Suchen

Acht Fragen zu Überwachungs- und Schutzfunktionen in E-Fahrzeugen

| Autor/ Redakteur: Karl-Heinz Steinmetz / Benjamin Kirchbeck

Je höher die elektrischen Spannungen in Fahrzeugen werden, umso wichtiger werden Überwachungs- und Schutzsysteme. Hier bekommen Sie Antwort auf acht Fragen, die in diesem Zusammenhang bei Batteriemanagement-Systemen und Traktionswechselrichter-Systemen am häufigsten gestellt werden.

Firmen zum Thema

(Bild: Clipdealer)

1. Wie lassen sich die Energiedichte und der Systemwirkungsgrad steigern, damit Hybrid- und Elektrofahrzeuge weiter und länger fahren können?

Eine Verdoppelung der Leistungsabgabe bei gleichen Abmessungen sorgt für signifikante Kosteneinsparungen und trägt auch zum schnelleren Laden bei. Erreichen lässt sich dies, indem man die Leistungswandler (d. h. die PFC-Stufe und den Gleichspannungswandler in einem Bordladegerät oder DC-Schnellladegerät) mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten lässt, denn hierdurch können kleinere magnetische Bauelemente gewählt werden und die Leistungsdichte nimmt zu.

Ein höherer Systemwirkungsgrad ist gleichbedeutend mit niedrigeren Verlusten und der Möglichkeit, eine Applikation mit einem kleineren Kühlkörper zu betreiben. Nicht zuletzt verringert sich die thermische Belastung der Bauelemente, was zur Verlängerung der Lebensdauer beiträgt.

2. Wie lässt sich erreichen, dass Hybrid- und Elektrofahrzeuge den Autofahrern das gleiche Fahrerlebnis bieten wie Autos mit Verbrennungsmotor?

Das Fahrerlebnis verbessert sich, indem der Aktionsradius mit einer Akkuladung vergrößert wird, verbunden mit einer Verkürzung der Ladezeiten. Damit diese Ziele erreicht werden können, ist ein Batteriemanagement-System nach dem neuesten Stand der Technik sowie hocheffiziente Leistungselektronik erforderlich, und zwar sowohl im Auto selbst als auch in der Ladeinfrastruktur.

3. Wie lässt sich die Zuverlässigkeit der Batteriemanagement-Systeme von Hybrid- und Elektrofahrzeugen verbessern?

Um die Zuverlässigkeit zu verbessern, wird ein Baustein benötigt, der folgende Eigenschaften aufweist:

  • Spannungswächter, Temperaturwächter und Kommunikationsfunktionen bis Automotive Safety Integrity Level (ASIL) D.
  • Optionale Daisy-Chain-Ringarchitektur zur Sicherstellung der Stack-Kommunikation auch im Fall eines unterbrochenen Kommunikationskabels (Notlaufmodus).
  • Ein Design, das für robuste Hot-Plug-Eigenschaften sorgt, ohne dass externe Z-Dioden erforderlich sind.

4. Wie können Automobilkonstrukteure das Problem der mäßigen Entladeleistung von Lithium-Ionen-Akkusätzen bei niedrigen Temperaturen lösen?

Die Batteriesätze von Hybrid- und Elektrofahrzeugen arbeiten in einer Umgebung mit kontrollierter Temperatur, um die Lade- und Entladeleistung bei niedrigen Temperaturen zu optimieren und sicherzustellen, dass die Batterie bei hohen Temperaturen innerhalb ihres sicheren Betriebsbereichs bleibt. Eine präzise Spannungs- und Temperaturerfassung für die einzelnen Zellen und den gesamten Batteriesatz ist notwendig, um die passenden Wärmemanagement-Strategien ergreifen zu können. Hierzu können ein Vorheizen unter Kaltstartbedingungen und natürlich ein Kühlen bei höheren Temperaturen gehören.

5. Worin besteht eine Möglichkeit zur Überwachung eines Batteriemanagement-Systems?

In einer Daisy-Chain-Konfiguration implementiert der skalierbare Zellenüberwachungs-Demonstrator den Baustein in einem hochgradig präzisen und zuverlässigen Systemdesign für Lithium-Ionen-Akkusätze mit Spannungen zwischen 12 V und 1,2 kV, das heißt mit 3 bis 300 in Serie geschalteten Zellen. Das Design ist von 6 bis 96 in Serie geschalteten Zellenüberwachungs-Schaltungen skalierbar und kommuniziert die Spannungen und Temperaturen der Batterie, um die Anforderungen gemäß ASIL-D einzuhalten.

6. Welche Vorteile hat die Verwendung von Bauelementen auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) in Traktionswechselrichtern?

Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der SiC-Leistungsschaltungen können Designern bei der Entwicklung effizienterer, leichterer und intelligenterer Antriebsstrang-Systeme für Elektrofahrzeuge (z. B. Traktionswechselrichter, Bordladegeräte und DC-Schnelladestationen) helfen. Bei Bauelementen wie dem UCC21710-Q1 handelt es sich um die ersten isolierten Gatetreiber mit integrierten Sensing-Funktionen für IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) und SiC-Feldeffekt-Transistoren, womit die Voraussetzungen für eine höhere Systemzuverlässigkeit und kurze Detektierungszeiten geschaffen werden. Dies schützt vor Überströmen und ermöglicht ein sicheres Herunterfahren des Systems.

7. Lässt sich ein Überhitzen eines Traktionswechselrichters vermeiden?

Mit geringer Leistungsaufnahme, wenig Platzbedarf und hoher Genauigkeit hilft ein TemperatursensorTraktionswechselrichter-Systemen, auf Temperaturanstiege zu reagieren und geeignete Wärmemanagement-Techniken anzuwenden.

8. Weshalb benötigt man Temperatursensoren zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Traktionswechselrichter-Systemen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen?

Das Wärmemanagement ist von entscheidender Bedeutung, um die Leistungsfähigkeit eines Elektrofahrzeugs sowie die Sicherheit der Insassen zu garantieren. Bei den Automobilherstellern genießt dieses Thema hohe Priorität, um die Konsumenten davon zu überzeugen, wie sicher diese neuartigen Verkehrsmittel im Vergleich zu entsprechenden Lösungen mit Verbrennungsmotor sind. Je höher die Genauigkeit ist, umso wahrscheinlicher ist es, dass das System bei Temperaturanstiegen schnell mit den richtigen Wärmemanagement-Techniken reagiert.

* Karl-Heinz Steinmetz ist als General Manager im Bereich Automotive Systems bei Texas Instruments weltweit für den Automotive-Antriebsstrang verantwortlich.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46283390)