Modulares EV-Stromversorgungs-Subsystem

30.01.2024
Zukunftssichere EV-Stromversorgung

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Figur erklimmt die nächste Stufe.
Herausforderung
  • Die Hersteller von Elektrofahrzeugen (EVs) müssen ein wachsendes Spektrum an Lasten und Leistungsdichten unterstützen und gleichzeitig eine robuste Roadmap für äußerst kostensensible Märkte bieten.

Dartscheibe mit Pfeil in der Mitte
Lösung
  • Das Stromversorgungs-Subsystem ist modular aufgebaut, um flexibel den Anforderungen verschiedener Anwendungen zu entsprechen. Es wurde entwickelt, um Synergien zu maximieren, Wiederverwendbarkeit zu fördern und dabei kosteneffizient zu bleiben.

Hand, die mit Zeigefinger wohin zeigt
Anwendung
  • Effektive Überwachung, Steuerung und Kommunikation zur Unterstützung verschiedener Verbraucher in Elektrofahrzeugen.
  • Mehrere Steuergeräte regeln das Sensormanagement, die Daten, die Schnittstelle, die Kommunikation und die Sicherheit.
  • Der Controller Area Network (CAN)-Bus erfordert eine galvanisch getrennte Stromversorgung.
  • Konsolidierung nachgeschalteter Spannungsversorgungen auf einem größeren Leistungswandler, um Größe und Kosten zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern.
  • Einbindung neuester Stromversorgungslösungen in die EV-Roadmap für wirtschaftliche Chancen und Anpassbarkeit.

Teaser

Die Hersteller von Elektrofahrzeugen (EVs) müssen eine ständig wachsende Zahl von Sensoren, Geräten, Computing-Einheiten, Displays, Funkgeräten, Motorantrieben und anderen Verbrauchern unterbringen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Stromversorgungsanforderungen haben können. Neben mehreren Spannungsversorgungen umfassen diese Anforderungen auch isolierte und nicht-isolierte, geregelte und ungeregelte Ausgänge sowie Unterstützung für einen breiten Eingangsspannungsbereich. Ein hoher Wirkungsgrad ist gerade auch in einem Bereich von entscheidender Bedeutung, in dem sich jedes verbrauchte Milliwatt direkt auf die Reichweite des Elektrofahrzeugs (d. h. die Reichweite des „Kraftstoffs“) und damit auf den Wert auswirkt, der dem Endverbraucher geboten wird.

Erschwerend kommt hinzu, dass diese EV-Hersteller (und die Tier-1-Organisationen, die sie unterstützen) Lösungen liefern müssen, die strengen und robusten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards entsprechen (z. B. AEC-Q100-Zertifizierung) und rauen Umgebungen mit großen Temperaturschwankungen widerstehen – und das alles unter Einhaltung strenger Kostenzwänge. Darüber hinaus müssen sie alle Spezifikationen mit einem Design-Flow erfüllen, der in hohem Maße für die Synergetisierung und Wiederverwendbarkeit von Modellen geeignet ist, um eine vorhersehbare und zukunftssichere Produktentwicklungs-Roadmap zu gewährleisten.

Story

Der Power Design Manager (PDM) eines Elektrofahrzeugs muss mit Stromversorgungs-Subsystemlösungen aufwarten, die isolierte CAN-Busse, mehrere Sensor-/ Rechenlasten mit geringerem Stromverbrauch und isolierte Gate-Antriebe für große (im kW-Bereich) und kleine (im zweistelligen Watt-Bereich) Motorantriebe unterstützen. Die neuen regulatorischen Anforderungen, die in allen wichtigen Märkten weltweit in Kraft treten, versuchen, die durch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor entstehenden Probleme im Sinne der Nachhaltigkeit zu entschärfen. Für den PDM bedeutet dies, zusätzlichen Aufwand in eine Strategie zur Entwicklung einer sich schnell entwickelnden und kostenorientierten Produktentwicklungs-Roadmap zu investieren. In Bezug auf Stromversorgungslösungen bedeutet dies vorgefertigte Stromversorgungs-Subsystemblöcke, die zwar standardisiert und kommerzialisiert sein können, aber dennoch ohne Weiteres semi-kundenspezifisch anpassbar sind, um kleinere Änderungen der Lastspannungs-/ Leistungspegel vorzunehmen. Diese Überlegungen gelten auch für die Eingangsspannungsseite, da sich der primäre Spannungsbus des Fahrzeugs nach der Batterie des Elektrofahrzeugs richtet, die im Lauf der Zeit immer größer werden könnte, wenn auch nicht immer in vorhersehbarer Weise.

Genau zu dem Zeitpunkt als der PDM glaubte, praktikable Lösungen vorschlagen zu können, teilte der Produktlinienmanager mit, dass alle vorgeschlagenen Lösungen in hohem Maße synergetisierbar oder wiederverwendbar sein müssen, da die Entwicklungszeiten kurz sind und das nächste Modell schon vor der Tür steht. Darüber hinaus muss der PDM all diese Faktoren sorgfältig berücksichtigen, wenn er eine langfristige Roadmap vorschlägt, die keinerlei Änderungen der Hauptspannungspegel sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangsseite der Leistungswandler verzeiht (d. h. Unterstützung für verschiedene Batteriekonfigurationen, verschiedene Motorantriebe und einen im Lauf der Zeit steigenden Strombedarf für die meisten Verbraucher). Und natürlich wurde der PDM auch nochmal an seine drei wichtigsten Prioritäten erinnert: Kosten, Kosten und Kosten!
Die leicht erhältlichen Evaluation Verification Module (EVM)- Platinen und Referenzdesigns für alle RECOM-Lösungen werden in Betracht gezogen, um eine Komponente schnell und einfach auf den Tisch eines Entwicklers zu bringen, um die vorgeschlagene Stromversorgungslösung zu analysieren und zu verifizieren, ohne sich um das Layout des Designs und die Auswirkungen externer Komponenten/ Faktoren sorgen zu müssen. Auf diese Weise können sich die Entwickler ganz auf die Prüfung ihrer Anwendungen konzentrieren, indem sie die Synergien einer klug konzipierten und vorqualifizierten kommerziellen Standardlösung (COTS) nutzen. In Anbetracht der häufigen Verwendung von CAN-Bussen in der Industrie hat RECOM gemeinsam mit einem führenden Halbleiterhersteller eine CAN-Bus-Referenzplatine mit isolierter Stromversorgung entwickelt, die RECOMs R1SX-3.305/H mit deren CAN-Transceiver kombiniert.

Angesichts des Bedarfs an mehreren CAN-Bussen zur Unterstützung eines Fahrzeugs weiß der PDM, wie wichtig es ist, je nach verfügbarem Platz und Budget mehrere Lösungen zur Auswahl zu haben. RECOM bietet eine Reihe spezieller Optionen für CAN-Bus-Anwendungen an. Der R05CTE05S wird aufgrund seines kosteneffektiven und flachen Package als das primäre Arbeitspferd vorgeschlagen. Obwohl viele der Steuerplatinen eines Elektrofahrzeugs in engen Räumen untergebracht sind, bietet das 2,5mm hohe SOIC-Package mit 16 Pins dem CAN-Bus-Transceiver einen Treiber, der die Gesamthöhe der Unterbaugruppe nicht vergrößert. Außerdem musste einer der PDM-Designer die CAN-Bus-Stromversorgung von einem gemeinsamen 3,3V-Eingang mit einer CPU beziehen, somit wurde der R1SX-3.305/H vorgeschlagen - eine Lösung, die der Designer bereits für das EVM des führenden Halbleiterherstellers qualifiziert hatte. RECOM war sich der Notwendigkeit von Flexibilität und Wachstumspotenzial bewusst, informierte das Unternehmen und den PDM auch über die R1DX-Baureihe für den Fall, dass eine isolierte Lösung mit zwei Ausgängen (+/- Vout) benötigt wurde (d. h. analoge Sensoren mit +/- 10V).

Die Anforderungen an die Ausgangsisolierung können je nach Last variieren, daher sucht der PDM nach vorgelagerten, nicht-isolierten Lösungen, die verschiedene Leistungsstufen, Package-Größen, Wirkungsgrad-/ Wärmehüllkurven und Preispunkte bieten. Obwohl der 12V-Hauptbus derzeit im Sortiment am weitesten verbreitet ist, ist es in der Roadmap des Unternehmens und in der gesamten EV-Branche hinreichend dokumentiert, dass die Spannungspegel des Hauptbusses erhöht werden (24 und mehr Volt), um hochentwickelte Stromverteilungsregimes zu berücksichtigen. Diese Änderung zielt darauf ab, entweder mehr Leistung mit weniger Strom zu liefern und/ oder den Spannungsabfall längerer Verdrahtungswege zu berücksichtigen. Man muss bedenken, wie viele Verdrahtungen in einem Fahrzeug verbaut sind und wie sich das direkt auf das Gewicht und damit auf die Reichweite auswirkt. Der PDM weiß auch, dass Leistungsbudgets und Lastanforderungen von Systemen im Lauf der Zeit eher zunehmen, auch wenn die Leistungswandler dichter und effizienter werden.
Um diesen Erfordernissen Rechnung zu tragen, haben die RECOM-Ingenieure verschiedene Lösungen entwickelt, die für nicht-isolierte Anwendungen mit breiten und sich verändernden Eingangsspannungsbereichen optimiert sind. Bei diesen Lösungen wurde in erster Linie auf hohe Effizienz geachtet, und die Standardschutzfunktionen (SCP, OCP, OTP, UVLO) wurden in platz- und kostenoptimierte Optionen – insbesondere für Automobil- und Industrieanwendungen – integriert. In diesem niedrigeren Leistungsbereich bietet das RPMB5.0-3.0 eine Leistung von 15W in einem EMI-abgeschirmten Drop-in-LGA-Modul mit 25 Pads. Für die Unterbaugruppen kleinerer Prozessoren, Sensoren und Schnittstellen, die nur <10W an geregelter, nicht-isolierter Leistung benötigen, kann der RPX-1.5Q bis zu 36 Vin aufnehmen und trotzdem noch 7,5W an geregelter Leistung in einem kompakten 3 x 5 x 1,6mm großen, thermisch verbesserten QFN-Modul bereitstellen. Ungeachtet der Auswahl der vorgelagerten Komponenten erachtet der PDM es für kosteneffektiver und platzsparender, die auf die Bedürfnisse isolierter Spannungsversorgungen zugeschnittenen nachgeordneten Wandler mit geringerer Leistung nur bei Bedarf hinzuzufügen.

Und schließlich besteht eine der größten Herausforderungen darin, dass der PDM unterschiedlichste Wünsche nach isolierten Gate-Treibern zum Ansteuern der vielen Arten von Leistungsschaltern, die im Fahrzeug verwendet werden, erfüllen muss. Motortreiberschaltungen (d. h. gemeinsame Wechselrichterschaltungen) werden für viele Arten von Motoren verwendet – von <10W für ein Gebläse bis zu vielen kW für einen elektrifizierten Antriebsstrang, und noch vieles dazwischen. Der Schlüssel zur Optimierung des Motorantriebs für jede Anwendung liegt in der sorgfältigen Auswahl und Kontrolle der Leistungsschalter. Traditionell wurden für leistungsschwächere Anwendungen MOSFETs auf Si-Basis und für leistungsstärkere Anwendungen IGBTs auf Si-Basis verwendet. In den zurückliegenden Jahren (und natürlich auch mit Blick auf die Zukunft) haben sich die Leistungsschalter jedoch zu Wide-Bandgap-Bauteilen entwickelt, wie z. B. solchen aus GaN und SiC.

Wünsche dieser Art sind sehr häufig und führen oft zu Frustration bei den Entwicklern, die Lösungen für die verschiedenen benötigten Gate-Ansteuerspannungen der einzelnen Leistungsschaltertypen entwickeln müssen. RECOM konnte die Herausforderung, vor der der PDM stand, nachvollziehen und verstand, wie schwierig die Entwicklung und Qualifizierung eines isolierten Gate-Treibers für einen einzelnen Schaltertyp sein kann – ganz zu schweigen von all den anderen, bereits angesprochenen Problemen. Darum führte RECOM einen brandneuen, universellen isolierten Gate-Treiber ein, der leicht für jeden der genannten Schaltertypen programmiert werden kann (und sogar die Flexibilität besitzt, einige noch nicht existierende Typen zu unterstützen). Die Grundlage bildet eine identische Lösung, bei der nur vier Widerstände geändert werden müssen, um die geforderten asymmetrischen Versorgungsspannungen für jeden Schaltertyp zu programmieren. Der R24C2T25S unterstützt alle 24 Eingänge und ist damit sowohl mit dem heutigen 12V-Hauptbus als auch mit dem 24V-Hauptbus der nächsten Generation kompatibel.

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