Vergessen Sie 400V - 800V ist auf dem Weg
31.10.2022
Das Jahr 1996 war ein bedeutendes Jahr in der Geschichte der Elektrofahrzeuge. Das war das Jahr, in dem der General Motors EV1 auf den Markt kam. Der EV1 war das erste in Serie gefertigte und speziell entwickelte Elektrofahrzeug eines großen Automobilherstellers und das erste Auto von GM, das von Grund auf als Elektrofahrzeug konzipiert war. Diese ersten EV1 verwendeten eine Bleibatterie mit einer Kapazität von 16,5-18,7 kWh und einer Ausgangsspannung von 312V; die Fahrzeuge der Generation 2 verwendeten eine Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Batterie mit 26,4kWh Kapazität. Leider war der Markt nicht bereit für den EV1, und seine Produktion wurde 1999 eingestellt.
Zwanzig Jahre später und obwohl die Batteriechemie heute überwiegend auf Lithium-Ionen (LI-Ion) basiert, sind die anderen Veränderungen bei den Batterien bescheiden. Die Betriebsspannung ist auf ca. 400V gestiegen; die Kapazität kann bei Kleinwagen bis zu 17kWh betragen, obwohl High-End-Batterien für Hochleistungsfahrzeuge 100kWh überschreiten können.
Abgesehen von Durchbrüchen bei der Batterieentwicklung werden die Kapazitäten von Elektroautos voraussichtlich weiterhin schrittweise ansteigen, obwohl sich bei der Betriebsspannung große Veränderungen abzeichnen. Begrüßen Sie eine neue Generation von Elektroautos, wie den in Abbildung 1 gezeigten Taycan von Porsche, der die 400V-Batterie zugunsten eines 800V-Systems aufgibt.
Bei Elektroautos mit 400-Volt-Batterien wird die Ladegeschwindigkeit durch die praktische Größe des Kabels begrenzt, das für den Ladestrom erforderlich ist. Eine Erhöhung des Ladestroms führt zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung in der Batterie. Die Innentemperatur, die den sicheren Betriebsbereich eines Li-Ionen-Akkus überschreitet, kann die Leistung beeinträchtigen; wenn sie zu hoch wird, kann es zu einer exothermen Reaktion, einem thermischen Durchgehen und einem Brand kommen.
Eine höhere Spannung ermöglicht einen geringeren Stromverbrauch beim Laden des Akkus, wodurch die Überhitzung reduziert und die Leistung besser gehalten werden kann. Dies trägt zu einer größeren Reichweite bei. Sie ermöglicht auch eine Gewichtsreduzierung, da weniger Kupfer im elektrischen System des Fahrzeugs benötigt wird. Dies ermöglicht kleinere Motoren, wodurch im Fahrzeug Platz für zusätzliche Batteriekapazitäten zur Erhöhung der Reichweite frei wird.
Daher sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Systems durchwegs hoch. Ein dreiphasiges Hochleistungsladegerät für Elektrofahrzeuge benötigt mechanisch robuste Steckverbindungen sowie ein zuverlässiges elektronisches Sicherheitssystem. Das Batteriemanagementsystem im Auto steht in ständiger Kommunikation mit der Ladestation. Der Strom fließt nur, wenn der Stecker des Ladegeräts sicher in der Ladebuchse sitzt und das Ladegerät ständig ein „Ok“-Signal sendet. Bei einer Unterbrechung des Signals trennt die Ladestation sofort die Verbindung.
Abb. 1: Ein Hochleistungs-EV-Ladegerät benötigt ein zuverlässiges Sicherheits- und Kommunikationssystem. (Quelle: RECOM)
Wie Abbildung 1 zeigt, benötigt ein Hochleistungs-EV-Ladegerät unabhängig von der Ausgangsspannung mehrere interne Stromversorgungen mit geringem Stromverbrauch, um eine fehlertolerante, sichere und zuverlässige Strominfrastruktur zu schaffen. Dazu gehören:
Nicht nur die Ladestationen müssen gründlich überwacht werden, auch die EV-Batterie selbst muss ständig beobachtet werden. Moderne Li-Ionen-Batterien sind in der Regel in mehrere Module unterteilt. Strom, Spannung und Temperatur in jedem Modul müssen separat überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Ladevorgang innerhalb der SOA des Akkus bleibt. Es muss möglich sein, einzelne Module abzuschalten, wenn sie ausfallen, während die gesunden Module weiterhin mit Strom versorgt werden. Ein komplexes elektronisches System ist für die Maximierung der Batterielebensdauer und den Ausfallschutz einzelner Zellen unerlässlich.
Selbst wenn EVs mit 800V-Batterien auf den Markt kommen, werden die meisten Ladegeräte immer noch 400V verwenden, so dass die neuen 800V-EVs entweder ein 400V- oder ein 800V-Ladegerät verwenden können. Andere 400V-Modelle wurden für einen einfachen Übergang zum 800V-Betrieb entwickelt, wenn der Markt dies erfordert.
Der RAC05-xxSK/480 von RECOM wurde zum Beispiel für die Überwachungsaufgabe in dem in Abbildung 2 gezeigten Ladegerät entwickelt. Mit Eingangsspannungen von bis zu 528V AC arbeitet der AC/DC-Wandler und daher kann er problemlos zwischen zwei Phasen im Dreiphasensystem eingesetzt werden.. Der 5W-Wandler ist für Spannungen von bis zu 4kV isoliert und wandelt dreiphasigen Strom in niedrige DC-Spannungen von 5 oder 12VDC für die Überwachungselektronik um. Die Hilfsenergie des AC/DC-Wandlers versorgt das Handshaking-System, das den Stromfluss nur dann zulässt, wenn alles andere in Ordnung ist.
RECOM bietet auch eine nicht isolierte 3,8VDC/3A-Versorgung für die drahtlosen Schnittstellen an: den RPL-3.0, einen winzigen 3mm² Abwärtswandler mit integrierter Induktivität, der über einen einstellbaren Ausgang und umfassenden Schutz (SCP, OLP, OVP, OTP, UVLO) verfügt.
Das Tochterunternehmen von RECOM, Power Control Systems (PCS), kann hochzuverlässige, kundenspezifische Batterieladegeräte, Aufbereiter und bidirektionale Wandler auf der Grundlage bewährter Plattformdesigns von dreiphasigen AC-Versorgungen mit einer Leistung von bis zu 30 kW oder sogar mehr bei parallel geschalteten Einheiten liefern.
Abgesehen von Durchbrüchen bei der Batterieentwicklung werden die Kapazitäten von Elektroautos voraussichtlich weiterhin schrittweise ansteigen, obwohl sich bei der Betriebsspannung große Veränderungen abzeichnen. Begrüßen Sie eine neue Generation von Elektroautos, wie den in Abbildung 1 gezeigten Taycan von Porsche, der die 400V-Batterie zugunsten eines 800V-Systems aufgibt.
Wie eine höhere Spannung die EV-Herausforderungen löst
Warum der Vorstoß zu einer höheren Spannung? Zwei der größten Herausforderungen bei der Einführung von Elektrofahrzeugen sind die begrenzte Reichweite und die langen Ladezeiten. Die ultraschnelle Aufladung kann helfen, beide Probleme zu entschärfen, aber ein DC-Schnellladegerät der aktuellen Generation für ein 400V-EV kann nur 50-60kW Ausgangsleistung liefern, die mit 480+ Volt und 100+ Ampere arbeitet. Damit kann ein Elektrofahrzeug mit einer Batterie mit einer Reichweite von circa 160 Kilometern in etwas mehr als 30 Minuten vollständig aufgeladen werden.Bei Elektroautos mit 400-Volt-Batterien wird die Ladegeschwindigkeit durch die praktische Größe des Kabels begrenzt, das für den Ladestrom erforderlich ist. Eine Erhöhung des Ladestroms führt zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung in der Batterie. Die Innentemperatur, die den sicheren Betriebsbereich eines Li-Ionen-Akkus überschreitet, kann die Leistung beeinträchtigen; wenn sie zu hoch wird, kann es zu einer exothermen Reaktion, einem thermischen Durchgehen und einem Brand kommen.
Eine höhere Spannung ermöglicht einen geringeren Stromverbrauch beim Laden des Akkus, wodurch die Überhitzung reduziert und die Leistung besser gehalten werden kann. Dies trägt zu einer größeren Reichweite bei. Sie ermöglicht auch eine Gewichtsreduzierung, da weniger Kupfer im elektrischen System des Fahrzeugs benötigt wird. Dies ermöglicht kleinere Motoren, wodurch im Fahrzeug Platz für zusätzliche Batteriekapazitäten zur Erhöhung der Reichweite frei wird.
Zuverlässigkeits- und Sicherheitsaspekte für 800V
Neue Generationen von DC-Schnellladegeräten, die mit 800V betrieben werden, können eine Leistung von 150-350kW erzeugen. Aber das Design eines 800V-EVs erfordert sorgfältige neue Überlegungen für alle elektrischen Systeme. DC-Spannungen auf diesem Niveau sind bei Berührung tödlich, auch wenn niedrigere DC-Spannungen normalerweise als sicher gelten.Daher sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Systems durchwegs hoch. Ein dreiphasiges Hochleistungsladegerät für Elektrofahrzeuge benötigt mechanisch robuste Steckverbindungen sowie ein zuverlässiges elektronisches Sicherheitssystem. Das Batteriemanagementsystem im Auto steht in ständiger Kommunikation mit der Ladestation. Der Strom fließt nur, wenn der Stecker des Ladegeräts sicher in der Ladebuchse sitzt und das Ladegerät ständig ein „Ok“-Signal sendet. Bei einer Unterbrechung des Signals trennt die Ladestation sofort die Verbindung.
Abb. 1: Ein Hochleistungs-EV-Ladegerät benötigt ein zuverlässiges Sicherheits- und Kommunikationssystem. (Quelle: RECOM)
- AC/DC-Wandler für Hilfsenergie, Sicherheitsverriegelungen und Steuerkreise mit Überspannungsschutz der Kategorie 3 (OVCIII) gemäß der Sicherheitsnorm IEC62477-1.
- Isolierte DC/DC-Wandler für Gate-Treiber, Sensoren und Eingangsisolierung.
- Nicht isolierte DC/DC-Wandler für die interne verteilte Leistungsarchitektur und Dual-Rail-Analogschaltungen.
Nicht nur die Ladestationen müssen gründlich überwacht werden, auch die EV-Batterie selbst muss ständig beobachtet werden. Moderne Li-Ionen-Batterien sind in der Regel in mehrere Module unterteilt. Strom, Spannung und Temperatur in jedem Modul müssen separat überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Ladevorgang innerhalb der SOA des Akkus bleibt. Es muss möglich sein, einzelne Module abzuschalten, wenn sie ausfallen, während die gesunden Module weiterhin mit Strom versorgt werden. Ein komplexes elektronisches System ist für die Maximierung der Batterielebensdauer und den Ausfallschutz einzelner Zellen unerlässlich.
Selbst wenn EVs mit 800V-Batterien auf den Markt kommen, werden die meisten Ladegeräte immer noch 400V verwenden, so dass die neuen 800V-EVs entweder ein 400V- oder ein 800V-Ladegerät verwenden können. Andere 400V-Modelle wurden für einen einfachen Übergang zum 800V-Betrieb entwickelt, wenn der Markt dies erfordert.
EV-Ladelösungen
Wie kann RECOM helfen? Wir bieten eine Reihe von stromsparenden AC/DC-Modulen, DC/DC-Wandlern und Schaltreglern an, die den Anforderungen von Batterieladeanwendungen für die Hilfsversorgung in einem DC-Schnelladegerät entsprechen.Der RAC05-xxSK/480 von RECOM wurde zum Beispiel für die Überwachungsaufgabe in dem in Abbildung 2 gezeigten Ladegerät entwickelt. Mit Eingangsspannungen von bis zu 528V AC arbeitet der AC/DC-Wandler und daher kann er problemlos zwischen zwei Phasen im Dreiphasensystem eingesetzt werden.. Der 5W-Wandler ist für Spannungen von bis zu 4kV isoliert und wandelt dreiphasigen Strom in niedrige DC-Spannungen von 5 oder 12VDC für die Überwachungselektronik um. Die Hilfsenergie des AC/DC-Wandlers versorgt das Handshaking-System, das den Stromfluss nur dann zulässt, wenn alles andere in Ordnung ist.
RECOM bietet auch eine nicht isolierte 3,8VDC/3A-Versorgung für die drahtlosen Schnittstellen an: den RPL-3.0, einen winzigen 3mm² Abwärtswandler mit integrierter Induktivität, der über einen einstellbaren Ausgang und umfassenden Schutz (SCP, OLP, OVP, OTP, UVLO) verfügt.
Das Tochterunternehmen von RECOM, Power Control Systems (PCS), kann hochzuverlässige, kundenspezifische Batterieladegeräte, Aufbereiter und bidirektionale Wandler auf der Grundlage bewährter Plattformdesigns von dreiphasigen AC-Versorgungen mit einer Leistung von bis zu 30 kW oder sogar mehr bei parallel geschalteten Einheiten liefern.
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