So vermeidet man Energie-Zwischenspeicherung in EV-Stromverteilungsarchitekturen

Einführung

Die Stromversorgungsarchitekturen von reinen Elektro- (EV) und Hybridfahrzeugen speichern und verteilen die Energie bei diversen Spannungen zur Versorgung verschiedener Sensor-, Steuerungs-, Sicherheits- und Infotainment-Subsysteme. Dies ist eine Herausforderung in Bezug auf Kosten, Platz und Gewicht für Stromspeicherung und Stromversorgungsnetz; Hybridfahrzeuge lösen sie mit einer 48V-Batterie und einem 48V-Verteilsystem, EVs hingegen mit Hochspannungsbatterien (800V, 400 V) und einem 48V-Verteilsystem. Während eine 48V-Batterie die benötigte Leistung sofort liefern kann, wirkt sich jede Zwischenbatterie in EV-Architekturen negativ aus auf Gewicht, Platz und Kosten.

Innerhalb von EV-Stromversorgungsarchitekturen bieten sich innovative Möglichkeiten durch die Verwendung einer Hochspannungsbatterie, um die Vorteile der Hochspannungs-Energiespeicherung zu bewahren und zugleich den Einsatz einer Zwischenbatterie zu vermeiden, indem ein DC-DC-Wandler verwendet wird, um Energie für den SELV-Bereich (SELV: Safety Extra Low Voltage – Sicherheitskleinspannung) zu liefern.

In EV-Stromversorgungsarchitekturen eröffnen sich innovative Möglichkeiten durch die Verwendung einer Hochspannungsbatterie – hier kann man DC-DC Wandler nutzen, um Energie für den SELV-Bereich zu liefern, die Vorteile der Hochspannungs-Energiespeicherung zu bewahren und zugleich den Einsatz einer Zwischenbatterie zu vermeiden.

Zwar können konventionelle Wandler die Spannungsumwandlung übernehmen, sie bieten aber nicht die nötige schnelle Reaktionszeit zur Bereitstellung der benötigten Leistung für die vielen verschiedenen Subsysteme. Der BCM von Vicor weist niedrige Pfadimpedanz und schnelle Reaktionszeit auf und transformiert die Batterie-Hochspannung für das Stromversorgungsnetz in eine quasi 48V-Batterie, wodurch die Notwendigkeit einer zwischengeschalteten 48V-Batterie entfällt.

Der vorliegende Artikel beschreibt die Funktion, den Betrieb und die Möglichkeiten des BCM-Wandlers von Vicor im Vergleich zu einem konventionellen DC-DC-Wandler und schlägt eine Architektur-Implementierung für den Einsatz in einer EV-Stromversorgungsarchitektur vor.

Der BCM-Wandler

Der BCM-Wandler arbeitet als Wandler mit festem Wandlerverhältnis, bei dem die Ausgangsspannung (Sekundärspannung) ein fester Bruchteil der Eingangsspannung (Primärspannung) ist. Dieser feste Quotient kann größer, gleich oder kleiner Eins sein; man bezeichnet diesen festen Quotienten als K-Faktor, der definiert ist als die Spannung am Eingang geteilt durch die Spannung am Ausgang (VPRI / VSEC). Bei einem Faktor K kleiner Eins werden die Eingangsspannungen verkleinert, die Eingangsströme jedoch vergrößert. Ist der K-Faktor größer Eins, werden die Eingangsspannungen größer und die Eingangsströme kleiner.

Prinzipiell besteht der interne Aufbau des BCM-Wandlers aus drei Stufen.

1. Eine primärseitige Schaltstufe, die das primärseitige DC-Eingangssignal in eine Sinuskurve umwandelt.
2. Eine ideale Transformatorstufe, die Wechselstrom in Wechselstrom umwandelt und die Spannung um das Verhältnis der Windungen zwischen Primär- und Sekundärseite (den K-Faktor) skaliert.
3. Eine sekundärseitige Schaltstufe, die die Sinuskurve des idealen Transformators in ein DC-Ausgangssignal umwandelt. Die Schaltstufen schalten an den Strom- und Spannungs-Nulldurchgängen der Sinuskurve im Transformator, was die Schaltverluste minimiert.

Aufgrund seiner Symmetrie und mit der entsprechenden Sequenzierung und Steuerung lässt sich der BCM sowohl als Step Down (Abwärts-) als auch als Step Up (Aufwärts-) Wandler betreiben. Dank dieser inhärenten bidirektionalen Fähigkeit kann der BCM die Leistung in beiden Richtungen mit dem gleichen Wirkungsgrad umsetzen.

Dies eröffnet Möglichkeiten für die Leistungsumwandlung in Anwendungen, die z. B. ein schnelles Laden und Entladen von einem Speicherelement erfordern; für die Zwecke dieses Artikels liegt der Schwerpunkt aber auf dem Einsatz einer Abwärts-Wandlung.

Aufgrund ihrer Nullstrom- und Nullspannungsschaltung (ZCS/ZVS) arbeiten die BCM-Wandler bei höheren Frequenzen als herkömmliche Wandler. So arbeitet der BCM6135 z.B. bei 1,2MHz und anders als ein herkömmlicher ZV/ZC-Resonanzwandler arbeitet der BCM innerhalb eines schmalen Frequenzbandes. Dank seines Hochfrequenzbetriebs reagiert der BCM schnell auf Laststromänderungen und bietet einen niederohmigen Pfad zwischen Ein- und Ausgang. Konvertierung mit festem Wandlungsverhältnis, bidirektionaler Betrieb, schnelles Einschwingverhalten und ein Pfad mit niedriger Impedanz sind die Eigenschaften, durch die der BCM eine 384V-Batterie wie eine 48V-Batterie erscheinen lassen kann, was im Folgenden als Transformation bezeichnet werden soll. Die Fähigkeit, eine Stromquelle zu transformieren, ist dabei sowohl der Hauptvorteil wie auch der Hauptunterschied zu herkömmlichen Wandlern.

Transformation der Energiequelle

Der BCM transformiert eine Eingangsspannung nach einem festen Skalierungsverhältnis in eine Ausgangsspannung, was sich mathematisch als die Operation V_OUT = K · V_IN ausdrücken lässt. Man stelle sich ein 48V-Stromverteilungssystem vor, das Strom von einer auf 384V geladenen Hochspannungsbatterie bezieht.  Der Eingangsspannungsbereich der Lasten auf dem 48V-Bus ist ein fester Bruchteil der Batteriespannung. Ein isoliertes BCM (1/8) wandelt den Ausgang der HVDC-Batterie in einen mit der 48V-Verteilung kompatiblen Spannungsbereich um. Aufgrund der schnellen Reaktionszeit des BCM erscheint die 384V-Batterie aus der Perspektive einer beliebigen Last auf der Niederspannungsseite wie eine Batterie, die sich mit 48V entlädt. Der BCM-Wandler hat die Hochspannungsbatterie effektiv transformiert, so dass das Gesamtsystem im Vergleich zu einer 48V-Batterie mit äquivalenter Energiespeicherung alle Vorteile einer Hochspannungsbatterie für die Energiespeicherung wie z. B. schnellere Ladezeit und höhere Energiedichte nutzen kann.

Nun betrachten wir dieselbe Anwendung, aber mit einem herkömmlichen Wandler, der den Eingang im Spannungsbereich auf eine bestimmte von den Änderungen am Eingang entkoppelte Ausgangsspannung regelt. Spannungsschwankungen am Eingang breiten sich nicht auf den geregelten Ausgang aus. Die geringere Bandbreite des geregelten Wandlers verhindert, dass das Verteilsystem so schnell Strom liefert wie ein direkter Anschluss an die Batterie. Aus Sicht der Niederspannungsseite gibt es nur eine idealisierte 48V-Versorgungsspannung. Diese Umwandlung ist zwar nützlich, sie hat aber zwei relative Schwächen. Erstens erfordert die geringere Bandbreite einen zusätzlichen Energie-Zwischenspeicher (entweder kapazitiv oder eine zusätzliche Batterie), um den Strom während eines Entladevorgangs mit hohem dI/dt zu liefern.  Zweitens ist eine Regelstufe unnötig, da die Eingangsspannung der Verbraucher auf der Niederspannungsseite einen festen Teilbetrag der Batterie auf der Hochspannungsseite darstellt. Der konventionelle Wandler regelt unnötigerweise - er verschwendet Energie, verursacht Zusatzkosten und reduziert den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Darüber hinaus verschlechtert die begrenzte Bandbreite des geregelten Wandlers die Reaktionszeit auf schnelle Energieentnahmen im Verteilungssystem.

Durch die Auslegung des Spannungsbereichs einer Energiequelle auf einen festen Bruchteil des Eingangsbereichs der Lasten in der Energieversorgung lassen sich hohe Spannungen (mit den damit verbundenen Vorteilen geringer Pfadverluste) für die Energieverteilung ohne die unnötigen in Systemen mit konventionellen Umrichtern verwendeten Regelstufen nutzen. Ein Systemdesign, bei dem alle Spannungsbereiche für Quellen, Lasten und verschiedene Verteilungspfade in einem festen Verhältnis zueinanderstehen, ermöglicht zudem eine optimale Auswahl der besten Technologie für Energiespeicherung, Energieverteilung und die Fähigkeiten des Subsystems. Dies lässt sich in leistungsstarken EV-Stromversorgungsarchitekturen erreichen. Solche Systeme verwenden Li-Ionen-Batterien (mit hoher Kapazität und hoher Spannung für eine schnelle Ladezeit), verteilen den Strom mit 48V (gemäß der LV148V-Spezifikation für SELV-Stromverteilung) und nutzen einen Mix aus kosteneffizienten 12V-Subsystemen neben der neuesten 48V-Stromversorgungstechnologie. BCMs verknüpfen all diese Spannungen in einem einzigen hocheffizienten System.

Virtuelle 48V-Batteriearchitektur

EV-Stromversorgungsarchitekturen können BCMs zum Aufbau eines hocheffizienten und gewichtsoptimierten Stromversorgungssystems nutzen. Die Hochspannungs-Batteriearrays, die die primäre Energiespeichereinheit bilden, werden zur Stromverteilung auf die effizienteste Spannung herunterkonvertiert (Abwärts-Wandlung). Das Hochspannungs-Array bietet neben Vorteilen (Energiedichte und Ladezeit im Vergleich zu Arrays mit niedrigerer Spannung) auch Nachteile (keine SELV), die es für EV-Anwendungen zwar wünschenswert, aber für die Energieverteilung an Lasten im Fahrzeug gefährlich machen. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Implementierung eines Stromverteilungssystems gemäß der LV148-Spezifikation eine Energieverteilung bei einer sicheren Spannung (SELV). Diese Spannungsverteilung lässt sich leichter warten als die Hochspannung aus der Batterie und benötigt weniger Kupfer bei geringerem Strom, als wenn sie bei den herkömmlichen 12V verteilt würde.

Der BCM-Wandler reproduziert das Entladeverhalten der HV-Batterie skaliert um den K-Faktor 1/8. Eine solche virtuelle Batterie versorgt das LV148-kompatible Verteilsystem genauso effizient wie eine physische 48V-Batterie, jedoch mit der Energiedichte und den damit verbundenen Vorteilen einer Hochspannungsbatterie im System.

Der BCM6135-Wandler von Vicor ist galvanisch isoliert und bietet den nötigen Schutz, wenn eine Hochspannungsquelle an eine SELV-Verteilung angeschlossen wird. Er hat einen Spitzen-Wirkungsgrad von über 97% und einen Wirkungsgrad von über 96%, wenn er mit mehr als 30% des Nennstroms betrieben wird. Dank einer Dauerleistung von bis zu 65A (über 3000W) lassen sich mit Arrays aus BCM6135-Wandlern leistungsstarke Wandlerstufen zwischen HVDC- und SELV-Spannungsbereichen realisieren. Der BCM6135 hat einen Eingangsspannungsbereich von 260 bis 410V und ein festes Wandlerverhältnis von 1/8, sodass er eine mit der 48V-Verteilung kompatible Ausgangsspannung liefert.

Der BCM6135 misst 61x35x7,5 mm, ist wahlweise für Chassis- oder Durchsteckmontage erhältlich und wiegt 68 g. Dank seiner hohen Leistungsdichte (208W/cm3) lässt er sich dort platzieren, wo dies für die Stromversorgungsarchitektur und die Gewichtsverteilung im Fahrzeug optimal ist.  Das Gehäuse ist sowohl für den Betrieb in konvektions- als auch in flüssigkeitsgekühlten Systemen ausgelegt und bietet auf der Unter- und Oberseite des Gehäuses eine annähernd gleichwertige Wärmeableitung, was weitere Flexibilität bei Montage- und Kühllösungen ermöglicht.

Bild des BCM6135 bei Chassismontage

Wirkungsgrad des BCM6153 in Abhängigkeit vom Ausgangslaststrom

Ausbau der 48-V-Verteilung

Die Systemleistung kann zwar aus einer virtuellen 48V-Batterie stammen, muss aber trotzdem im ganzen Fahrzeug auf eine Vielzahl von Subsystemlasten mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen und einem Mix aus 48V- und herkömmlichen 12V-Eingängen verteilt werden. Auch wenn die Vorteile der Stromversorgung mit 48 V gegenüber 12V klar sind (höherer Wirkungsgrad und leichtere Kabel), ist nicht klar, wie sich dieser Mix im Laufe der Zeit ändern wird. Da 12V zunehmend an Bedeutung verliert, muss die Stromversorgungsarchitektur des Fahrzeugs flexibel genug sein, um eine Anpassung an neue Subsysteme und zugleich eine Optimierung des Gewichts und der Kosten für die gesamte erforderliche Verkabelung zu ermöglichen.

Als ideale Erlösung empfiehlt sich, die 48V so weit wie physikalisch möglich auszudehnen und nur dort, wo es erforderlich ist, auf 12 Volt zu konvertieren. Da sich der Arbeitsbereich der LV148-Spezifikation mit einer 1/4-K-Faktor-Konvertierung in einen zur 12V-Verteilung kompatiblen Eingang umwandeln lässt, ist ein BCM-Wandler die optimale Lösung für maximalen Wirkungsgrad. Da beide Spannungen als SELV gelten, ist auch keine Isolierung nötig, sodass sich für die Umwandlung von 48V in 12V ein nicht-isolierter Wandler einsetzen lässt. Ein nichtisolierter BCM, der hinsichtlich aller anderen Merkmale identisch ist, wird als NBM bezeichnet und bietet alle zuvor beschriebenen Vorteile: schnelles Einschwingverhalten, niedrige Impedanz und bidirektionalen Betrieb.

Diese dezentrale Stromversorgungsarchitektur bietet alle Vorteile der 48V-Verteilung, während die Plattform flexibel bleibt, um bei Bedarf neue Subsysteme mit 48V- oder 12V-Eingängen zu integrieren. Der NBM transformiert die 48V-Eingangsspannung in eine 12V-Quelle, die für die 12V-Altsysteme als solche erscheint. Der NBM lässt sich überall im Fahrzeug einbauen; er ist klein genug, um bestehende Subsysteme zu ergänzen, wo immer diese sich auch befinden, stört aber nur minimal, wenn er für zukünftige System-Upgrades auf echte 48V-Subsysteme wieder entfernt wird.

Mit Abmessungen von 23 x 17 x 7,4mm und einem Gewicht von 12g lässt sich der NBM2317 von Vicor an jedem für die Erweiterung der 48V-Verteilung optimalen Ort unterbringen. Sein Spitzenwirkungsgrad liegt bei über 97,5%, wenn er mit mehr als 30% des Nennstroms arbeitet.

Der NBM2317 kann dauerhaft bis zu 60A (800W) Leistung liefern und ist für optimale Flexibilität bei der Kühlung wahlweise durch die Ober- oder Unterseite mit einem Oberflächenmontage-kompatiblen Gehäuse ausgelegt, das sich mit minimalem Eingriff in ein bestehendes Layout einfügen lässt. Seine hohe Leistungsdichte (275W/cm3) übertrifft die konkurrierender Module, zugleich ist er besser integriert als jede diskrete Lösung mit gleichem Leistungsniveau.

Ansicht des oberflächenmontierten NBM2317

Wirkungsgrad des NBM2317 in Abhängigkeit vom Ausgangslaststrom

Im Verbund bieten der BCM6135 und der NBM2317 die nötige Flexibilität für EV-Stromversorgungsarchitekturen, um die optimale Mischung aus 48V- und 12V-Subsystemen einzusetzen und gleichzeitig die Vorteile der SELV 48V-Verteilung und der HVDC-Stromspeicherung voll auszunutzen, um so die Vision von Hochleistungs-EV-Designs zu verwirklichen.

Fazit

Der entscheidende Vorteil und zugleich der zentrale Unterschied beim Vergleich von BCMs mit konventionellen Umrichtern ist die Fähigkeit von BCMs, Stromquellen, insbesondere eine Batterie, zu transformieren. Sofern die Ausgangsspannung der primären Stromversorgung in der Architektur in einem festen Verhältnis zu jeder Eingangsspannung der nachgeschalteten Subsysteme steht, lässt sich die Leistung mit der höchsten optimalen Spannung verteilen und dann von BCMs nach Bedarf ohne Verluste durch unnötige Regelstufen umwandeln. Der Nutzen für EV-Architekturen besteht im Wegfall aller Zwischenbatterien dank der Transformation des Hochspannungs-Energiespeichers in einen kompatiblen SELV-Bereich zur Versorgung des gesamten Fahrzeugs. Während sowohl BCMs als auch NBMs ihren Einsatz in EV-Stromversorgungssystemen finden, kann jedes andere System, das von einer Batterie gespeist wird, von ultraleichten UAVs über autonome Fabrikroboter bis hin zu Computerplattformen mit künstlicher Intelligenz von den transformativen Fähigkeiten dieser Komponenten profitieren.

Weitere Informationen finden Sie unter www.vicorpower.com oder bei ihrem zuständigen Vicor-Vertreter.