Elektromobilität Ladung an Bord

Bei Elektro- und Hybridfahrzeugen ist das Laden des Akkus immer noch einer der größten Knackpunkte. Am Beispiel eines sehr kompakten Prototyps für einen On-Board-Charger und der dort eingesetzten passiven Bauelemente soll gezeigt werden, welch hohe Anforderungen dort gelten.

Einen On-Board-Charger (OBC) für Elektro- und Hybridfahrzeuge hat vor kurzem die Firma Finepower vorgestellt. Darin übernehmen Bauelemente von Epcos und TDK Schlüsselfunktionen. Dazu zählen Induktivitäten, Übertrager, Kondensatoren und Schutzbauelemente. Das auf Spezifikationen und technischen Rahmenbedingungen der deutschen Automobilindustrie basierende Gerät bietet einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte - beides wichtige Eigenschaften für den Einbau des OBC in Elektrofahrzeuge.

Grundlage dafür waren applikationsspezifisch entwickelte Drosseln und Übertrager, die alle gemäß den Spezifikationen für Zuverlässigkeitstests AEC-Q200 qualifiziert sind. So schützt ein Varistor des Typs »B72220F0271K101« von Epcos den Netzeingang des Wandlers vor Überspannungen. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen hat das Unternehmen die mechanische Stabilität des Bauteils durch eine spezielle Beschichtung merklich verbessert.

Zur Begrenzung der hohen Einschaltströme dient der Einschaltstrombegrenzer (Inrush Current Limiter, ICL) »B57364S1509M« auf NTC-Basis. Um die EMV zu gewährleisten sowie für die EMI-Befilterung griffen die Entwickler bei Finepower auf Standarddrosseln zurück, wie sie auch in industriellen Stromversorgungen verwendet werden.

Bei den X2-Kondensatoren wählten sie die Typen »B32933C3155M« der Heavy-Duty-Serie von Epcos, die sich laut Hersteller durch hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer auszeichnen. Der Zwischenkreis wird mit Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren stabilisiert - die dazu verwendeten Typen sind »B43508-B5337M« beziehungsweise »B43504-B5337M+« von Epcos. Sie bieten bei einer Nennspannung von 450 V eine Kapazität von 330 μF. Parallel dazu werden »Mega Caps« des Typs »CKG57NX7R2J474MT« von TDK geschaltet. Diese gestapelten Keramikkondensatoren sollen den ESR verringern, denn nur so ist es möglich, den Zwischenkreis trotz hoher Leistungsdichte sehr kompakt zu halten.

Beim Design legten die Entwickler bei Finepower besonderes Augenmerk auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Ladegeräts. Um die maximal mögliche Leistung aus dem Netz zu entnehmen, muss das Gerät eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) besitzen. Sie richtet die Wechselspannung aus dem Netz gleich und erzeugt eine interne Zwischenkreisspannung von 400 V, aus der die eigentliche Ladeschaltung versorgt wird. Zum verbreiteten Stand der Technik gehören hier PFC-Schaltungen, die auf dem Prinzip des Hochsetzstellers basieren.

Spezielles PFC-Konzept

Quellen für Verluste bei der Umwandlung der Netzspannung in den 400-V-Zwischenkreis sind EMI-Filter (Kupferverluste), Brückengleichrichter, PFC-Drossel, Leistungsschalter (MOSFET), PFC-Diode und sonstige Verluste, etwa durch Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren im Zwischenkreis, den Shunt, etc. Mit der konventionellen Lösung ergibt sich daher bei einer Eingangsspannung von 230 V je nach Auslegung und Optimierung ein Wirkungsgrad zwischen 96% und 97%.

Bei einer aufgenommenen Leistung von 3,65 kW bedeutet dies, dass zwischen 110 W und 146 W der zugeführten Leistung in Verlustwärme umgewandelt werden, bevor sie am Zwischenkreis zur Verfügung steht.

Um diese Nachteile möglichst zu eliminieren, nutzt Finepower das synchrone Interleaved-PFC-Verfahren (Bild 1).

Diese Topologie arbeitet mit zwei PFC-Stufen, die parallel auf den gemeinsamen Ausgang geschaltet werden

Damit lässt sich der nachteilige Effekt, wenn nur eine PFC-Drossel den vollen Last- und damit auch Ripple-Strom trägt, bereits  halbieren.

Zwar werden im Interleaved-Verfahren zwei Drosseln benötigt, aber sie können für jeweils den halben Strom (8 A Effektivwert bzw. 22 A Spitzenstrom) dimensioniert werden. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung.

Zum Einsatz kommt dabei eine kompakte PFC-Drossel aus der neu entwickelten E-Mobility-Plattform von Epcos (Bild 2).

Diese PFC-Drosseln eignen sich gut für diese Applikation, da durch das geringe Volumen, das spezielles Kernmaterial und den Einsatz einer HF-Litze als Wicklung nur geringe Verluste entstehen.

Bild 3 zeigt das Prinzip der Überlagerung beider Drosselströme.

Messungen am 230-V-Netz zeigen: Bei 40% bis 85% Nennlast (1,3 kW bis 2,8 kW) liegt der Wirkungsgrad der PFC-Stufe oberhalb von 98% und er erreicht bei Volllast (3,3 kW) noch 97,5%.

Gegenüber einer konventionellen PFC-Stufe werden somit allein in dieser ersten Stufe des OBC zwischen 35 W und 70 W Verlustleistung eingespart.


LLC-Wandler für hohen Wirkungsgrad

Gespeist mit der geregelten und stabilisierten Zwischenkreisspannung von 400 V muss der DC/DC-Wandler die Ladespannung für die Batterie mit sicherer galvanischer Trennung vom Netz zur Verfügung stellen. Je nach Ausführung und Ladezustand der Batterie ist der Bereich für die mögliche Ausgangsspannung des OBC auf 200 V bis 420 V festgelegt.

Sowohl der Ladestrom als auch die Ladeschlussspannung müssen sich über die Kommunikationsschnittstelle des Geräts (CAN-Bus) programmieren und kontrollieren lassen. Um die Gesamtverluste des OBC zu minimieren, muss auch der DC/DC-Wandler einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Wegen der notwendigen sicheren galvanischen Trennung in dieser Schaltstufe kann deren Wirkungsgrad nicht ganz so hoch ausfallen wie bei der PFC-Stufe.

Die höchsten Wirkungsgrade bei isolierten DC/DC-Wandlern erreichen nach heutigem Stand der Technik resonante Brückentopologien. Im Wesentlichen kommen hier Phase-Shifting-Converter oder sogenannte LLC-Schaltungen in Frage. Bei beiden Verfahren werden die Transistoren immer dann eingeschaltet, wenn die Drain-Source-Spannung null geworden ist und damit die Verluste in den Halbleitern sehr gering sind.

LLC-Wandler (Bild 4) profitieren davon, dass bei dieser vollresonanten Topologie immer genug Energie im Lastkreis gespeichert ist, um ein eigenständiges Umschwingen der Brückenknoten sicherzustellen. Auch in dieser Schaltstufe werden Induktivitäten aus der E-Mobility-Plattform von Epcos eingesetzt. Die maximale Ausgangsspannung liegt mit 420 V im gleichen Bereich wie die Eingangsspannung in Höhe von 400 V.

Durch die Übertragungsfunktion des LLC-Wandlers lässt sich die Spannung sowohl erhöhen als auch herabsetzen. Es bietet sich an, mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 im Übertrager zu arbeiten, was dessen Verluste minimiert. Der Übertrager auf der Primärseite wird durch die Vollbrücke mit ±400 V betrieben, die sich nach der Brückengleichrichtung auf der Sekundärseite wieder in 400 V umwandeln.

Neben dem Laststrom muss beim LLC-Verfahren auch noch ein wesentlicher Anteil an resonantem Strom übertragen werden, der zu zusätzlichen Leitungsverlusten in Halbleitern, aber auch im Kupfer (Leiterplatte, Resonanzinduktivität, Übertrager) führt. Wird durch eine Vollbrückenschaltung die Spannung auf der Primärseite des Trafos gegenüber einer Halbbrücke verdoppelt, so halbiert sich der Strom.

Durch das gestiegene Übersetzungsverhältnis erhöht sich der Kupferwiderstand (linear), und die Halbleiterstrecken weisen den doppelten RDS(on) auf. Weil die Leitungsverluste quadratisch vom Strom abhängen (PD = I²R), wird unnötige Verlustleistung vermieden. Mit dem Vollbrücken-LLC-Konzept wird im Nennbetrieb (1,2 kW bis 3,3 kW) ein Wirkungsgrad erreicht, der trotz der sicheren Netztrennung durchgängig oberhalb von 97% liegt. Gleichzeitig verbessern sich durch das quasiresonante Vollbrückenprinzip die EMV-Eigenschaften.