein festes Wandlerverhältnis von 1/8, sodass er eine mit der 48-V-Verteilung kompatible Ausgangsspannung liefert.

Wirkungsgrad des BCM6153 in Abhängigkeit vom Ausgangslaststrom
Wirkungsgrad des BCM6153 in Abhängigkeit vom Ausgangslaststrom. (Bild: Vicor)

Der BCM6135 misst 61 mm × 35 mm × 7,5 mm, ist wahlweise für Chassis- oder Durchsteckmontage erhältlich und wiegt 68 g. Dank seiner hohen Leistungsdichte (208 W/cm3) lässt er sich dort platzieren, wo dies für die Stromversorgungsarchitektur und die Gewichtsverteilung im Fahrzeug optimal ist. Das Gehäuse ist sowohl für den Betrieb in konvektions- als auch in flüssigkeitsgekühlten Systemen ausgelegt und bietet auf der Unter- und Oberseite des Gehäuses eine annähernd gleichwertige Wärmeableitung, was weitere Flexibilität bei Montage- und Kühllösungen ermöglicht.

Bild des BCM6135 bei der Chassismontage
Bild des BCM6135 bei der Chassismontage. (Bild: Vicor)

Ausbau der 48-V-Verteilung

Die Systemleistung kann zwar aus einer virtuellen 48-V-Batterie stammen, muss aber trotzdem im ganzen Fahrzeug auf eine Vielzahl von Subsystemlasten mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen und einem Mix aus 48-V- und herkömmlichen 12-V-Eingängen verteilt werden. Auch wenn die Vorteile der Stromversorgung mit 48 gegenüber 12 V klar sind (höherer Wirkungsgrad und leichtere Kabel), ist nicht klar, wie sich dieser Mix im Laufe der Zeit ändern wird. Da 12 V zunehmend an Bedeutung verliert, muss die Stromversorgungsarchitektur des Fahrzeugs flexibel genug sein, um eine Anpassung an neue Subsysteme und zugleich eine Optimierung des Gewichts und der Kosten für die gesamte erforderliche Verkabelung zu ermöglichen.

Schnelles Einschwingverhalten, niedrige Impedanz und bidirektionaler Betrieb

Als ideale Lösung empfiehlt sich, die 48 V so weit wie physikalisch möglich auszudehnen und nur dort, wo es erforderlich ist, auf 12 V zu konvertieren. Da sich der Arbeitsbereich der LV148-Spezifikation mit einer 1/4-K-Faktor-Konvertierung in einen zur 12-V-Verteilung kompatiblen Eingang umwandeln lässt, ist ein BCM-Wandler die optimale Lösung für maximalen Wirkungsgrad. Da beide Spannungen als SELV gelten, ist auch keine Isolierung nötig, sodass sich für die Umwandlung von 48 in 12 V ein nicht-isolierter Wandler einsetzen lässt. Ein nichtisolierter BCM, der hinsichtlich aller anderen Merkmale identisch ist, wird als NBM bezeichnet und bietet alle zuvor beschriebenen Vorteile: schnelles Einschwingverhalten, niedrige Impedanz und bidirektionalen Betrieb.

Diese dezentrale Stromversorgungsarchitektur bietet alle Vorteile der 48V-Verteilung, während die Plattform flexibel bleibt, um bei Bedarf neue Subsysteme mit 48-V- oder 12-V-Eingängen zu integrieren. Der NBM transformiert die 48-V-Eingangsspannung in eine 12-V-Quelle, die für die 12-V-Altsysteme als solche erscheint. Der NBM lässt sich überall im Fahrzeug einbauen; er ist klein genug, um bestehende Subsysteme zu ergänzen, wo immer diese sich auch befinden, stört aber nur minimal, wenn er für zukünftige System-Upgrades auf echte 48-V-Subsysteme wieder entfernt wird.

Mit Abmessungen von 23 mm × 17 mm × 7,4 mm und einem Gewicht von 12 g lässt sich der NBM2317 an jedem für die Erweiterung der 48-V-Verteilung optimalen Ort unterbringen. Sein Spitzenwirkungsgrad liegt bei über 97,5 Prozent, wenn er mit mehr als 30 Prozent des Nennstroms arbeitet.

Der NBM2317 kann dauerhaft bis zu 60 A (800 W) Leistung liefern und ist für optimale Flexibilität bei der Kühlung wahlweise durch die Ober- oder Unterseite mit einem Oberflächenmontage-kompatiblen Gehäuse ausgelegt, das sich mit minimalem Eingriff in ein bestehendes Layout einfügen lässt. Seine Leistungsdichte beträgt 275 W/cm3 und er ist besser integriert als diskrete Lösungen mit gleichem Leistungsniveau.

Ansicht des oberflächenmontierten NBM2317
Ansicht des oberflächenmontierten NBM2317. (Bild: Vicor)

Im Verbund bieten der BCM6135 und der NBM2317 die nötige Flexibilität für EV-Stromversorgungsarchitekturen, um die optimale Mischung aus 48-V- und 12-V-Subsystemen einzusetzen und gleichzeitig die Vorteile der SELV-48-V-Verteilung und der HVDC-Stromspeicherung voll auszunutzen, um so die Vision von Hochleistungs-EV-Designs zu verwirklichen.

Der entscheidende Vorteil und zugleich der zentrale Unterschied beim Vergleich von BCMs mit konventionellen Umrichtern ist die Fähigkeit von BCMs, Stromquellen, insbesondere eine Batterie, zu transformieren. Sofern die Ausgangsspannung der primären Stromversorgung in der Architektur in einem festen Verhältnis zu jeder Eingangsspannung der nachgeschalteten Subsysteme steht, lässt sich die Leistung mit der höchsten optimalen Spannung verteilen und dann von BCMs nach Bedarf ohne Verluste durch unnötige Regelstufen umwandeln. Der Nutzen für EV-Architekturen besteht im Wegfall aller Zwischenbatterien dank der Transformation des Hochspannungs-Energiespeichers in einen kompatiblen SELV-Bereich zur Versorgung des gesamten Fahrzeugs. Während sowohl BCMs als auch NBMs ihren Einsatz in EV-Stromversorgungssystemen finden, kann jedes andere System, das von einer Batterie gespeist wird, von sehr leichten UAVs über autonome Fabrikroboter bis hin zu Computerplattformen mit künstlicher Intelligenz von den transformativen Fähigkeiten dieser Komponenten profitieren. (neu)

Autor

Autor Nicolas Richard

Nicolas Richard, European Director of Automotive Business Development bei Vicor

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