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Netzseitige und fahrzeuggebundene Ladesysteme von E-Autos

| Autor/ Redakteur: Xun Gong; Jayanth Rangaraju / Benjamin Kirchbeck

Die Leistungselektronik von Plug-In-Hybriden gliedert sich in die Ladestation und das On-Board-Ladegerät im Fahrzeug. Doch wie sieht deren Funktionsweise aus und wie regelt sich die Interaktion sowohl untereinander als auch mit Batteriemanagement-Systemen? Und welche Rolle spielt die Einteilung in Architekturen mit Einphasen-Eingang und solche mit Dreiphasen-Eingang?

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Ein AC-Ladegerät lädt die Batterie über ein On-Board-Ladegerät, während ein DC-Ladegerät die Fahrzeugbatterie direkt aufladen kann (Symbolbild).
Ein AC-Ladegerät lädt die Batterie über ein On-Board-Ladegerät, während ein DC-Ladegerät die Fahrzeugbatterie direkt aufladen kann (Symbolbild).
(Bild: Clipdealer)

Eine Ladestation ist Bestandteil der Stromversorgungs-Infrastruktur an einer Straße, an einem Parkplatz oder in der häuslichen Garage. Ihr Hauptzweck ist es, das Fahrzeug zum Aufladen der Batterie mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein fahrzeuggebundenes On-Board-Ladegerät ist dagegen für den finalen Part des Ladens zuständig. Es wandelt den vom EVSE zur Verfügung gestellten Wechselstrom gemäß dem erforderlichen Ladeprofil um.

Die ähnliche Benennung (On-Board- bzw. Off-Board-Ladegerät) hat dazu geführt, dass es bei beiden Systemen viele Unklarheiten gibt, obwohl ihre Aufgaben sehr verschieden sind. Während das On-Board-Ladegerät den vom Off-Board-Ladegerät kommenden Wechselstrom aufbereitet, d. h. in eine hohe Gleichspannung verwandelt, die anschließend dem Batteriemanagement-System (BMS) zur Verfügung gestellt wird, arbeitet ein Off-Board-DC-Ladegerät ohne ein zusätzliches On-Board-Ladegerät und wird direkt mit dem BMS verbunden (Bild 1).

Bild 1: Unterschiede zwischen AC/DC-Ladestationen und On-Board-Ladegeräten.
Bild 1: Unterschiede zwischen AC/DC-Ladestationen und On-Board-Ladegeräten.
(Bild: TI)

Welche Leistungs-Subsysteme gibt es?

Die Leistungs-Subsysteme bzw. -Module von Off-Board- oder On-Board-Ladegeräten unterscheiden sich in ihrer Ladeleistung (Bild 2). Das Leistungs-Subsystem eines Off-Board- (DC)-Ladegeräts ist in der Regel für die Übertragung höherer Leistungen ausgelegt und verlangt nach einem ausgefeilteren BMS im Fahrzeug. Es sorgt ferner fahrzeugseitig für eine erhebliche Gewichtsersparnis, was wiederum der Effizienz des Fahrzeugs zugutekommt. Ein On-Board-Ladegerät dagegen ist normalerweise für weniger Leistung konzipiert und verursacht im Fahrzeug ein deutliches Mehrgewicht.

Bild 2: Ladeleistung von Off-Board- und On-Board-Ladegeräten.
Bild 2: Ladeleistung von Off-Board- und On-Board-Ladegeräten.
(Bild: TI)

Die Bedeutung von Ladeleistung, Ladeverfahren, Steckertyp und Ladezeit

Batterien unterscheiden sich in ihrer Kapazität und erfordern verschiedene Ladespannungen und -ströme. Das EVSE und die On-Board-Ladegeräte müssen deshalb unterschiedliche Ladeleistungen, Ladeverfahren und Steckertypen unterstützen, die wiederum über die Ladezeit entscheiden. Ein typisches On-Board-Ladegerät etwa besitzt eine Leistung von 3,5 kW, was bei 220 V Netzspannung eine Stromaufnahme von 16 A ergibt. Angeschlossen an ein 240-V-Netz, kann ein On-Board-Ladegerät mit 3,3 kW Leistung den vollständig entladenen 16-kWh-Batteriesatz eines Plug-in-Hybridfahrzeugs in etwa vier Stunden zu 95 % aufladen.

Wie Bild 3 verdeutlicht, gibt es hauptsächlich zwei Arten von Ladesystemen, nämlich Wechselstrom- und Gleichstromsysteme (AC bzw. DC). Ein AC-Ladegerät lädt die Batterie über ein On-Board-Ladegerät, während ein DC-Ladegerät die Fahrzeugbatterie direkt aufladen kann.

Bild 3: Organisation des Ladens auf den Stufen 1, 2 und 3.
Bild 3: Organisation des Ladens auf den Stufen 1, 2 und 3.
(Bild: TI)

Blicken wir zunächst auf die AC-Ladestationen, die sich gemäß der Definition der Society of Automotive Engineers (SAE) in drei Stufen einteilen lassen. EVSE der Stufe 1 (meist in privaten Wohngebäuden) nutzen das normale Stromnetz mit 120 V bzw. 230 V AC, nehmen einen Strom zwischen 12 A und 16 A auf und benötigen 12 bis 17 Stunden zum vollständigen Aufladen einer 24-kWh-Batterie.

EVSE der Stufe 2 (vorwiegend in öffentlichen Bereichen wie etwa Einkaufszentren, Bürogebäuden usw. zu finden) nutzt mehrphasige 240-V-Anschlüsse (AC) zur Versorgung eines robuster ausgeführten fahrzeuggebundenen Ladegeräts. Bei einer Stromaufnahme von 15 A bis 80 A können diese Systeme eine 24-kWh-Batterie in etwa acht Stunden aufladen. Für DC-Ladestationen gibt es eine inoffizielle, von der SAE nicht anerkannte Stufe, die als Level 3 DC bezeichnet wird. Bei Ladestationen dieser Art versorgt ein externes Ladegerät die Fahrzeugbatterie direkt mit einer hohen Gleichspannung von 300 V bis 750 V bei einer Stromstärke von bis zu 400 A.

Stufe 3 kommt also ohne On-Board-Ladegerät im Elektrofahrzeug aus, wie die rote Linie in Bild 3 andeutet. Da hier eine hohe Leistung direkt in das Fahrzeug eingespeist wird, verkürzt sich die Ladezeit erheblich, was den Systemen der Stufe 3 den Namen „Schnellladesysteme“ eingebracht hat. Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist, beträgt die Zeit zum Laden einer typischen 24-kWh-Batterie weniger als eine halbe Stunde.

Tabelle 1: Einteilung von EVSE in die Stufen 1, 2 und 3.
Tabelle 1: Einteilung von EVSE in die Stufen 1, 2 und 3.
(Bild: TI)

Nach der Definition der International Electrotechnical Commission (IEC) in der Norm IEC 62196 ist zwischen vier Lade-Betriebsarten zu unterscheiden:

  • Mode 1 – Langsames Laden aus einer herkömmlichen Wandsteckdose (ein- oder dreiphasig).
  • Mode 2 – Langsames Laden aus einer herkömmlichen Wandsteckdose, aber mit einer fahrzeugspezifischen Schutzausstattung.
  • Mode 3 – Langsames oder schnelles Laden über einen speziellen mehrpoligen Ladestecker für Elektrofahrzeuge sowie mit Steuerungs- und Schutzfunktionen (gemäß den Normen SAE J1772 und IEC 62196).
  • Mode 4 – Schnellladen mit spezieller Ladetechnik wie z. B. Charge de Move (CHAdeMO).

Darüber hinaus gibt es vier verschiedene Steckertypen:

  • Typ 1 – Einphasige Fahrzeugkupplung gemäß der Spezifikation SAE J1772/2009 für Automotive-Stecker.
  • Typ 2 – Ein- und dreiphasige Fahrzeugkupplung gemäß VDE-AR-E 2623-2-2.
  • Typ 3 – Ein- und dreiphasige Fahrzeugkupplung mit Sicherheitsverschluss nach dem Vorschlag der EV Plug Alliance.
  • Typ 4 – Schnellladekupplung für spezielle Systeme wie etwa CHAdeMO.

Sicherheitscodes und -normen

Off-Board- und On-Board-Ladegeräte müssen verschiedene Spezifikationen erfüllen, die von den verschiedenen Staaten und Stromversorger-Verbänden abhängig vom jeweiligen Installationsort vorgegeben werden. Im Wesentlichen gibt es die folgenden wichtigen Sicherheits- und Betriebsvorschriften:

  • Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) als Sender und Empfänger (USA: Federal Communications Commission Part 15 Class A; Europäische Union (EU) Europa-Norm (EN): EN 55011, EN 55022 und IEC 61000-4).
  • Wirkungsgrad: 96 % und mehr.
  • Oberschwingungsgehalt (iTHD) < 7 % (entspricht den Anforderungen der IEEE-Norm 519).
  • Schutzart des Gehäuses (z. B. IP54).
  • Steckverbindertyp (CHAdeMO, kombiniertes Ladesystem (CCS)1 (SAE J1772 Combo), CCS2 (IEC 61851-23), GuoBiao Standard GB/T.
  • Sicherheits-Konformität (in den USA Underwriters Laboratories (UL) 2202, UL 2231-1 und UL 2231-2. In Europa IEC 62196, IEC 61851, Conformité Européene (CE-Zeichen)).

Systembasiertes Ladestations-Konzept

In Bild 4 ist das Blockschaltbild einer AC-Ladestation zu sehen. Es handelt sich dabei um eine kommerzielle Ladestation der Stufe 2, d. h. die AC-Ladestation speist den Netzwechselstrom direkt in das Elektrofahrzeug ein. Dabei werden der Strom und die Spannung überwacht, um die an das Fahrzeug abgegebene Leistung zu kontrollieren. Die Verbindung zum Fahrzeug wird von einem AC-Leistungsrelais nach Maßgabe des Host-Controllers freigegeben oder getrennt. Das analoge Frontend der Fahrzeugschnittstelle kontrolliert das am Steckverbinder anliegende Pilotsignal, das als Handshakesignal zwischen EVSE und Fahrzeug dient und ein Aushandeln des Leistungsstatus, der verfügbaren Leistung und des Ladezustands erlaubt.

Bild 4: Blockschaltbild einer typischen AC-Ladestation.
Bild 4: Blockschaltbild einer typischen AC-Ladestation.
(Bild: TI)

Zur Ladestation gehört ein Gleichrichter, der als Hilfsstromversorgung fungiert und die verschiedenen weiteren Komponenten dieser Systeme versorgt. In der Rolle des Systemcontrollers koordiniert in der Regel ein Host-Mikrocontroller (MCU) die verschiedenen Routinefunktionen. Ein Fahrzeug-Kommunikationsmodul kann Schnittstellen wie CAN (Controller Area Network), RS-485 und Ethernet zur Kommunikation mit dem Elektrofahrzeug sowie mit dem Ladestations-Netzwerk nutzen. Die meisten Ladestationen der Stufe 2 sind außerdem mit einer Benutzeroberfläche ausgestattet. Diese soll durch eine visuelle Statuszeige die Nutzererfahrung aufwerten.

Der wichtigste Unterschied zwischen AC- und DC-Ladestationen ist die Existenz einer Leistungsfaktorkorrektur-Stufe (Power Factor Correction, PFC) und einer Leistungsstufe, wie in Bild 5 dargestellt. Die PFC-Stufe stellt sicher, dass der Eingangsstrom mit der Netzspannung in Phase ist, wodurch sich der Gesamt-Leistungsfaktor des Netzes verbessert. Im Normalfall erzeugt eine mehrstufige AC/DC-Lösung aus dem mehrphasigen Netzwechselstrom eine hohe Gleichspannung, aus der eine zweite Gleichspannungswandler-Stufe eine stabile Gleichspannung erzeugt, die dann unter Umgehung des On-Board-Ladegeräts in das Elektrofahrzeug eingespeist wird. Für die aktive PFC-Stufe stehen mehrere Architekturen zur Wahl, wobei die ein- und dreiphasigen Architekturen die größte Verbreitung gefunden haben.

Bild 5: Der wichtigste Unterschied zwischen AC- und DC-Ladestationen ist die Existenz einer Leistungsfaktorkorrektur-Stufe.
Bild 5: Der wichtigste Unterschied zwischen AC- und DC-Ladestationen ist die Existenz einer Leistungsfaktorkorrektur-Stufe.
(Bild: TI)

Leistungs-Architekturen in EVSE und On-Board-Ladegeräten

Wie bereits angesprochen, verlangen die verschiedenen Ladestufen nach unterschiedlich hoher Leistung beim On-Board-Ladegerät oder beim EVSE. Dies führt zu einer Einteilung der Leistungselektronik in Architekturen mit Einphasen-Eingang und solche mit Dreiphasen-Eingang – mit entsprechenden Konsequenzen hauptsächlich für die PFC-Schaltung.

Die einphasige Architektur

Die PFC-Schaltung ist der erste Teil der Leistungsstufe eines On-Board-Ladegeräts oder einer Ladestation. Die PFC-Stufe soll dem Eingangsstrom einen möglichst sinusförmigen Verlauf geben, der phasengleich zur Netzspannung ist. Hierdurch verringern sich die in das Netz zurückgeleiteten Oberschwingungen, und der Leistungsfaktor verbessert sich, um verschiedene internationale Normen zu erfüllen. Außerdem erzeugt die PFC-Stufe eine geregelte Ausgangsspannung, mit welcher der nachgeschaltete Gleichspannungswandler versorgt wird.

Das Blockschaltbild einer Architektur mit einphasigem Eingang ist in Bild 6 dargestellt. Diese Lösung benötigt eine einphasige PFC-Stufe, die mit einer Phase und dem Nullleiter verbunden wird. Hier kann zwischen einer einstufigen Boost-PFC-Lösung und einer phasenversetzt arbeitenden zweistufigen PFC-Lösung gewählt werden. Die einstufige PFC-Schaltung besticht durch Einfachheit und kommt mit einem kostengünstigen Controller aus. Die phasenversetzte zweistufige Ausführung dagegen erzeugt weniger Störströme an Ein- und Ausgang, was das Design der EMI-Filter vereinfacht, kleinere Speicherelemente benötigt und die Wärmeableitung verbessert.

Bild 6: Blockschaltbild einer Architektur mit einphasigem Eingang.
Bild 6: Blockschaltbild einer Architektur mit einphasigem Eingang.
(Bild: TI)

An die PFC-Stufe schließt sich ein Gleichspannungswandler an, der für die galvanische Isolation sorgt und die Ausgangsspannung generiert, die sich genau an das Ladeprofil der Hochspannungs-Batterie hält. Ob die Wahl auf eine zweistufige Topologie fällt, hängt vom Ausmaß der Belastung für die einzelnen aktiven Bauteile ab. Auch hier gibt es verschiedene alternative Topologien, darunter ein LLC-Halbbrücken-Resonanzwandler, eine hart geschaltete Halbbrückenschaltung, eine phasenversetzt arbeitende Vollbrücke oder eine doppelte Halbbrücken-Schaltung.

Zusätzlich kommen noch sechs weitere wichtige Subsysteme hinzu:

  • Eine Hilfsstromversorgung, die die Netzspannung in Hilfs-Versorgungsspannungen umwandelt – beispielsweise für Gatetreiber, Strommessschaltungen, Spannungsmessschaltungen und Controller. Als Topologie wird häufig der kostengünstige, isolierte Sperrwandler gewählt.
  • Ein isolierter Gatetreiber, bestehend aus einem Digitalisolator und einem konventionellen Gatetreiber. Er wird niederspannungsseitig an ein den weniger Leistung unterstützenden Ausgang eines DC/DC-Controller-IC angeschlossen und produziert ein Hochstrom-Treibersignal für das Gate eines Hochleistungs-Transistors. Zusätzlich können verschiedene Sicherheits-Features wie etwa ein Überstromschutz, eine Miller-Clamp-Schaltung usw. integriert sein.
  • Ein nicht-isolierte Gatetreiber (wenn keine Isolation benötigt wird), da in einer konventionellen, im nicht-lückenden Betrieb arbeitenden Boost-Architektur der PFC-Controller auf dasselbe Massepotenzial bezogen ist wie die PFC-Leistungsstufe. Neuerdings gibt es einen Trend zur Verwendung einer brückenlosen Architektur. Hier entfällt die traditionelle Diodenbrücke, wie etwa bei einer Totem-Pole-PFC-Schaltung. Isolierte Gatetreiber gewinnen in PFC-Lösungen an Popularität.
  • Spannungsmessschaltung zur Überwachung der Spannung, wobei hohe Spannungen in der Regel mit einem Widerstandsteiler reduziert werden. Eine galvanische Isolation ist hier notwendig, um jegliche Gefahren infolge der hohen Spannung auszuschließen.
  • Strommessschaltung zur Überwachung der Höhe und der Richtung des Stromflusses am Eingang und Ausgang des Gleichspannungswandlers. Die Strommessung kann indirekt per Hall-Sensor erfolgen oder direkt mithilfe eines Shunt-Widerstands.
  • Signalisolation zur galvanischen Isolation zwischen den beiden mit unterschiedlichen Massepotenzialen arbeitenden Systemen. Sie ermöglicht die Übertragung schneller Kommunikationssignale zwischen der auf der Niederspannungs-Seite befindlichen MCU und dem Gleichspannungswandler bzw. der PFC-Stufe auf der Hochspannungs-Seite.

Die dreiphasige Architektur

Eine hohe Ladeleistung setzt einen dreiphasigen Netzanschluss voraus. Um bei minimalem Leiterquerschnitt möglichst viel Leistung übertragen zu können, ist das Wechselstromnetz dreiphasig ausgeführt, wobei je nachdem, ob ein Nullleiter vorhanden ist oder nicht, zwischen zwei Architekturen unterschieden werden muss.

In Bild 7 ist eine Architektur zu sehen, die eine Kombination dreier einphasiger Module darstellt. Als Eingang kommt eine Spannung zwischen Phase und Nullleiter oder zwischen Phase und Phase in Frage. Die einphasigen Module am Eingang haben den Vorteil einfacherer und effizienterer Leistungswandler-Schaltungen. Sämtliche Subsysteme und Anforderungen ähneln jenen von On-Board- oder EVSE-Ladegeräten mit einphasigem Eingang, nur sind diese Subsysteme hier dreimal vorhanden. Diese Struktur mag zwar mehr Leistungstransistoren und Messschaltungen erfordern, sie reduziert aber die Strombelastung und den Filteraufwand, sodass kleinere und flachere Bauteile verwendet werden können. Da diese modulare Kombination auch die Belastung der Steuerungs-Ressourcen für PFC-Stufe und Gleichspannungswandler verringert, lässt sich der analoge Regler separat implementieren, was zu niedrigeren Kosten und weniger Regelungskomplexität für den zentralen Mikrocontroller führt.

Bild 7: Erste Variante der Architektur mit dreiphasigem Eingang.
Bild 7: Erste Variante der Architektur mit dreiphasigem Eingang.
(Bild: TI)

Bild 8 zeigt die andere Architektur, an die alle drei Phasen (und möglicherweise auch der Nullleiter) gleichzeitig angeschlossen sind. Als populäre PFC-Topologie hat sich hier die (auch als Vienna-Gleichrichter bezeichnete) aktive Brückenschaltung herauskristallisiert. In diesem Fall muss der nachgeschaltete Gleichspannungswandler entweder an 700 V DC arbeiten oder in Serie geschaltet sein, um die Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter zu verringern.

Bild 8: Zweite Variante der Architektur mit dreiphasigem Eingang.
Bild 8: Zweite Variante der Architektur mit dreiphasigem Eingang.
(Bild: TI)

In Bild 8 ist außerdem die Verwendung eines Mikrocontrollers (z. B. eines C2000 Piccolo-Mikrocontrollers vom Typ TMS320F28069 von TI) zur Steuerung der PFC-Stufe und des Gleichspannungswandlers (z. B. der C2000 Piccolo-Mikrocontroller TMS320F28035 von TI zu sehen. Im Unterschied zur Kombination aus drei einphasigen Modulen wird hier zum Ansteuern der PFC-Stufe ein isolierter Gatetreiber oder ein Halbbrücken-Gatetreiber mit der Eignung für eine hohe potenzialfreie Spannung benötigt. In Bild 8 kann bei Implementierung einer konventionellen Boost-Architektur ein nicht-isolierter Gatetreiber verwendet werden, da die Leistungstransistoren in der PFC-Stufe alle low-seitig angeordnet sind.

Beschreibung eines kompletten On-Board-Ladegeräts

In Bild 9 ist die Architektur eines gängigen, auf analoger Regelung beruhenden On-Board-Ladegeräts zu sehen, dessen Nennleistung 3,3 kW beträgt. Das System besitzt einen Universaleingang, kann deshalb mit Netzwechselspannungen zwischen 85 V und 265 V betrieben werden und liefert am Ausgang eine Gleichspannung zwischen 200 V und 450 V bei maximal 16 A. Es enthält einen phasenversetzt betriebenen Gleichspannungswandler mit PFC-Stufe, gefolgt von einem pulsweitenmodulierten, analog geregelten und phasenversetzten Vollbrücken-Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler schaltet im Spannungs-Nulldurchgang, um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu erhöhen.

Bild 9: Blockschaltbild eines analog geregelten On-Board-Ladegeräts für Plug-in-Hybridfahrzeuge (detailliertes Blockschaltbild im Anhang).
Bild 9: Blockschaltbild eines analog geregelten On-Board-Ladegeräts für Plug-in-Hybridfahrzeuge (detailliertes Blockschaltbild im Anhang).
(Bild: TI)

Die phasenversetzt arbeitende PFC-Stufe besteht aus zwei parallel und 180° phasenversetzt betriebenen Boost-Wandlern. In dieser Implementierung wird eine platzraubende 3,3 kW PFC-Stufe in zwei PFC-Stufen zu je 1,65 kW aufgeteilt, die mehr (dafür aber kleinere) Bauteile benötigen, aber für eine bessere Wärmeverteilung sorgen. Da die Spulenströme gegenphasig sind, heben sie sich gegenseitig auf und reduzieren damit die Stromwelligkeit am Eingang. Gemeinsam sorgen diese Vorteile für eine Anhebung der Leistung und der Leistungsdichte. Als weitere Vorteile des phasenversetzten Betriebs kommen die einfachere Skalierbarkeit auf mehr Leistung und die flachere Bauform hinzu.

Das Blockschaltbild der PFC-Stufe gliedert sich wie folgt:

  • EMI-Filter zur Reduzierung der differenziellen Störgrößen und der Gleichtakt-Störgrößen mit dem Ziel, die einschlägigen EMV-Vorschriften einzuhalten. Auf diese Weise werden elektromagnetische Störbeeinflussungen unterdrückt, die sonst zu Fehlfunktionen in anderen Geräten führen könnten. Nicht zuletzt wird die nachfolgende Leistungselektronik vor Spannungsspitzen und Inrush-Strömen geschützt.
  • Messung der AC-Eingangsspannung (hierbei wird der Effektivwert der Eingangsspannung gemessen). Diese Information ist für den Mikrocontroller wichtig zur Begrenzung des Eingangsstroms, wenn die Eingangsspannung niedriger als der Unterspannungs-Grenzwert sein sollte, sowie für den Überspannungsschutz.
  • Phasenversetzt arbeitende PFC-Stufe. Diese wird von einem analogen Controller wie dem UCC28070-Q1 von TI gesteuert. In diesem Controller finden sich gleich mehrere Innovationen wie die Stromsynthese und die quantisierte Spannungs-Störgrößenaufschaltung zur Verbesserung des Leistungsfaktors, des Wirkungsgrads, des Oberschwingungsgehalts und des Einschwingverhaltens.
  • Low-seitiger Gatetreiber. Dieser erzeugt aus dem schwachen Eingangssignal aus dem PFC-Controller ein Hochstrom-Treibersignal für das Gate eines Hochleistungs-Transistors (ein Beispiel ist der UCC27524A-Q1 von TI). Der Treiber kann das Gate mit Quell- und Senkenströmen bis zu 5 A (Spitzenwert) beaufschlagen und zeichnet sich zusätzlich durch einen Rail-to-Rail-Ausgang und eine sehr kurze Signallaufzeit von typisch 13 ns aus.
  • Unidirektionale Hilfsstromversorgung. Diese wird von einem PWM-Controller wie dem UCC28700-Q1 von TI gesteuert. Aus einer rund 400 V betragenden Eingangsspannung erzeugt dieser Teil mehrere niedrigere Spannungen und fungiert beispielsweise als Bias-Stromversorgung für die PFC-Stufe und den Gleichspannungswandler. Übliche Spannungswerte sind 12 V zum Ansteuern der MOSFETs, 16 V für den isolierten Gatetreiber und 6,5 V für die Low-Dropout-Regler (LDOs).
  • Spannungs- und Stromsensoren. Diese sind direkt in den phasenversetzt arbeitenden PFC-Controller integriert. Die Spannung wird über einen Widerstandsteiler gemessen, der Strom dagegen mithilfe eines Stromwandlers.

Der Gleichspannungswandler ist als phasenversetzte Vollbrücken-Topologie mit Diodengleichrichtung ausgeführt. Das Blockschaltbild gliedert sich wie folgt:

Die isolierte Spannungsmessung am Eingang des Gleichspannungswandlers erfolgt mit einem isolierten Verstärker wie dem AMC1311-Q1 von TI. Für die isolierte Strommessung am Ausgang des Gleichspannungswandlers ist ein isolierter Verstärker wie etwa der AMC1301-Q1 von TI vorhanden, ergänzt durch einen Operationsverstärker wie den OPA376-Q1 von TI. Der AMC1301-Q1 liest den Eingangsstrom präzise ein und verwandelt ihn in ein differenzielles Ausgangssignal, das vom Operationsverstärker wiederum zu einem massebezogenen Ausgangssignal konvertiert wird.

Temperatursensoren wie der LMT87-Q1 von TI werden in der Nähe der Leistungstransistoren angebracht, um die Intaktheit dieser Transistoren im aktiven Betrieb zu gewährleisten. Das Erfassen der Gehäuse- oder Innentemperatur (abhängig von der Position der Sensoren) ermöglicht die beabsichtigte Schutzwirkung, indem das System bei Überschreitung einer gewissen Grenztemperatur abgeschaltet wird.

Bei dem isolierten Gatetreiber kann es sich um eine einkanalige Version wie den ISO5451-Q1 von TI oder eine isolierte zweikanalige Version wie den UCC21520-Q1 von TI handeln. Er nimmt auf der Niederspannungs-Seite ein Schwachstromsignal vom DC/DC-Controller-IC entgegen und erzeugt dabei auf der Hochspannungsseite ein starkes Treibersignal für die MOSFETs.

Der Gleichspannungswandler wandelt den Ausgang der PFC-Stufe in eine speziell, streng am Ladeprofil der Batterie ausgerichtete Gleichspannung um. Der phasenversetzte Vollbrücken-Controller (z. B. TI UCC28951-Q1) treibt alle MOSFETs auf der Primärseite. Die phasenversetzte Vollbrücken-Topologie hat den Vorteil, dass sie im Spannungs-Nulldurchgang schaltet, einen deutlich höheren Wirkungsgrad erreicht und nur geringe elektromagnetische Interferenzen erzeugt.

Der Mikrocontroller überwacht den Gesamtstatus des Systems. Er erzeugt die Ausgangsspannungs- und Strom-Referenzwerte zur Beeinflussung der Spannungs- und Stromregelung des Gleichspannungswandlers. Außerdem liest er Temperaturwerte ein, steuert die Lüfter und fungiert als Schnittstelle zum LCD und den Benutzeroberflächen. Schließlich tauscht er über ein hardwaremäßiges CAN-Interface digitale Daten mit anderen Mikrocontrollern im Fahrzeug aus.

Fazit

Je mehr Hybrid- und Elektrofahrzeuge weltweit auf die Straßen kommen, umso mehr sind die Entwickler von Automotive-Systemen gefordert, bei diesen Fahrzeugen den Wirkungsgrad zu verbessern und die Ladezeiten zu verkürzen, ohne dass dies zu übermäßigem Mehrgewicht führt. Sowohl das EVSE als auch die On-Board-Ladegeräte werden von entscheidender Bedeutung für die Verbreitung batteriebetriebener Fahrzeuge sein.

Die Industrie ist meist für das EVSE-Design zuständig, während die Automobilhersteller die Fahrzeuge konstruieren. Dennoch müssen die verschiedenen Technologien reibungslos zusammenarbeiten. Vor diesem Hintergrund haben wir in diesem Artikel versucht, jegliche Missverständnisse zwischen Ladestationen und On-Board-Ladegeräten auszuräumen. Die Unterscheidung erscheint eigentlich einfach: Das On-Board-Ladegerät befindet sich im Fahrzeug, weil es leichter ist und Bedeutung für das Laden der Batterie und die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften hat, während sich die Ladestation außerhalb des Fahrzeugs befindet. Letzte versorgt entweder das On-Board-Ladegerät oder die Batterie direkt mit hoher Spannung und hoher Leistung. Abgesehen davon gilt es bei diesen Systemen jedoch einige Feinheiten zu beachten.

Abhängig von ihrer Leistung werden Ladestationen in drei Gruppen eingeteilt. Ladestationen der Stufe 3 kommen ohne On-Board-Ladegerät aus und laden die Batterie direkt mit bis zu 240 kW. Die Architekturen der Leistungselektronik von Ladestationen und On-Board-Ladegeräten sind ähnlich. In beiden Fällen kommt ein Ein- oder Dreiphasen-Netzanschluss in Frage.

* Xun Gong arbeitet als Powertrain Systems bei Texas Instruments.

* Jayanth Rangaraju ist bei Texas Instruments als Grid Infrastructure Systems Manager tätig.

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