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Hochspannungslösungen für Hybrid- und E-Fahrzeuge

| Autor / Redakteur: Nagarajan Sridhar* / Benjamin Kirchbeck

Die Automobilhersteller arbeiten an der Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen in Form von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Es wird erwartet, dass diese Fahrzeuge bis 2025 einen Anteil von 5 bis 20 Prozent am Gesamtabsatz erreichen werden.
Die Automobilhersteller arbeiten an der Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen in Form von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Es wird erwartet, dass diese Fahrzeuge bis 2025 einen Anteil von 5 bis 20 Prozent am Gesamtabsatz erreichen werden. (Bild: Clipdealer)

Die Verwendung von Hochspannungs-Bauelementen befähigt E-Autos, hohen Temperaturen zu widerstehen und eine verbesserte Effizienz beim Wärmemanagement zu erreichen. In diesem Beitrag wird der Nutzen von hohen Spannungen und Schaltnetzteilen anhand zweier Subsysteme erläutert. Im Mittelpunkt stehen die Leistungselektronik und der Trend zu Wide-Bandgap-Halbleitern.

Hohe Spannungen bilden die Grundlage der Architekturen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen, denn diese basieren auf Hochspannungs-Batteriesystemen, deren Spannungen 400 V bei Elektrofahrzeugen und 48 V bei Hybridmodellen betragen. Die Steigerung der Energieeffizienz mithilfe hoher Spannungen gründet sich auf Fortschritte bei den Schaltnetzteilen, die wiederum durch die Weiterentwicklung der Leistungselektronik ermöglicht werden.

Abgesehen von mehr Energieeffizienz sorgt die Verwendung hoher Spannungen auch dafür, dass die Verkabelung im Fahrzeug weniger komplex und auch leichter wird. Unter dem Strich senkt dies das Gesamtgewicht des Fahrzeugs – ganz abgesehen von der Vermeidung weiterer Nachteile eines 12-V-Bordnetzes. Hohe Spannungen leisten nicht zuletzt einen Beitrag zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor bzw. zu einer Vergrößerung der Reichweite bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Ein Blockschaltbild eines elektrifizierten Antriebsstrangs, in dem ein typisches OBC-Subsystem durch einen grauen Kasten hervorgehoben ist.
Ein Blockschaltbild eines elektrifizierten Antriebsstrangs, in dem ein typisches OBC-Subsystem durch einen grauen Kasten hervorgehoben ist. (Bild: TI)

Das Schaltnetzteil-Konzept

In Schaltnetzteilen befinden sich die Halbleiterschalter entweder im Ein- oder im Aus-Zustand. In keinem der beiden Zustände fällt dabei eine Verlustleistung ab, denn im Aus-Zustand fließt kein Strom und im Ein-Zustand fällt keine Spannung an den Halbleiterschaltern ab. Zumindest theoretisch resultiert hieraus ein Wirkungsgrad von 100 %.

Im PWM-Betrieb (Pulsweiten-Modulation) arbeiten diese Schalter mit hohen Schaltfrequenzen, wodurch sich die Leistungswandler-Systeme kleiner konstruieren lassen. In elektrifizierten Antriebssträngen trifft man drei Arten von Leistungswandlern an, nämlich Gleichrichter (AC/DC), Gleichspannungswandler (DC/DC) und Wechselrichter (DC/AC).

Schaltnetzteile in elektrifizierten Antriebssträngen

Folgende Subsysteme von Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden mit geschalteten Leistungswandlern bestückt:

Gleichrichter

  • Nutzbremsung
  • OBC

Gleichspannungswandler für Zweispannungs-Bordnetze

  • Batteriemanagement für Lithium-Ionen-Akkus
  • Bidirektionale Stromversorgungen zwischen 48 V und 12 V
  • 400-V-Batterien (nur bei Elektrofahrzeugen)
  • Bidirektionale Stromversorgungen zwischen 400 V und 12 V

Wechselrichter

  • Traktionsmotoren
  • Hilfswechselrichter

Bord-Ladegeräte

Ein OBC lädt die Batterien eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aus dem Stromnetz. Da dieses Wechselstrom liefert, in den Fahrzeugbatterien aber Gleichstrom gespeichert wird, ist das Ladegerät als Gleichrichter ausgeführt. Es muss so klein und leicht wie möglich konstruiert sein, da es sich, wie der Name schon sagt, an Bord des Fahrzeugs befindet.

Ein entscheidender Trend der sich derzeit abzeichnet, ist das Schnelladen der Fahrzeugbatterien mit Leistungen von mehr als 3,3 kW (dies war die traditionell verwendete Leistung). Kurze Ladezeiten sind entscheidend, damit Hybrid- und Elektrofahrzeuge mit Autos mit Verbrennungsmotor konkurrieren können, deren Betankung nur wenige Minuten dauert. Durch die immer höhere Schaltfrequenz und die Verwendung von Wide-Bandgap-Leistungsschaltern lässt sich verhindern, dass die Abmessungen der Bord-Ladegeräte proportional mit der Leistung zunehmen.

Abbildung 1 zeigt das Blockschaltbild eines elektrifizierten Antriebsstrangs, in dem ein typisches OBC-Subsystem durch einen grauen Kasten hervorgehoben ist. Dieses Subsystem gliedert sich in zwei Abschnitte: eine Gleichrichterstufe mit aktiver Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) und eine zum Laden der Batterie dienende Gleichspannungswandler-Stufe mit einer gemäß den Spezifikationen der Batterie geregelten Ausgangsspannung [3]. Hervorzuheben ist, dass in diesen Stufen mehrere Halbleiter-ICs zum Einsatz kommen (hier grün dargestellt). Bei der Entwicklung solcher OBC-Lösungen kommt es darauf an, sich für die optimale Topologie zu entscheiden, damit die Verluste in den Leistungsschaltern möglichst gering sind.

Ein (analoges) PWM-Controller-IC, das die eingangsseitige Wechselspannung in eine Zwischen-Gleichspannung umwandelt, enthält in der Regel eine aktive PFC-Lösung. Zu den am weitesten verbreiteten PFC-Topologien gehört der phasenversetzt arbeitende Aufwärtswandler in der Primärstufe. Der Hauptvorteil dieser Topologie besteht darin, dass sie wegen des phasenversetzten Betriebs auf der DC/DC-Seite einen geringeren Welligkeitsstrom aufweist und dass die Leitungsverluste wegen der Parallelschaltung der Leistungsschalter geringer sind. Hinzu kommt, dass die zum Ausfiltern elektromagnetischer Störemissionen dienenden Induktivitäten kleiner gewählt werden können.

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