Das Ende der 12-V-Bleibatterie

Mit der HV-Batterie effizient 12 V bereitstellen

16. September 2022, 9:00 Uhr | Autor: Nicolas Richard, Redaktion: Irina Hübner
Wie man die Hochspannungs-Batterie eines EV zur effizienteren Bereitstellung von 12 V nutzt.
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Gemäß einer EU-Verordnung dürfen Neuwagen ab 2030 keine Blei-Säure-Batterien mehr enthalten. Das stellt OEMs vor die Aufgabe, alternative Lösungen zu finden. Damit entsteht auch die Chance, umweltschädliche Batterien abzuschaffen, das Fahrzeug-Gewicht zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern.

Die 12-V-Batterie und das Stromversorgungsnetz (Power Delivery Network, PDN) sind weltweit standardisiert. Sie unterstützen Hunderte von Lasten. Zu diesen zählen auch etliche sicherheitsrelevante Verbraucher, so dass eine Lösung sowohl innovativ als auch robust sein muss. Leistungsmodule mit hoher Integrationsdichte, Leistung und Effizienz stellen die Verbindung zwischen Hochspannungs-, 48-V- und 12-V-PDNs her und bieten die flexibelste und skalierbarste Lösung für diese kommende Herausforderung.

Bei der Auswahl potenzieller Lösungen müssen OEMs einige wichtige Faktoren berücksichtigen: Mehr Leistung zur Unterstützung neuer Funktionen mit besserer Performance, höhere Effizienz für größere Reichweite, besseres Wärmemanagement, Reduzierung des CO2-Ausstoßes, Optimierung der Kabelführung, Verringerung des Kabelbaum-Gewichts und Erfüllung der EMI-Anforderungen sind nur einige Variablen dieser komplexen Gleichung.

Als Lösung bieten sich zwei Hauptoptionen an. Eine Möglichkeit ist ein Ersetzen der 12-V-Bleisäure-Batterie durch eine 12-V-Li-Ionen-Batterie. Dies bringt zwar eine leichte Gewichtsreduzierung, behält aber das jahrzehntealte Erbe der 12-V-PDN bei und liefert damit keine zusätzlichen Vorteile. Die andere Option ist die Unterstützung eines 12-V-PDN, das von der 400-V- oder 800-V-Primärbatterie in EV und HEV/PHEV gespeist wird. Letztere Option bringt viele Vorteile mit sich – beide aber verdienen eine weitere Untersuchung.

Wechsel zu einer 12-V-Li-Ionen-Batterie

Einfach die 12-V-Blei-Säure-Batterie durch eine 12-V-Li-Ionen-Batterie zu ersetzen, spart ca. 55 % Gewicht, verursacht aber hohe Kosten. Die 12-V-Li-Ionen-Batterie benötigt ein Batteriemanagementsystem (BMS) zur Steuerung des Ladevorgangs und zur Sicherung des vollen Batteriebetriebs über die gesamte Fahrzeuglebensdauer. Tesla und Hyundai haben sich beispielsweise für diesen Weg entschieden.

Darüber hinaus benötigt man einen sperrigen DC/DC-Wandler von HV auf 12 V (mit Spannungs- und Stromregelfunktion) zum Aufladen der 12-V-Li-Ionen-Batterie und zur Versorgung der elektrischen Verbraucher. Dies bringt jedoch keinen zusätzlichen Nutzen, erhöht vielmehr das Gewicht, die Komplexität des Fahrzeugs sowie die Systemkosten und verringert die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs insgesamt. Ein Verzicht auf die 12-V-Batterie bedeutet dagegen eine Gewichtsersparnis von 13 kg und kann den Nutzraum des Fahrzeugs um 2,4 % vergrößern.

Herkömmliche 12-Volt-PDNs sind ineffizient

Wer an einer physischen 12-V-Batterie festhält, betreibt ein ineffizientes PDN mit unnötiger Redundanz. In einem typischen 12-V-Kfz-PDN enthalten alle an den 12V-Bus angeschlossenen 12-V-Lasten interne Vorregler, die einen weiten Eingangsspannungsbereich von typisch 6 bis 16 V in geregelte Stromschienen-Spannungen von 5 V, 3,3 V oder niedriger umwandeln können. Aus Sicht des Gesamtsystems für ein EV, HEV oder PHEV führt dies zu redundanten Serienreglerstufen. Ein DC/DC-Wandler, der Hochspannung in 12 V umwandelt, regelt den 12-V-Bus (mit Effizienzverlusten), der Vorregler liefert die geeignete interne Schienenspannung für jede Last (Bild 1).

Diese traditionelle Architektur stammt noch aus der Zeit, als Fahrzeuge eine Lichtmaschine besaßen und ein empfindliches 12-V-Gleichstromnetz, das geregelt werden musste, um die Batterie zu laden, das Radio während des Startvorgangs in Betrieb oder Glühbirnen-Scheinwerfer auf der richtigen Intensität zu halten. OEMs waren sehr kreativ beim Umgehen der 12-V-Beschränkung und entwickelten im Lauf der letzten Jahre komplexe elektrische Architekturen mit zwei 12-V-Batterien, einer 24-V-Batterie für die Servolenkung und mehreren DC/DC-Wandlern dazwischen.

Typische E/E in xEVs mit 12-V-Batterie und redundanten Spannungsreglerstufen.
Bild 1. Typische E/E in xEVs mit 12-V-Batterie und redundanten Spannungsreglerstufen. Der HV-zu-12-V-DC/DC-Wandler regelt den 12-V-Ausgang zum Laden der 12-V-Batterie. Jede 12-V-Last im Fahrzeug besitzt eine Vorreglerstufe, die die für den Betrieb der Last nötige Schienenspannung liefert.
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Ablösung der 12-V- durch eine virtuelle Batterie

Für eine bessere Lösung dieses Problems sollte man das PDN in einem Fahrzeug völlig neu überdenken: Man eliminiert die physische 12-V-Batterie und ersetzt sie durch eine »virtuelle«, aus der primären EV-Batterie (Bild 2). Jedes Elektrofahrzeug verfügt über eine Hauptbatterie – es ergibt also keinen Sinn, zusätzliche Energiespeicher mitzuführen. Die ideale Fahrzeugarchitektur wäre eine Hochspannungsbatterie (HV) zur Versorgung des Antriebsstrangs und aller Zusatzlasten. Die hoch integrierte Buskonverter-Modultechnik von Vicor ermöglicht diesen Ansatz durch die Virtualisierung einer Niederspannungsbatterie (48 V oder 12 V) direkt aus der HV-Batterie (400 V oder 800 V).

 Die optimierte E/E-Architektur macht die physische 12-V-Batterie überflüssig.
Bild 2. Die optimierte E/E-Architektur macht die physische 12-V-Batterie überflüssig. Eine virtuelle 12-V-Batterie wird durch die Umwandlung der Hochspannungsbatterie mit der BCM-Buskonvertertechnologie von Vicor erzeugt.
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Die BCM-Buskonverter von Vicor schalten bei Nullspannung und Nullstrom (ZVS/ZCS) und arbeiten mit höheren Frequenzen als herkömmliche Konverter, so dass sie schneller reagieren als eine physische Batterie. Der BCM6135 läuft beispielsweise bei 1,2MHz und arbeitet anders als ein konventioneller ZVS/ZCS-Resonanzwandler in einem schmalen Frequenzband (Bild 3). Dank seines Hochfrequenzbetriebs reagiert der BCM schnell auf Laststromänderungen und bietet einen niederohmigen Pfad zwischen Ein- und Ausgang.

Das schnelle Lasteinschwingverhalten des BCM6135 ist der Schlüssel für die Unterstützung von 12-V-Lasten.
Bild 3. Das schnelle Lasteinschwingverhalten des BCM6135 ist der Schlüssel für die Unterstützung von 12-V-Lasten. Das Einschwingverhalten beträgt 8 MA/s ( Gelb: Eingangsspannung (800 VDC), Rot: Ausgangsspannung (48 V), Blau: Ausgangsstrom).
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Dank seiner Umwandlung mit festem Verhältnis, seinem bidirektionalen Betrieb, seinem schnellen Einschwingverhalten (mehr als 8 MA/s) und seinem niederohmigen Pfad kann der BCM eine HV-Batterie wie eine 48-V-Batterie erscheinen lassen, was man als »Transformation« bezeichnet. Die Fähigkeit, eine Stromquelle zu transformieren, ist sowohl der Hauptvorteil als auch das zentrale Unterscheidungsmerkmal im Vergleich zu herkömmlichen Wandlern.

Der BCM von Vicor arbeitet als Wandler mit festem Verhältnis: Seine Ausgangsspannung ist ein fester Bruchteil der Eingangsspannung. Der BCM6135-Wandler von Vicor ist isoliert und bietet eine Leistung von 2,5 kW in einem 61 mm x 35 mm x 7mm großen Gehäuse mit über 97 % Spitzenwirkungsgrad. Zur Bereitstellung von noch mehr Leistung lässt er sich problemlos in einem Array parallelschalten.

Funktionelles Blockdiagramm eines BCM-Buskonverters.
Bild 4. Funktionelles Blockdiagramm eines BCM-Buskonverters. Obwohl er Gleichstrom in Gleichstrom umwandelt, nutzt der BCM einen Transformator zur Umwandlung von Wechselstrom in Wechselstrom mit hohem Wirkungsgrad. Dazu skaliert er den Betrag mit dem K-Faktor und nutzt die Schaltblöcke zur Umwandlung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom. Das Umschalten erfolgt bei hoher Frequenz. Aufgrund der transformatorähnlichen Energieübertragung reagiert die Umwandlung schnell auf transiente Laständerungen und bietet einen niederohmigen Pfad zwischen Ein- und Ausgang.
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Das feste Übersetzungsverhältnis des BCM sorgt dafür, dass die virtuelle Batterie innerhalb ihres jeweiligen Betriebsbereichs bleibt. So lässt sich etwa sicherstellen, dass die HV-Batteriespannung eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs mit 800 V zwischen 520 und 920 V liegt. Ein BCM6135 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1/16 virtualisiert eine 48-V-Batterie mit einem garantierten Spannungsbereich zwischen 32,5 und 57,5 V. Ein BCM6135 mit einem Übersetzungsverhältnis von 1/8 ließe sich für 400-V-Elektrofahrzeuge verwenden.

Anhand eines Wandlers mit festem Übersetzungsverhältnis von 1/4 lässt sich die Batterievirtualisierung auch auf den 12-V-Bus ausweiten. Dabei ist keine galvanische Trennung erforderlich und man könnte einen Vicor-NBM-Buskonverter einsetzen. Der nicht isolierte NBM-Buskonverter ist in allen anderen Merkmalen mit einem BCM identisch und bietet sämtliche zuvor beschriebenen Vorteile: schnelles Einschwingverhalten, niedrige Impedanz und bidirektionalen Betrieb. Der Spannungsbereich der 12-V-Stromversorgung liegt zwischen 8,125 und 14,375 V mit einem festen Verhältnis zur HV-Batteriespannung. BCM- und NBM-Technologie sind ideale Transformatoren und verbinden jedes der Fahrzeugstromnetze.  

  800-V-Batterie 48-V-Busbereich 12-V-Busbereich
Minimale Busspannung 520 V 32,5 V 8,125 V
Maximale Busspannung 920 V 57,5 V 14,375 V

 

 

  400-V-Batterie 48-V-Busbereich 12-V-Busbereich
Minimale Busspannung 260 V 32,5 V 8,125 V
Maximale Busspannung 460 V 57,5 V 14,375 V

Tabelle. Minimale und maximale Spannungen auf dem 48-V- und 12-V-Bus mit Vicor-BCM/NBM-Buskonvertertechnologie. Sowohl die 48-V- als auch die 12-V-Spannungsbereiche erfüllen die Anforderungen der VDA 320 und LV 124.

 

Für sicherheitsrelevante Lasten ist der Schutz der Redundanz in der Stromversorgung von zentraler Bedeutung. Da die Leistungsmodule von Vicor in Bezug auf Leistung und Bereitstellung vollständig skalierbar sind, lassen sie sich als redundante PDNs auslegen, so dass man sicherheitsrelevante Lasten über zwei dedizierte Stromwandlungspfade versorgen kann. Letztlich könnten OEMs lokale Energiespeicher implementieren, um den funktionssicheren Betrieb kritischer Systeme wie ADAS, Lenk- und Bremssystemen zu gewährleisten.

E/E-Architektur mit 12-V- und 48-V-Batterievirtualisierung auf Basis von BCM6135- und NBM2317-Modulen.
Bild 5. E/E-Architektur mit 12-V- und 48-V-Batterievirtualisierung auf Basis von BCM6135- und NBM2317-Modulen. Der 48-V-Bus dient auch als effizientere Quelle für die Stromversorgung größerer Lasten in einem Fahrzeug, wie zum Beispiel des Klimaanlagen-Kondensers, der Wasserpumpe und aktiver Fahrwerksstabilisierungssysteme.
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EV-Stromversorgungsnetz am Scheideweg

Die 12-V-Blei-Säure-Batterie wird in Europa bald aussterben. Der Zeitpunkt ist perfekt, denn es gibt zahlreiche Innovationen, die eine Neugestaltung des Stromversorgungsnetzes für Elektrofahrzeuge vorantreiben.

KfZ-PDNs stehen mit der 12-V-Stromversorgung am Scheideweg. In Fahrzeugen werden immer anspruchsvollere Stromlasten implementiert, während man gleichzeitig versucht, architektonische Änderungen auf ein Minimum zu beschränken. »Warum arbeiten wir immer noch mit 12 V? 12 V sind eine sehr rudimentäre Spannung, sie ist mit Sicherheit zu niedrig«, sagte beispielsweise Elon Musk, CEO von Tesla. 

OEMs bemühen sich um die Entwicklung besserer PDNs zur Steigerung der Reichweite und Leistung von Elektrofahrzeugen. Die 12-V-Batterie ganz zu eliminieren, ist die logische langfristige Lösung. Sie spart Gewicht und Platz und bietet besseres Einschwingverhalten und höhere Systemleistung. Die Vicor-Technologie bietet nicht nur diese Vorteile, sondern liefert darüber hinaus eine unvergleichliche Kombination aus Flexibilität, Skalierbarkeit und Energiedichte. Das Vicor-Modulkonzept für PDNs bietet die idealen Bausteine zur Bewältigung der kommenden Herausforderungen eines 12-V-Stromversorgungsnetzes der nächsten xEV-Generation.

 

Nicolas Richard, Vicor.
Nicolas Richard, Vicor.
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Der Autor

Nicolas Richard
ist European Director of Automotive Business Development bei Vicor. Bevor er zu Vicor kam, arbeitete er bei IDT (Renesas) als Leiter des nordamerikanischen Automotive-Segments mit Schwerpunkt auf technischem Vertrieb in den Bereichen Antriebsstrang, Infotainment und ADAS-basierte Systeme. Vor seiner Zeit bei IDT war er vier Jahre lang bei ON Semiconductor als Field Application Engineer tätig und leitete ein internes Design- und Anwendungsteam als »Concept to Product Champion«, um die Wachstumsstrategie des Unternehmens für neue Produkte im Automobilbereich voranzutreiben. Zu seinem Werdegang gehören auch neun Jahre bei Continental Automotive, wo er in verschiedenen technischen Funktionen DC/DC-Wandler und Traktionswechselrichter für Hybrid- und Elektrofahrzeuge entwickelte.


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