Power Modul bietet 3x schnelleres Transientenverhalten als 12V Batterie.
Verfasser: Patrick Kowalyk, North American Automotive Principal Field Applications Engineer, Vicor
Figur 1: Instationärer Testvergleich: 48V-zu12V bei 75A im Vergleich zu einer 12V-Batterie. Das NBM2317-Leistungsmodul reagiert auf eine 50-A-Last dreimal schneller als eine Standard-12-V-Batterie.
Ein Blick unter die Motorhaube eines Elektrofahrzeugs mag überraschen, denn dort sieht man eine herkömmliche 12V-Bleisäurebatterie oder eine zusätzliche 48V-Batterie. Da stellt sich die Frage, warum ein Elektrofahrzeug überhaupt eine herkömmliche Batterie braucht, wenn es zur Versorgung der Motoren bereits eine 400V- oder 800V-Batterie im Fahrzeug gibt. 12V- oder 48V-Batterien versorgen heute alle anderen Systeme im Fahrzeug, sie sind aber teuer und schwer und belegen wertvollen Platz. Was spricht dagegen, die 12V-Batterie wegzulassen und die 400 bis 800V-Batterie zur Versorgung des gesamten Fahrzeugs zu nutzen?
Die einfache Antwort: Viele Kfz-Systeme und vor allem Sicherheitssysteme müssen schnell auf plötzliche Stromschwankungen reagieren, und Batterien bieten traditionell eine viel bessere Reaktionszeit als DC-DC Wandler. Bis vor kurzem gab es für Stromversorgungsentwickler keine Möglichkeit, 800V oder 400V sicher, zuverlässig, mit schneller Transienten-Reaktion und ohne unnötiges zusätzliches Volumen oder Gewicht in 48V oder gar 12V zu konvertieren.
Neue Elektrofahrzeuge verbrauchen zudem bis zu 20-mal mehr Strom (statt 3kW mehr als 50kW) als Verbrennungsmotoren; dies ist bei hart schaltenden DC-DC Wandlertopologien eine erhebliche Belastung für das Stromversorgungsnetz und führt zu einer starken Zunahme der herkömmlichen, platzraubenden, gewichtsintensiven und die Reichweite einschränkenden Leistungselektronik.
Mit Blick auf die Leistungsanforderungen bei Elektrofahrzeugen sollte man neu überlegen, wie sich die benötigte Leistung am besten bereitstellen lässt, anstatt nur die Stromversorgungsarchitektur eines Verbrennungsmotors aufzurüsten. Mit herkömmlichen DC-DC Wandlern können Elektrofahrzeuge die damit verbundene ca. 20-fache Leistungssteigerung nicht ohne Abstriche bei Performance und Funktionalität bewältigen, was ihre Attraktivität schmälert. Diese neue Sichtweise ist keine simple Überarbeitung. Sie bedeutet vielmehr ein Abriss- und Wiederaufbauprojekt, dass man mit Blick auf Innovation, nicht auf Bewahrung betrachten sollte.
Die üblichen Fortschritte bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen bestanden immer darin, mehr und leistungsstärkere Batterien einzubauen. Solche Batterien sind schwer und groß. Neueste Fahrzeugmodelle enthalten 800V Batterien, zugleich aber auch eine 12V oder womöglich sogar eine 48V Batterie. Angesichts knapper Platz- und Gewichtsbudgets sind drei Batterien ineffizient und unnötig.
Gegenüber herkömmlichen Konzepten mit zusätzlichen Batterien entfällt bei einem neuen, innovativen Ansatz eine Batterie; dies schafft Bauraum, reduziert das Gewicht und verbessert zugleich die dringend benötigte Transienten-Reaktion in der Energieversorgung.
Voraussetzung für das Einsparen einer Batterie ist eine leistungsstarke Umwandlung. Die wichtigste Variable ist dabei ein schnelleres Wandler-Einschwingverhalten. Sobald ein leistungsstarker Wandler ein gleich schnelles oder besseres Ansprechverhalten als eine 12V-Batterie (250A/ms) bieten kann, lassen sich die Batterie, das mit ihr verbundene Gewicht und der entsprechende Platz einsparen.
Die zentrale Aufgabe der 12V-Batterie ist die Bereitstellung eines Energiereservoirs für Verbraucher, die viel Strom benötigen. Die typische Last in einem Fahrzeug weist zwei Arten der Stromaufnahme auf - eine für den Start und eine für den Dauerbetrieb. Beim erstmaligen Anlegen von Strom an eine bestimmte Last wird entweder unkontrollierte Leistung zugeführt oder die Leistung ist bereits vorhanden und es ist nur ein Freigabesignal nötig.
Die Lasten, die Einschaltstrom verursachen, ziehen eine große Menge Strom, entweder um einen Kondensator zu laden oder um einen Anker zu drehen. Nach Einschalten der Last (Start-up) sinkt der Strom und die Last geht über in den Dauerbetrieb (Steady State).
Eine Batterie ist aufgrund dieser anfänglichen Stromaufnahme eine gute Option für ein herkömmliches Verbrennerfahrzeug, nicht aber für Elektrofahrzeuge, bei denen sich Gewicht drastisch auf Reichweite und Leistung auswirkt. Sinnvollerweise sollte man also auf die schwere 12V Blei- oder Lithium Batterie verzichten und sie durch einen leichteren, kompakten und leistungsstarken DC/DC Wandler mit sehr schnellem Transienten-Verhalten zu ersetzen.
Ersetzt man die 12V-Batterie in einem Fahrzeug durch einen herkömmlichen Wandler, kann die Lastspannung so weit abfallen, dass sich die Last ausschaltet und einen Neustart des Fahrzeugs verursacht. Ein wichtiger Parameter ist das Absinken der Lastspannung bei einer Stromänderung über die Zeit. Dies nennt man Transientenreaktion; je geringer die Spannungsabweichung, umso besser ist die Leistung des Systems.
Bei der Entwicklung eines neuen Elektrofahrzeugs sind zahlreiche neue High-Tech-Lösungen zu berücksichtigen. Ein modularer Stromversorgungsansatz in Kombination mit Topologien wie dem proprietären Vicor Sine Amplitude Converter (SAC™) kann die „slew rate“ - das Einschwingverhalten - einer 12V-Bleibatterie bei weitem übertreffen. Ein modularer auf SAC basierender Ansatz kann Tausende von Ampere von der Hochspannungsbatterie an die Last weiterleiten und so Spannungseinbrüche oder aus dem Regelbereich fallende Lasten verhindern. Tests auf dem Prüfstand zeigen, dass die modulare Stromversorgung dreimal schneller reagiert als eine typische 12V-Batterie (siehe Bild 1).
Automobilhersteller fordern meist 250A/ms für ihre schnellsten Lasten; 12V-Batterien können dies erreichen (75A/30µs). Der modulare Ansatz von Vicor bietet ein schnelleres Einschwingverhalten (75A/10µs) und schafft so eine "virtuelle Batterie", die dreimal schneller reagiert als eine 12V-Batterie.
Modulare Stromversorgung kombiniert mit SAC zählt zu den Gründen, warum diese Lösung optimal für die Autostromversorgung ist. Der SAC hat ein Wicklungsverhältnis, den so genannten K-Faktor, der dem Verhältnis der Primär- zu den Sekundärwicklungen entspricht. Ein wesentlicher Vorteil dieser Topologie besteht darin, dass jede primärseitige Kapazität mit dem K-Faktor zum Quadrat multipliziert wird. Bei einer Umwandlung von 12V in 48V beträgt der K-Faktor ¼; daher beträgt die effektive Sekundärkapazität vier zum Quadrat oder das 16-fache der Primärkapazität.
Das Vicor NBM eignet sich bestens zur Übertragung der Energielast von einer ständig eingeschalteten mechanischen Quelle auf eine elektrische Energiequelle, die sich zyklisch ein- und ausschalten lässt und somit eine bessere Kontrolle und einen höheren Wirkungsgrad bietet. Durch den Einsatz des NBM zusammen mit dem SAC erzeugt der Entwickler eine virtuelle Batterie, die die wesentlichen Eigenschaften einer physischen Batterie nachbildet und alle Vorteile einer Batterie ohne deren Gewicht, Größe oder Temperaturbeschränkungen bietet (Siehe Bild 2).
Bild 2: Vicor Powermodule könnten zusammen mit EMV-Filtern, einem Minimum an Komponenten und einem kompakten Gehäuse eine 12V-Blei-oder Lithium-Ionen-Batterie ersetzen und dabei 7-18kg Gewicht einsparen.
Mit einem modularen Ansatz kann der Entwickler die Stromquelle in verschiedene Zonen aufteilen. Anstelle einer zentralen Stromversorgungsarchitektur lässt sich ein NBM im Armaturenbrett, im Kofferraum oder bei allen vier Rädern platzieren. Da die Stromquelle näher an der Last liegt, verringern sich parasitäre Induktivitäten und Leitungswiderstände zugunsten eines hochleistungsfähigen Stromversorgungssystems. Das gleiche Konzept eignet sich auch für die Umwandlung von Hochspannung in 48V, die eine ähnliche Leistung aufweist und eine virtuelle 48V-Batterie schafft (siehe Bild 3).
Bild 3: Eine dezentrale Architektur bietet mehr Flexibilität für das Design und kann das Gewicht der Kabel und des Kabelbaums im Fahrzeug reduzieren, damit Platz schaffen und die Reichweite erhöhen.
Sinnvollerweise sollte man die Hochspannungsbatterie als größte Energiequelle im Fahrzeug nutzen und ihren Ausgang auf verschiedene sichere Spannungen herunter wandeln. Hochspannungsbatterien in Elektrofahrzeugen haben meist eine Spannung von 400V oder 800V, bald aber schon 1.200V oder 1.400V.
Ein modularer Ansatz eliminiert alle internen Serieninduktivitäten am Eingang oder Ausgang und kann problemlos 700.000A/s oder 700A/ms verarbeiten. Er lässt sich problemlos in einem Array zur Bildung eines großen energieverarbeitenden Systems parallelschalten. Zudem bietet er eine galvanische Trennung von allen primären Busspannungen mit 60V oder mehr.
Theoretisch unterliegt die Leistungsfähigkeit des NBM nur thermischen Beschränkungen; bei entsprechender Kühlung kann er sehr hohe Leistungen verarbeiten. Als weiteren Vorteil kann er bidirektional arbeiten und lässt sich in beiden Richtungen hochfahren.
Im neuen Zeitalter der Elektrifizierung können OEMs von einem frischen Blick auf die Art der Elektrifizierung von Fahrzeugen profitieren. Ein komplett neu konzipiertes Stromversorgungsnetz berücksichtigt alle elektrischen Anforderungen des Fahrzeugs und bietet weitaus mehr Vorteile und eine höhere Leistung.
Kurz gesagt, durch die Umstellung auf eine modulare Stromversorgung kann die 12V-Batterie entfallen; zugleich erzielt man besseres Einschwingverhalten, geringeres Gewicht und mehr Bauraum - all das trägt zu einer größeren Reichweite und besseren Gesamtleistung bei.
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Power Systems Design veröffentlicht.
Patrick Kowalyk löst seit über 20 Jahren Probleme bei der Stromversorgung mit den innovativen, leistungsstarken, hochdichten und hocheffizienten Lösungen von Vicor. Er ist der leitende Automotive Principal Field Applications Engineer für Vicor in Nordamerika und unterstützt Energieingenieure bei der Entwicklung neuer Stromversorgungssysteme für die Automobilindustrie. Er hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik vom Illinois Institute of Technology.
Patrick Kowalyk, North American Automotive Principal Field Applications Engineer
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