Einsatz bidirektionaler Leistungswandler und PFC zur Verbesserung des Wirkungsgrads von HEV, BEV und Stromnetzen

Konstrukteure von Antriebssystemen für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) und batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) stehen unter ständigem Druck, die Effizienz und Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Während die Umstellung auf duale 12V/48V-Stromschienen dazu beigetragen hat, die Effizienz zu verbessern, indem das Gewicht der Chassis-Verkabelung reduziert wurde, benötigen die Konstrukteure spezielle Lösungen für ein besseres Management der beiden Stromquellen, damit sie sich gegenseitig besser unterstützen können und das Fahrzeug gleichzeitig Zweiwege-Fahrzeug-zu-Netz-Anwendungen (V2G) unterstützen kann.

Dieser Bedarf hat zur Entwicklung von bidirektionalen Wandlern und bidirektionalen Systemen zur Blindleistungskompensation (PFC) geführt, die es den Konstrukteuren ermöglichen, die Gesamtleistung eines dualen 12V/48V-Elektrofahrzeuges (EV) zu optimieren und es außerdem für einen bidirektionalen Stromfluss an das Netz anzuschließen.

Dieser Artikel definiert und überprüft die Vorteile der bidirektionalen Leistungsumwandlung in Kraftfahrzeugsystemen und die damit verbundenen Standards. Anschließend werden Lösungen von Anbietern wie Texas Instruments, Analog Devices und Infineon Technologies vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Implementierung von bidirektionalen Leistungswandlern verwendet werden können.

Was ist bidirektionale Leistungsumwandlung?

In einem HEV mit einer Architektur für die beiden Spannungen von 12 Volt und 48 Volt verbindet eine bidirektionale Stromversorgung die 12V- und 48V-Systeme, so dass eine Batterie von der anderen wieder aufgeladen werden kann. Sie ermöglicht es auch, dass jede Batterie im Falle einer Überlastung zusätzliche Energie für beide Spannungsschienen liefert (Abbildung 1). Infolgedessen können die Entwickler jeweils kleinere Batterien verwenden, was zu höherer Zuverlässigkeit, größerer Effizienz und geringeren Kosten führt.

Abbildung 1: Eine bidirektionale Stromversorgung als Herzstück einer Zweispannungsarchitektur verbindet die 12V- und 48V-Systeme, so dass jede Batterie von der anderen wieder aufgeladen werden kann und im Falle einer Überlastung zusätzliche Energie liefert. (Bildquelle: Texas Instruments)

In BEVs können Konstrukteure die bidirektionale PFC verwenden, um die bidirektionale Batterieladung sowie den V2G-Betrieb zu unterstützen. Ein V2G-System unterstützt eine höhere Effizienz auf verschiedene Weise:

• Es kann in Zeiten hoher Nachfrage Energie in das Netz zurückführen
• Es kann den Ladestrom der Batterien reduzieren, wenn dies notwendig ist, um die Belastung des Netzes auszugleichen.
• Es ermöglicht die Nutzung des Fahrzeugs zur Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen

Während Zweispannungssysteme in HEVs innerhalb des Fahrzeugs in sich geschlossen sind und den Kraftstoffverbrauch verbessern, ist das bidirektionale Ladegerät in einem V2G-System so ausgelegt, dass es über die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs hinaus weitere Kostenvorteile bringt und mit der Außenwelt verbunden werden kann.

Die Implementierung von V2G erfordert Kommunikationstechnologien und Algorithmen zur Erfassung des Netzstatus sowie die Fähigkeit, eine Verbindung zur Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen herzustellen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Zusätzlich zur bidirektionalen Leistungsumwandlung müssen V2G-Systeme verschiedene Verbindungs- und Kommunikationsstandards beinhalten. (Bildquelle: Honda)

Die sich daraus ergebende V2G-Infrastruktur bringt wirtschaftliche Vorteile mit sich, einschließlich der Fähigkeit, in Zeiten der Spitzennachfrage Strom in das Netz einzuspeisen (wodurch dem Fahrzeugbesitzer potenziell Einnahmen generiert werden) und in Zeiten geringer Stromnachfrage Fahrzeugbatterien aufzuladen (wodurch die Ladekosten der Fahrzeuge gesenkt werden).

Normen im Zusammenhang mit bidirektionaler Leistungsumwandlung

Die Spezifikationen LV148/VDA320 definieren die elektrischen Anforderungen und Testbedingungen für die Kombination eines 48-Volt-Busses und eines 12-Volt-Busses in Zweispannungs-Kfz-Systemen (Abbildung 3). LV148 wurde von den deutschen Automobilherstellern Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen übernommen und gilt sowohl für konventionelle Verbrennungsfahrzeuge als auch für HEVs. Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Artikels ist die Norm ISO 21780 für „Straßenfahrzeuge - Versorgungsspannung von 48 V - Elektrische Anforderungen und Prüfungen„ in Entwicklung.

Abbildung 3: Die LV148/VDA320-Spezifikationen definieren die elektrischen Anforderungen und Testbedingungen für die Kombination eines 48-Volt-Busses und eines 12-Volt-Busses in Zweispannungs-Fahrzeugsystemen; dargestellt ist die Spezifikation für einen 48-Volt-Bus. (Bildquelle: Texas Instruments)

Es gibt mehrere Kommunikationsprotokolle, die auch auf V2G-Systeme anwendbar sind:

• ISO/IEC 15118: Definiert eine V2G-Kommunikationsschnittstelle für das bidirektionale Laden/Entladen von Elektrofahrzeugen. Es verwendet die Breitband-PLC-Spezifikation „IEEE P1901.2 HomePlug Green PHY (HPGP)“ (PLC: Netzleitungskommunikation) als das beste Protokoll, um eine robuste Kommunikation und eine hohe Datenrate zu gewährleisten. HPGP arbeitet bei Frequenzen zwischen 2 MHz und 30 MHz und ermöglicht es dem System, gültige Daten auf einer angeschlossenen Leitung von Rauschen aus anderen nahegelegenen Quellen zu unterscheiden.
• IEC 61850: Definiert Kommunikationsprotokolle für intelligente elektronische Geräte in elektrischen Umspannwerken, die dazu beitragen können, den Energiefluss zwischen erneuerbaren Stromquellen und elektrischen Fahrzeugversorgungsanlagen (EVSE), wie z.B. Ladegeräten, zu steuern.

Abbildung 4: IEC 61850 definiert Leistungs- und Datenflüsse für V2G-Systeme und verwendet die PLC-Spezifikation IEEE P1901.2 HPGP, um eine robuste Kommunikation und eine hohe Datenrate zu gewährleisten. (Bildquelle: IBIS)

Bidirektionale mehrphasige DC/DC-Wandler für 12V/48V-Systeme

Der hohe Leistungspegel eines typischen bidirektionalen 12V/48V-DC/DC-Wandlers führt normalerweise zur Verwendung einer Mehrphasentopologie. Ein Mehrphasendesign verbessert den Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung, indem es eine Phasenabsenkung ermöglicht, wodurch die Anzahl der aktiven Phasen reduziert wird, wenn der Leistungsbedarf sinkt. Mehrphasige Designs ermöglichen auch die Verwendung kleinerer Filterkomponenten an den Ausgängen jeder Phase; die Verwendung kleinerer Induktivitäten verbessert die Leistung bei Lasttransienten. Schließlich führt der Betrieb der Phasen mit der entsprechenden Verschachtelung zu einer geringeren Ausgangswelligkeit.

Der LM5170-Q1 von Texas Instruments ist ein leistungsstarker, mehrphasiger bidirektionaler Stromregler, der die Stromübertragung zwischen dem 48-Volt-Abschnitt und dem 12-Volt-Abschnitt von Kfz-Doppelbatteriesystemen steuern soll (Abbildung 5). Er integriert wesentliche analoge Funktionen, die den Entwurf von Hochleistungswandlern mit einer minimalen Anzahl von externen Komponenten ermöglicht. Mehrphasiger Parallelbetrieb wird durch den Anschluss von zwei LM5170-Q1-Controllern für Drei- oder Vierphasenbetrieb oder durch die Synchronisierung mehrerer Controller mit phasenverschobenen Taktgebern für eine höhere Anzahl von Phasen erreicht.

Abbildung 5: Der mehrphasige bidirektionale Stromregler LM5170-Q1 verwaltet die Stromübertragung zwischen den 48-Volt- und 12-Volt-Abschnitten eines Kfz-Doppelbatteriesystems; die roten Pfeile markieren den bidirektionalen Stromfluss. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der LM5170-Q1 enthält Zweikanal-Differenzstrom-Messverstärker und dedizierte Kanalstrommonitore, um eine typische Stromgenauigkeit von 1% zu erreichen. Robuste Halbbrücken-Gate-Treiber für 5 Ampere (A) sind in der Lage, parallele MOSFET-Schalter mit einer Leistung von 500 Watt oder mehr pro Kanal anzusteuern. Der Diodenemulationsmodus der Synchrongleichrichter verhindert negative Ströme, ermöglicht jedoch auch diskontinuierlichen Betrieb für verbesserte Effizienz bei geringen Lasten. Zu den vielseitigen Schutzfunktionen gehören zyklusweise Strombegrenzung, Überspannungsschutz sowohl an Hochspannungs- als auch an Niederspannungsports, MOSFET-Ausfallerkennung und Übertemperaturschutz. Dieser Regler ist für die funktionale Sicherheit im Automobilbereich geeignet.

Texas Instruments bietet das Evaluierungsmodul LM5170EVM-BIDIR an, mit dem Ingenieure den LM5170-Q1 in Anwendungen mit 12V/48V-Doppelbatteriesystemen evaluieren können. Die beiden Phasen arbeiten im 180˚ Interleaved-Betrieb und teilen sich gleichmäßig einen maximalen Gleichstrom von bis zu 60 A. Dieses Evaluationsmodul enthält auch verschiedene Jumper, um die Schaltung flexibel und bequem so zu konfigurieren, dass sie für viele verschiedene Anwendungsfälle geeignet ist, einschließlich der Möglichkeit, von einem Mikrocontroller (MCU) und leistungsstarken unidirektionalen Abwärts- oder Aufwärtswandlern gesteuert zu werden.

Mehrphasige Master/Slave-Architektur für bidirektionale Wandler

Analog Devices bietet den Abwärts/Aufwärts-Schaltregler LT8708 zur Verwendung in bidirektionalen 12V/48V-Stromwandlern an. Der LT8708 ist ein bidirektionaler 80V-Synchron-Abwärts/Aufwärtsregler mit 4 Schaltern, der Lastströme bis etwa 30 A unterstützt. Für höhere Stromanforderungen kann der LT8708-Master-Controller mit einem oder mehreren Slave-Chips kombiniert werden. Die Verwendung einer Master/Slave-Architektur kann die Lösungskosten in mehrphasigen Designs reduzieren, da ein einziger (teurerer) Master-IC mehrere (kostengünstigere) Slave-ICs steuern kann.

Wenn Slaves an den Master angeschlossen werden, erhöhen sie proportional die Leistung und Stromfähigkeit des Systems. Es ist jedoch wichtig, dass der Slave die gleichen Leitungsmodi wie der LT8708 hat, damit er Strom und Leistung in die gleiche Richtung wie der Master leiten kann. Der Master steuert die Gesamtstrom- und Spannungsgrenzen für ein LT8708-Mehrphasensystem, und die Slaves halten diese Grenzen ein.

Ein Slave kann einfach mit dem LT8708 parallel geschaltet werden, indem vier Signale miteinander verbunden werden (Abbildung 6). Zwei zusätzliche Stromgrenzwerte (für den vorwärtsgerichteten V_IN-Strom und den rückwärtsgerichteten V_IN-Strom) stehen an jedem Slave zur Verfügung, die unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Abbildung 6: Ein Dreiphasen-Gleichspannungswandler mit dem LT8708 (Master) und Slave-ICs hebt die vier Signalverbindungen hervor. (Bildquelle: Analog Devices)

Das Demo-Board DC2719A von Analog Devices verwendet einen LT8708 in Kombination mit einem zugehörigen Slave (LT8708-1), um einen Strom von 40 A zu liefern. Das Board kann sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtsmodus arbeiten. Der Controller hat integrierte Eingangsspannungs- und Ausgangsspannungsregler sowie zwei Sätze von Eingangs- und Ausgangsstromreglern, die den Stromfluss in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung steuern. Funktionen sind enthalten, die die bidirektionale Stromwandlung in Batterie/Kondensator-Reservesystemen und anderen Anwendungen vereinfachen, die u. U. eine Regelung von V_OUT, V_IN, I_OUT und/oder I_IN erfordern.

Bidirektionale Blindleistungskompensation für netzinteraktive BEVs

Für Entwickler von netzinteraktiven BEVs bietet Infineon mit dem Evaluierungsboard EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 einen brückenlosen Totempole-Blindleistungskompensator für 3300 W zur bidirektionalen Leistungsversorgung (Abbildung 7). Dieses brückenlose Totempole-PFC-Board ist für Anwendungen vorgesehen, die einen hohen Wirkungsgrad (ca. 99%) und eine hohe Leistungsdichte (72 Watt pro Kubikzoll) erfordern.

Abbildung 7: Das EVAL3K3WTPPFFCSICTOBO1 ist ein brückenloses Totempole-PFC-Board für 3300 W. (Bildquelle: Infineon)

Die Totempole-Topologie in PFC-Anwendungen mit kontinuierlichem Leitungsmodus (CCM-Betrieb) wird durch die Verwendung von Halbleitern mit großer Bandlücke möglich. In diesem Fall wird der CoolSiC-MOSFET IMZA65R048M1 von Infineon in einem TO-247-Gehäuse mit vier Pins verwendet, um den Wirkungsgrad bei halber Last auf 99 % zu erhöhen. Der Wandler arbeitet ausschließlich bei einer hohen Netzspannung (mindestens 176 Volt effektiv, nominal 230 Volt effektiv) in CCM mit einer Schaltfrequenz von 65 Kilohertz (kHz).

Diese brückenlose bidirektionale Totempole-Komponente (PFC-AC/DC und Inverter-AC/DC) für 3300 W ist eine Systemlösung, die mit Leistungshalbleitern von Infineon sowie Treibern und Controllern von Infineon entwickelt wurde. Zu den im Design verwendeten Infineon-Komponenten gehören:

• ein 64 Milliohm (mΩ) CoolSiC-MOSFET (IMZA65R048M1) für 650 Volt in einem TO-247-Vierpolgehäuse als Totempole-PFC-Hochfrequenzschalter
• ein 17 mΩ CoolMOS-C7-MOSFET (IPW60R017C7) für 600 Volt in einem TO-247-Gehäuse für den Totempole-PFC-Rückweg (Niederfrequenzbrücke)
• isolierte Gate-Treiber (EiceDRIVER) 2EDF7275F
• ein QR-Flyback-Regler ICE5QSAG und ein CoolMOS-P7-MOSFET (IPU95R3K7P7AKMA1) für 950 Volt für die Vorspannungs-Hilfsversorgung
• ein Infineon-Mikrocontroller XMC1404Q048X0200AAXUMA1 für die Implementierung der PFC-Steuerung

Der auf der EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1-Baugruppe implementierte Totempole arbeitet sowohl im Gleichrichter- (PFC) als auch im Umrichterbetrieb in CCM, wobei die vollständige digitale Steuerung mit dem Infineon-Mikrocontroller XMC1404Q048X0200AAXUMA1 implementiert ist.

Fazit

Da Entwickler den Wirkungsgrad verbessern wollen, haben sich duale 12V/48V-Architekturen als Topologie der Wahl für HEVs und BEVs herauskristallisiert. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit eines effizienten Energiemanagements, um ihren Einsatz zu optimieren. Bidirektionale DC/DC-Wandler und Batterieladegeräte haben sich herausgebildet, damit 12-Volt- und 48-Volt-Systeme sich gegenseitig unterstützen können, wenn ein System wieder aufgeladen werden muss oder im Falle einer Überlastung.

Im Falle von BEVs unterstützt eine bidirektionale PFC-Stufe den bidirektionalen Stromfluss zwischen der Batterie und dem Versorgungsnetz. Die sich daraus ergebende V2G-Verbindung bringt wirtschaftliche Vorteile, die über die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs hinausgehen, einschließlich der Fähigkeit, in Zeiten der Spitzennachfrage Strom ins Netz einzuspeisen und in Zeiten geringer Stromnachfrage Fahrzeugbatterien aufzuladen.

Empfohlene Literatur

1. Verwendung spezieller Leistungswandler zur Überbrückung der Lücke zwischen den 12V- und 48V-Systemen in Kraftfahrzeugen
2. Stabilität und Sicherheit mit Elektrofahrzeugen im Smart Grid