Wie die Elektronik das Auto verändert
10.07.2019
Keine Frage. Das Auto hat in den vergangenen 100 Jahren die Welt verändert. Doch nun scheint der Trend zu immer schnelleren und größeren Modellen gebrochen. Klimawandel und knapper werdenden Ressourcen zwingen zum Umdenken. Statt Pferdestärken definieren zunehmend „Elektronen“ die Leistungsfähigkeit eines Autos. Dabei bieten sich interessante Applikationen für modulare Spannungswandler.
Die Leistungselektronik des an der Hochschule München entwickelten FSE-Boliden wird je Rad über 6 hoch isolierte DC/DC-Wandler aus dem Hause TRECOM versorgt (Foto Munich Motorsport)
Wer glaubte, eine studierte Physikerin an den Schalthebeln der Macht könne in Deutschland eine schnelle Wende hin zum E-Auto bewirken, sieht sich getäuscht. Hatte die Politik für 2020 ursprünglich 1 Million E-Cars prognostiziert, kamen im vergangenen Jahr nur rund 50.000 Exemplare neu hinzu - die Zahl „hybrider Kompromisse“ zur Hälfte eingerechnet. Warum läuft der Umstieg so zäh, obwohl Politik und Umweltaktivisten scheinbar am gleichen Strang ziehen? Dafür gibt es eine ganze Reihe von Gründen:
Angesichts dieser Tatsachen kann es kaum überraschen, wenn sich die Begeisterung für E-Mobility in Grenzen hält. Fast scheint es so, als sei die Zeit noch nicht ganz reif für batteriebetriebenes Fahren. Insbesondere wenn man bedenkt, dass der Akku für 400km Reichweite 600 Kilo wiegt. Dieses Gewicht muss ständig bewegt werden und drückt die Effizienz. Dass E-Motoren zusammen leichter sind als der Antrieb herkömmlicher Autos, ist nur ein schwacher Trost – auch wenn ein Teil der Energie beim Bremsen rückgewonnen werden kann.
Wo Spannungswandler zum Einsatz kommen
Bevor ein E-Auto mit vollem Akku starten kann, ist eine Ladeelektronik gefragt, die Wechselspannung aus dem Netz in eine hohe Gleichspannung wandelt und den Ladevorgang steuert und überwacht. Für kleinere Elektroautos, die über Nacht in der Garage aufgeladen werden sollen, genügt eine herkömmlichen 230V-Steckdose. Die Ladeelektronik wird im Auto mitgeführt. Bei maximal 2,3KW Leistung dauert ein Ladevorgang viele Stunden.
Schneller geht es an öffentliche Ladesäulen und Schnelllade-Stationen, die es auf bis über 100kW bringen. Damit lässt sich ein Akku mit 85kWh Kapazität in einer knappen Stunde „betanken“. Mit noch im Entwicklungsstadium befindlichen „Ultra High Power“-Stationen werden Leistungen bis 400kW möglich. Damit lässt sich der Ladevorgang auf rund 15 Minuten beschleunigen – auf eine Zeitspanne also, die sich nach einigen hundert Kilometern leicht für eine kurze Rast einplanen lässt.
Abb.1: In Ladesäulen sorgen Spannungswandler für die erforderliche, hohe Isolation.
Alle größeren Lade-Stationen „betanken“ die Autos mit Gleichspannung. Aktuell sind 400V der Standard - 800V in einiger Zukunft möglich. Spannungen dieser Größe sind bei Berührung tödlich, auch wenn „Gleichspannungen“ im privaten Umfeld tendenziell als ungefährlich eingeschätzt werden. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Betriebssicherheit des gesamten Systems.
Hierfür werden nicht nur mechanisch robuste Steckverbindungen benötigt, sondern auch ein zuverlässiges elektronisches Sicherheitssystem. Dabei kommuniziert das Batteriemanagement-System im Fahrzeug permanent mit der Ladestation. Der Stromfluss darf erst freigegeben werden, wenn der Ladestecker sicher in der Ladebuchse eingerastet ist und die Batterie dem Ladegerät permanent ein „ok“ meldet. Bleibt diese Meldung während des Ladevorgangs aus, wird die Ladestation sofort spannungsfrei geschaltet.
Für solche Überwachungsaufgaben wurde RECOM‘s RAC05-xxSK/480 entwickelt (Abb.2). Der AC/DC Wandler arbeitet mit Eingangsspannungen bis 528Vac – kann also problemlos zwischen zwei Phasen des Drehstromnetzes betrieben werden. Der 5W-Wandler ist bis 4kV isoliert und macht aus Drehstrom niedrige Gleichspannungen von 5 oder 12Vdc zur Versorgung der Überwachungselektronik. Die „Hilfsspannung“ des AC/DC-Wandlers versorgt das „Handshaking“ System, das erst dann Starkstrom fließen lässt, wenn alles in Ordnung ist.
Abb.2: RECOM’s RAC05-xxSK/480 wandelt 480V Drehstrom in Gleichspannungen von 5V oder 12V. Der 5W-Wandler arbeitet im Temperaturbereich von -40°C bis +80°C.
Umfassende Überwachungsfunktionen sind aber nicht nur in der Ladestation erforderlich – auch die Batterie selbst muss ständig „unter Beobachtung“ stehen. Ein hochentwickeltes Li-Ion-Batteriepack ist üblicherweise in mehreren Modulen organisiert. Strom, Spannung und Temperatur jedes Moduls muss separat überwacht werden, um einen schonenden Ladevorgang gewährleisten zu können. Einzelne Module müssen sich im Falle eines Defektes elektrisch abschalten lassen, damit die „gesunden“ Module weiter Energie liefern können. Ohne ein komplexes elektronisches System wäre eine hohe Akku-Lebensdauer und ein Schutz gegen das Versagen einzelner Zellen nicht zu gewährleisten.
Für Applikationen im Bereich Batteriemanagement hat RECOM schon eine Reihe isolierter DC/DC-Wandler mit 1 Watt Leistung in E-Autos im Einsatz. Dabei benötigt jedes Akku-Modul einen eigenen DC/DC-Wandler, um die auf unterschiedlich hohen Potenzialen „floatende“ Überwachungselektronik zuverlässig vom CAN-Bus zu isolieren. Die RECOM Wandler sind mit 5,2kVDC isoliert und Hi-Pot getestet.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für hoch isolierte DC/DC-Wandler findet sich in der Ansteuerung von Leistungshalbleitern in der Ladesäule. Hierfür kommen schnelle IGBT, SiC und Si-MOSFETs oder GaN-FETs zum Einsatz, die über Gate-Treiber angesteuert werden. Diese müssen mit je einer positiven und negativen Spannung versorgt werden, um den Schaltvorgang zu beschleunigen und Fehlzündungen zu vermeiden.
Da die Leistungsschalter auf hohem Potenzial „floaten“, muss die Spannungsversorgung der Treiber sehr gut isoliert sein. Für solche Aufgaben hat RECOM duale, „reinforced“ isolierte DC/DC-Wandler mit Ausgangsspannungen von +15V/-9V (IGBT), +15V/-3V und +20V/-5V (SiC) sowie +6V/+9V (GaN) entwickelt. Diese Wandler verfügen über besonders niedrige Koppel-Kapazitäten, um eine hohe Lebensdauer des Systems zu gewährleisten.
Abb 3.: Hoch isolierte DC/DC-Wandler mit dualen Ausgängen versorgen IGBT-, SiC- oder GaN-Treiber potenzialfrei mit Spannung.
Rennsport sorgt für Innovationen
Generell lässt sich der technologische Wandel sehr gut im Rennsport verfolgen. In der Formel kann ohne elektrische Zusatzpower kein Rennen mehr gewonnen werden. Große Fortschritte macht auch die Formel E, die komplett elektrisch fährt. Musste hier vor Jahresfrist noch zur Rennmitte das Auto gewechselt werden, so reicht eine Batterieladung inzwischen für ein komplettes Rennen.
Auch an Universitäten wird fleißig an der Zukunft gearbeitet. An der Hochschule München entwickeln Studenten in Zusammenarbeit mit municHMotorsport einen elektrisch betriebenen Rennwagen, der in der Formula Student Electric (FSE) zum Einsatz kommt. In der Steuerelektronik der vier in den Radnaben sitzenden Drehstrommotoren verrichten insgesamt 24 isolierte DC/DC-Wandler der RxxP2xx-Familie aus dem Hause RECOM ihren Dienst. Der Bolide, der auf der electronica 2018 auf dem RECOM-Stand zu sehen war, leistet 174 PS und beschleunigt in weniger als 2 Sekunden von 0 auf 100km/h.
Ausblick
Weltweit arbeiten Forscher mit Hochdruck an verbesserten Technologien für die Elektromobilität - nicht zuletzt in China. Dabei ist noch nicht entschieden, ob Lithium-Ionen-Akkus der Weisheit letzter Schluss sein werden. Hohes Potenzial sehen Forscher am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung in der Entwicklung neuartiger Feststoffbatterien. Alle Komponenten sind aus Phosphatverbindungen gefertigt. Probleme mit limitierten Ressourcen scheint es hier nicht zu geben. Da keine flüssigen Materialien verwendet werden, sollen sie sicherer und langlebiger sein als Lithium-Ionen-Akkus.
Auch mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen werden noch gute Chancen eingeräumt. An der Friedrich Alexander Universität Erlangen forscht man an einem sicheren „Treibstoff“, bei dem der Wasserstoff organisch in Öl gebunden ist. Solche „Liquid Organic Hydrogen Carriers“ (LOHC) sind weder brennbar noch giftig. Sie können wie Benzin in normale Tanks gefüllt werden. Die für eine Reichweite von 600 – 800km benötigte Menge entspricht in etwa der von Benzin. Zum Betanken mit LOHC könnte sogar das vorhandene Tankstellennetz genutzt werden.
Der Antrieb aber wird in jedem Fall elektrisch sein – die Steuerung, Überwachung und Kommunikation elektronisch. Dafür wird eine Vielzahl innovativer Spannungswandler gebraucht, weshalb RECOM der E-Mobility ein besonderes Augenmerk schenkt.
RECOM: We Power your Products
Wer glaubte, eine studierte Physikerin an den Schalthebeln der Macht könne in Deutschland eine schnelle Wende hin zum E-Auto bewirken, sieht sich getäuscht. Hatte die Politik für 2020 ursprünglich 1 Million E-Cars prognostiziert, kamen im vergangenen Jahr nur rund 50.000 Exemplare neu hinzu - die Zahl „hybrider Kompromisse“ zur Hälfte eingerechnet. Warum läuft der Umstieg so zäh, obwohl Politik und Umweltaktivisten scheinbar am gleichen Strang ziehen? Dafür gibt es eine ganze Reihe von Gründen:
- Reichweite und fehlende Ladestationen: Die Kapazität aktuell verfügbarer „Lithium-Ionen-Tanks“ reicht kaum aus, sorglos ins Wochenende zu starten. Insbesondere im Sommer und im Winter nicht, wenn der Innenraum klimatisiert werden muss. Hinzu kommt, dass Deutschland noch ausgesprochen dünn mit Schnellladestationen „besiedelt“ ist – vor allem im ländlichen Bereich. Ist man fündig geworden, wartet man fast eine Stunde lang auf den „Sprit“ für weitere zwei Fahrtstunden! So taugen reine Elektroautos eigentlich nur als Zweitwagen für die Stadt.
- Elektroautos sind noch zu teuer: Selbst mit staatlichen Subventionen sind E-Autos noch zu teuer für den Massenmarkt. Hinzu kommt, dass der Strompreis in Deutschland besonders hoch ist. Bei 30 Cent/kWh spart man im Vergleich zum Diesel gerade noch 30%. Dies lohnt bei großen Strecken, aber kaum bei einem Zweitwagen für die Stadt.
- Begrenzte Akku-Lebensdauer: Zwar spart man bei E-Autos Wartungskosten wie z.B. für einen Ölwechsel – dafür drohen aber schon nach vergleichsweise wenigen Jahren hohe Kosten für den Austausch des Akku-Packs. Der Wert eines sechs Jahre alten „Stromers“ mit Originalbatterie dürfte dann auf wenige 1000 Euro fallen, weil potenzielle Käufer die Kosten für den bevorstehenden Batteriewechsel einkalkulieren werden.
- E-Mobility ist nicht so sauber wie ihr Ruf: Auch wenn E-Autos keinen „Auspuff“ haben, sind sie nicht annähernd so sauber wie ihr Ruf! So werden die für Lithium-Ionen-Akkus benötigten Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und Nickel in Ländern abgebaut, in denen der Umweltschutz nicht gerade hoch auf der Prioritätenliste steht. Außerdem werden bei der Produktion von 1 kWh Akku-Kapazität durchschnittlich mehr als 100kg CO2 freigesetzt. Auch der Strom für die Akku-Ladung ist erst dann emissionsfrei zu haben, wenn er aus regenerativen Quellen kommt.
- Rohstoffe sind nicht unbegrenzt verfügbar: Niemand weiß, wie lange die Vorkommen für Lithium und andere Rohstoffe auszureichen werden, um den Bedarf weltweiter E-Mobilität zu decken. Werden die Ressourcen knapper, könnten die Preise für Akkus eher steigen als fallen. Zumal sie im Lebenszyklus eines E-Autos mindestens ein Mal ersetzt werden müssen. Zwar lässt sich ein Teil der Rohstoffe durch Recycling rückgewinnen, aber dieser Prozess ist aufwändig und teuer.
Angesichts dieser Tatsachen kann es kaum überraschen, wenn sich die Begeisterung für E-Mobility in Grenzen hält. Fast scheint es so, als sei die Zeit noch nicht ganz reif für batteriebetriebenes Fahren. Insbesondere wenn man bedenkt, dass der Akku für 400km Reichweite 600 Kilo wiegt. Dieses Gewicht muss ständig bewegt werden und drückt die Effizienz. Dass E-Motoren zusammen leichter sind als der Antrieb herkömmlicher Autos, ist nur ein schwacher Trost – auch wenn ein Teil der Energie beim Bremsen rückgewonnen werden kann.
Wo Spannungswandler zum Einsatz kommen
Bevor ein E-Auto mit vollem Akku starten kann, ist eine Ladeelektronik gefragt, die Wechselspannung aus dem Netz in eine hohe Gleichspannung wandelt und den Ladevorgang steuert und überwacht. Für kleinere Elektroautos, die über Nacht in der Garage aufgeladen werden sollen, genügt eine herkömmlichen 230V-Steckdose. Die Ladeelektronik wird im Auto mitgeführt. Bei maximal 2,3KW Leistung dauert ein Ladevorgang viele Stunden.
Schneller geht es an öffentliche Ladesäulen und Schnelllade-Stationen, die es auf bis über 100kW bringen. Damit lässt sich ein Akku mit 85kWh Kapazität in einer knappen Stunde „betanken“. Mit noch im Entwicklungsstadium befindlichen „Ultra High Power“-Stationen werden Leistungen bis 400kW möglich. Damit lässt sich der Ladevorgang auf rund 15 Minuten beschleunigen – auf eine Zeitspanne also, die sich nach einigen hundert Kilometern leicht für eine kurze Rast einplanen lässt.
Abb.1: In Ladesäulen sorgen Spannungswandler für die erforderliche, hohe Isolation.
Alle größeren Lade-Stationen „betanken“ die Autos mit Gleichspannung. Aktuell sind 400V der Standard - 800V in einiger Zukunft möglich. Spannungen dieser Größe sind bei Berührung tödlich, auch wenn „Gleichspannungen“ im privaten Umfeld tendenziell als ungefährlich eingeschätzt werden. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Betriebssicherheit des gesamten Systems.
Hierfür werden nicht nur mechanisch robuste Steckverbindungen benötigt, sondern auch ein zuverlässiges elektronisches Sicherheitssystem. Dabei kommuniziert das Batteriemanagement-System im Fahrzeug permanent mit der Ladestation. Der Stromfluss darf erst freigegeben werden, wenn der Ladestecker sicher in der Ladebuchse eingerastet ist und die Batterie dem Ladegerät permanent ein „ok“ meldet. Bleibt diese Meldung während des Ladevorgangs aus, wird die Ladestation sofort spannungsfrei geschaltet.
Für solche Überwachungsaufgaben wurde RECOM‘s RAC05-xxSK/480 entwickelt (Abb.2). Der AC/DC Wandler arbeitet mit Eingangsspannungen bis 528Vac – kann also problemlos zwischen zwei Phasen des Drehstromnetzes betrieben werden. Der 5W-Wandler ist bis 4kV isoliert und macht aus Drehstrom niedrige Gleichspannungen von 5 oder 12Vdc zur Versorgung der Überwachungselektronik. Die „Hilfsspannung“ des AC/DC-Wandlers versorgt das „Handshaking“ System, das erst dann Starkstrom fließen lässt, wenn alles in Ordnung ist.
Abb.2: RECOM’s RAC05-xxSK/480 wandelt 480V Drehstrom in Gleichspannungen von 5V oder 12V. Der 5W-Wandler arbeitet im Temperaturbereich von -40°C bis +80°C.
Umfassende Überwachungsfunktionen sind aber nicht nur in der Ladestation erforderlich – auch die Batterie selbst muss ständig „unter Beobachtung“ stehen. Ein hochentwickeltes Li-Ion-Batteriepack ist üblicherweise in mehreren Modulen organisiert. Strom, Spannung und Temperatur jedes Moduls muss separat überwacht werden, um einen schonenden Ladevorgang gewährleisten zu können. Einzelne Module müssen sich im Falle eines Defektes elektrisch abschalten lassen, damit die „gesunden“ Module weiter Energie liefern können. Ohne ein komplexes elektronisches System wäre eine hohe Akku-Lebensdauer und ein Schutz gegen das Versagen einzelner Zellen nicht zu gewährleisten.
Für Applikationen im Bereich Batteriemanagement hat RECOM schon eine Reihe isolierter DC/DC-Wandler mit 1 Watt Leistung in E-Autos im Einsatz. Dabei benötigt jedes Akku-Modul einen eigenen DC/DC-Wandler, um die auf unterschiedlich hohen Potenzialen „floatende“ Überwachungselektronik zuverlässig vom CAN-Bus zu isolieren. Die RECOM Wandler sind mit 5,2kVDC isoliert und Hi-Pot getestet.
Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet für hoch isolierte DC/DC-Wandler findet sich in der Ansteuerung von Leistungshalbleitern in der Ladesäule. Hierfür kommen schnelle IGBT, SiC und Si-MOSFETs oder GaN-FETs zum Einsatz, die über Gate-Treiber angesteuert werden. Diese müssen mit je einer positiven und negativen Spannung versorgt werden, um den Schaltvorgang zu beschleunigen und Fehlzündungen zu vermeiden.
Da die Leistungsschalter auf hohem Potenzial „floaten“, muss die Spannungsversorgung der Treiber sehr gut isoliert sein. Für solche Aufgaben hat RECOM duale, „reinforced“ isolierte DC/DC-Wandler mit Ausgangsspannungen von +15V/-9V (IGBT), +15V/-3V und +20V/-5V (SiC) sowie +6V/+9V (GaN) entwickelt. Diese Wandler verfügen über besonders niedrige Koppel-Kapazitäten, um eine hohe Lebensdauer des Systems zu gewährleisten.
Abb 3.: Hoch isolierte DC/DC-Wandler mit dualen Ausgängen versorgen IGBT-, SiC- oder GaN-Treiber potenzialfrei mit Spannung.
Rennsport sorgt für Innovationen
Generell lässt sich der technologische Wandel sehr gut im Rennsport verfolgen. In der Formel kann ohne elektrische Zusatzpower kein Rennen mehr gewonnen werden. Große Fortschritte macht auch die Formel E, die komplett elektrisch fährt. Musste hier vor Jahresfrist noch zur Rennmitte das Auto gewechselt werden, so reicht eine Batterieladung inzwischen für ein komplettes Rennen.
Auch an Universitäten wird fleißig an der Zukunft gearbeitet. An der Hochschule München entwickeln Studenten in Zusammenarbeit mit municHMotorsport einen elektrisch betriebenen Rennwagen, der in der Formula Student Electric (FSE) zum Einsatz kommt. In der Steuerelektronik der vier in den Radnaben sitzenden Drehstrommotoren verrichten insgesamt 24 isolierte DC/DC-Wandler der RxxP2xx-Familie aus dem Hause RECOM ihren Dienst. Der Bolide, der auf der electronica 2018 auf dem RECOM-Stand zu sehen war, leistet 174 PS und beschleunigt in weniger als 2 Sekunden von 0 auf 100km/h.
Ausblick
Weltweit arbeiten Forscher mit Hochdruck an verbesserten Technologien für die Elektromobilität - nicht zuletzt in China. Dabei ist noch nicht entschieden, ob Lithium-Ionen-Akkus der Weisheit letzter Schluss sein werden. Hohes Potenzial sehen Forscher am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung in der Entwicklung neuartiger Feststoffbatterien. Alle Komponenten sind aus Phosphatverbindungen gefertigt. Probleme mit limitierten Ressourcen scheint es hier nicht zu geben. Da keine flüssigen Materialien verwendet werden, sollen sie sicherer und langlebiger sein als Lithium-Ionen-Akkus.
Auch mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen werden noch gute Chancen eingeräumt. An der Friedrich Alexander Universität Erlangen forscht man an einem sicheren „Treibstoff“, bei dem der Wasserstoff organisch in Öl gebunden ist. Solche „Liquid Organic Hydrogen Carriers“ (LOHC) sind weder brennbar noch giftig. Sie können wie Benzin in normale Tanks gefüllt werden. Die für eine Reichweite von 600 – 800km benötigte Menge entspricht in etwa der von Benzin. Zum Betanken mit LOHC könnte sogar das vorhandene Tankstellennetz genutzt werden.
Der Antrieb aber wird in jedem Fall elektrisch sein – die Steuerung, Überwachung und Kommunikation elektronisch. Dafür wird eine Vielzahl innovativer Spannungswandler gebraucht, weshalb RECOM der E-Mobility ein besonderes Augenmerk schenkt.
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