Bild 1: Die wesentlichen elektrischen Systemelemente in EVs/HEVs.

Bild 1: Die wesentlichen elektrischen Systemelemente in EVs/HEVs.Silicon Labs

Die Technologie für Elektroautos (EVs) und Hybrid-Fahrzeuge (HEVs) befindet sich immer noch in der Entwicklung. Bedenken über steigende Benzinkosten und Umweltverschmutzung beschleunigen das Innovationstempo in diesem Bereich des Automobilmarkts. EV/HEVs versprechen mehr Effizienz, geringere Abgase und letztendlich Preis-Leistungs-Gleichheit zu kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen. Um zu derzeitigen Autos wettbewerbsfähig zu sein, müssen die Batterien in EV/HEVs eine hohe Energiespeicherdichte, nahezu keine Eigenleckströme und die Möglichkeit bieten, innerhalb von Minuten anstatt binnen Stunden aufladbar zu sein. Das Batteriemanagement und das dazugehörige System zur Leistungswandlung müssen klein und leichtgewichtig sein. Die Stromentnahme aus der Batterie soll gering sein, und Leistung soll hocheffizient an den Elektromotor abgegeben werden.

5 wesentliche Elemente

Moderne EV/HEV-Designs verwenden modulare Komponenten im Antriebsstrang und für die Energiespeicher/-wandlungssysteme. EV/HEV-Batteriemanagement-Systeme setzen sich in der Regel aus fünf wesentlichen Baugruppen zusammen:

On-Board-Ladegerät: Lithium-Ionen-Batterien, die eine Nennspannung von 400 bis 450 V aufweisen, dienen als Energiespeicher, der über das im Fahrzeug integrierte Ladegerät geladen wird. Dieses Ladegerät besteht aus einem AC/DC-Wandler mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und einem Batteriemanagement-System (BMS). Das Ladegerät ist kompatibel zu einer Vielzahl externer Ladequellen von einphasigen 110-V-AC-Netz bis hin zu dreiphasigen 380-V-Drehstromnetz.

Bild 2a: Grundlegendes Isolationsverhalten.

Bild 2a: Grundlegendes Isolationsverhalten.Silicon Labs

Batteriemanagement-System: Ein BMS überwacht und steuert die Batteriezellen, um einen hohen Wirkungsgrad bei hoher Sicherheit zu gewährleisten. Das BMS regelt den Ladevorgang, den Ladezustand sowie die Entladetiefe und bereitet einzelne Batteriezellen auf.

DC/DC-Wandler: Der DC/DC-Wandler verbindet die Hochvolt-Batterie mit dem internen Bordnetz, das mit einer Gleichspannung von 12 V arbeitet. Dieses Bordnetz gibt auch Energie an die weiteren Einrichtungen und eine Vorspannung an die Schaltregler ab. Der Wandler arbeitet meist reversibel, um einen Energiefluss zur und von der Batterie zu ermöglichen.

Hilfs-Wechselrichter: Moderne Fahrzeuge verwenden Riemen zum Antrieb von Nebenaggregaten im Motorraum, beispielsweise für Klimaanlagen und Pumpen für die Servolenkung. EV/HEVs benötigen hier einen Hilfs-Wechselrichter, um die erforderliche elektrische Leistung für diese Einrichtungen bereitzustellen.

Haupt-Wechselrichter:Der Haupt-Wechselrichter steuert den Elektromotor an und kommt auch für beim regenerativen Bremsen sowie zum Rückspeisen ungenutzter Energie zurück in die Batterie zum Einsatz.

Galvanische Trennung

Modulare EV/HEV-Elektronikbaugruppen weisen eine feste und eine schwebende Masse, unterschiedliche Spannungen zwischen Modulen und lokalen Batterie- sowie Versorgungsspannungen auf. Daher ist in EV/HEV-Fahrzeugen eine galvanische Trennung erforderlich.

Bild 2b: Beispiel zur Gleichtaktspannung.

Bild 2b: Beispiel zur Gleichtaktspannung.Silicon Labs

Was ist eigentlich eine galvanische Trennung und welche Rolle spielt sie bei der Entwicklung elektrischer Systeme? Galvanische Trennung isoliert Funktionsbereiche elektrischer Systeme, um einen Stromfluss zwischen den Bereichen zu verhindern. Dabei wird aber der Austausch von Energie und Informationen zwischen diesen Bereichen erlaubt. Bild 2a beschreibt das Konzept eines einfachen isolierten Datenaustauschs zwischen den Schaltungen A und B. Die Vorspannungsversorgungen VDD1 und VDD2 stellen 5 V an den jeweiligen Seiten des Isolators bereit. Die auf Masse 1 (GND1) bezogene Impulsfolge mit einem Hub von 5 V, die am Schaltkreis A liegt, wird an den Isolator-Ausgang übertragen, wobei während des Vorgangs kein Strom zwischen GND1 und GND2 fließt. Anders gesagt: Die Impedanz zwischen GND1 und GND2 erzeugt einen offenen Schaltkreis, und trotzdem findet eine erfolgreiche Datenübertragung zwischen den zwei isolierten Schaltkreisen statt – so wie es die Definition einer galvanischen Trennung vorsieht.

Bild 3: Beispiel zur Verringerung von Störungen auf der Masseleitung.

Bild 3: Beispiel zur Verringerung von Störungen auf der Masseleitung.Silicon Labs

Eine Isolation sorgt für drei wichtige Funktionen beim EV/HEV-Design: Sicherheitstrennung, Spanungspegelverschiebung und Störsignalunterdrückung. Die Sicherheitsisolierung schützt das elektrische System und Menschen vor gefährlichen Spannungen. Bild 2b zeigt ein Beispiel einer Sicherheitstrennung, Pegelverschiebung und Pegelübersetzung. Schaltkreis A arbeitet mit einer Gleichtaktspannung von 1000 V und überträgt ein digitales Eingangssignal, das einen Hub von 0 bis 25 V aufweist, über die Isolationsbarriere zum Schaltkreis B. Da dieser durch 5-V-massebezogene Versorgung vorgespannt ist, verschiebt der Isolator die Gleichtaktspannung von 1000 V auf das GND2-Potenzial (0 V). Die Sicherheitstrennung ist auch für diesen Fall vorgesehen, da die 1000-V-Gleichtaktspannung auf der Eingangsseite auf 0 V am Ausgang verschoben wird. Auch das 25-V-Eingangssignal wurde auf die Spannungsebene VDD2 (5 V) auf der Isolator-Ausgangsseite übersetzt.

Bild 3 beschreibt, wie eine galvanische Trennung das Grundrauschen unterdrückt oder sogar vollständig eliminiert. Wie in der oberen Abbildung überträgt eine 5V-Signalquelle ein Signal über eine lange, hochinduktive Leiterbahn, was zu einer Störungsbehaftung führt. In Bild 3 verkürzt ein in die Schaltung eingebrachter Isolator die effektive Länge der lokalen Masseleitung, wodurch sich das Rauschen verringert.

Bild 4: Isolation im Haupt-Wechselrichter.

Bild 4: Isolation im Haupt-Wechselrichter.Silicon Labs

Die Vorteile der digitalen Isolierung lassen sich kombinieren, um elektrische Systeme in EV/HEVs sicherer und zuverlässiger zu machen. Das Blockdiagramm des Haupt-Wechselrichters in Bild 4 zeigt, wo eine Isolierung zum Einsatz kommt. Sie sorgt für eine Sicherheitstrennung, Pegelverschiebung und Spannungspegelumsetzung zwischen der Hochvolt-Welt zur Motoransteuerung und der zur Steuerung genutzten Niederspannungs-Schaltung in den Phasenstrom- und Spannungsmess-Schaltkreisen. Die isolierten Treiber bieten die gleichen Funktionen zwischen dem Treiber und der Hochvolt-Motorsteuerung. Ein isolierter DC/DC-Wandler verwendet eine lineare Sicherheitstrennung in der Rückkopplungsschleife. Damit wird sichergestellt, dass kein Strom zwischen der Primär- und Sekundarseite der Versorgung fließt. Diese Maßnahme sorgt dafür, dass eine mögliche Störung oder Leckströme im Hochvolt-Teil sich nicht auf die Niederspannungs-Schaltkreise auswirken. Schließlich kommen aus Sicherheitsgründen sowie zur Pegelanpassung Spannungsumsetzung und vielleicht auch zur Erdschleifendämpfung noch lineare oder digitale Isolatoren zwischen den Sensoren zum Einsatz.

Schaltregler in EV/HEVs

Schaltregler sind ein wichtiger Bestandteil in EV/HEV-Systemen; sie befinden sich im Haupt- und Hilfs-Wechselrichter, den DC/DC-Wandlern des 12-V-Bordnetzes und im Batterie-Ladesystem. Sie stellen die Versorgung der jeweiligen Einheiten mit den für sie jeweils passenden Spannungen und Strömen, sorgen aber auch für die aus Sicherheitsgründen erforderliche galvanische Trennung und die Pegelverschiebung.

Bild 5: DC/DC-Wandler im 12-V-Bordnetz.

Bild 5: DC/DC-Wandler im 12-V-Bordnetz.Silicon Labs

Bild 5 zeigt ein Blockschaltbild des internen AC/DC-Wandlers in einem Batterie-Ladesystem. Die externe Infrastruktur stellt die Eingangsspannung beispielsweise an einer Ladesäule zur Verfügung. Der Eingangsgleichrichter des fahrzeug-internen Ladesystems wandelt die Wechselspannung zunächst sofort in eine Gleichspannung um, bevor Filter und Konditionierungs-Schaltungen für Korrektur des Leistungsfaktors (PFC) sorgen. Der Schalter auf der Primärseite zerhackt die aufbereitete Gleichspannung dann gemäß den Vorgaben der Regelschaltung und leitet diese Spannungsimpulse an die Primärwicklung des Transformators weiter. Der Transformator skaliert die Spannungs- und Strompulse, um so die Ausgangsanforderungen des Ladesystems zu erfüllen. Die Schaltungen auf der Sekundärseite glätten und filtern die hochfrequenten Impulse und wandeln sie in eine Gleichspannung um.

Die Leistungssteuerung überwacht den Betrieb der geschlossenen Regelschleife sowie die Energiemenge, die zur Batterie übertragen wird. Dies geschieht so lange bis die Batterie voll geladen ist. Die zur Isolation genutzten Bauteile übernehmen hier mehrere wichtige Funktionen: der Transformator trennt galvanisch die Energieübertragung zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Wandlers, während der lineare Isolator für eine sichere Pegelverschiebung mit galvanischer Trennung am Stromsensor sorgt. Auch bei der Hochvolt-Erkennung und beim Rückkopplungssignal sorgen digitale Isolatoren für eine sichere galvanische Trennung zwischen der Hochvolt-Seite und der CAN-Bus-Schnittstelle.

Bild 6: Vereinfachtes System-Blockschaltbild des elektrischen Systems in einem HEV.

Bild 6: Vereinfachtes System-Blockschaltbild des elektrischen Systems in einem HEV.Silicon Labs

Bild 6 beschreibt, wo und wie Bauelemente in einem vereinfachten HEV-System zur galvanischen Trennung zum Einsatz kommen. HEVs sind technisch anspruchsvoller als EVs, da ein kleiner kraftstoffbetriebener Motor im Antriebsstrang mit vorhanden ist. Dies hat eine größere Komplexität zur Folge – und zwar sowohl beim mechanischen Antriebsstrang als auch bei der Ansteuerungselektronik. Der Verbrennungsmotor in Bild 5 wird über ein eigenes Motorsteuerungsmodul (ECM, Engine Control Modul) geregelt, das eine isolierte CAN-Bus-Schnittstelle enthält. Damit kann die HV-ECU, die mit niedrigerer Spannung betrieben wird, die Motordrehzahl, das Timing und andere Parameter regeln. Die Isolierung des M/G-Temperatursensors (M/G: Motor/Generator) trennt die Sensormasse galvanisch von der Masse der HV-ECU und sorgt so für Sicherheit und kompatible Spannungspegel. Die Schaltregler von Haupt- und Hilfs-Wechselrichter, Ladesystem und 12-V-DC/DC-Wandlern sind allesamt voneinander isoliert, wenn unterschiedliche Masse- oder vorhanden sind.

Systemintegration verbessern

Zukünftige EV/HEV-Designs müssen das Fahrzeuggewicht weiter senken, die Batterietechnologie verbessern und die Systeme zur Leistungswandlung leistungsfähiger machen. Diese Fortschritte verlangen nach Innovationen bei den Schaltregler-Topologien und in größerem Maßstab auch System-Level-ICs. Moderne CMOS-Isolationsbausteine bieten zwar verbesserte Systemeigenschaften, aber der größte Nutzen der digitalen Isolierung dürfte deren Fähigkeit sein, die digitale Isolierung zusammen mit anderen Funktionalitäten auf einem isolierten monolithisch integrierten System zu integrieren.