Zuverlässigkeit elektrifizierter Autos Batterie- und Wärmemanagement von Texas Instruments

Darstellung der Hauptbestandteile eines elektrifizierten Fahrzeugs.
Darstellung der Hauptbestandteile eines elektrifizierten Fahrzeugs.

Neue Referenzdesigns für Batteriemanagement- und Traktionswechselrichter-Systeme sowie analoge Schaltungen von Texas Instruments tragen zur Reduzierung der CO2-Emissionen bei. Die Überwachungs- und Schutzfunktionen erhöhen dabei den Aktionsradius der elektrifizierten Fahrzeuge.

Das neue Referenzdesign für ein Batteriemanagement-System (BMS) von Texas Instruments für Überwachungsschaltungen von 6 bis 96 Batteriezellen basiert auf dem Batteriewächter und Balancer BQ79606A-Q1. Das Design implementiert die Batterieüberwachung in einer Daisy-Chain-Konfiguration zur Realisierung eines zuverlässigen Systemdesigns für 3 bis 378 in Serie geschalteter Lithium-Ionen-Akkusätze mit Spannungen von 12 V bis 1,5 kV. Der Baustein überwacht präzise Temperatur- und Spannungswerte und unterstützt dabei, die Batterielebensdauer und den Aktionsradius zu erhöhen. Darüber hinaus sorgt der Batteriewächter für eine sichere Zustandsübermittlung zur Einhaltung von Sicherheitsanforderungen bis Automotive Safety Integrity Level D (ASIL D).

Angesichts der hohen Leistung eines elektrischen Antriebsstrangs können hohe Temperaturen schädlich für die Elemente sein. Ein entsprechendes Wärmemanagementsystem ist daher entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs und den Schutz der Insassen. Um Antriebsstrang-Systeme, wie beispielsweise einen 48 V-Startergenerator, vor Überhitzung zu schützen, entwickelte das Unternehmen den Temperatursensor TMP235-Q1 mit Analogausgang. Der Sensor erreicht eine Messgenauigkeit von ±0,5 °C bis maximal ±2,5 °C über den Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C. Traktionswechselrichter-Systemen können daher auf entsprechende Temperatursprünge reagieren.

Der Temperatursensor unterstützt in Kombination mit den Gatetreibern UCC21710-Q1 und UCC21732-Q1 bei der Umsetzung kleiner und effizienter Traktionswechselrichter-Designs. Die isolierten Gatetreiber mit integrierten Sensorfunktionen für IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) und FETs auf SiC-Basis (Siliziumkarbid) erhöhen die Systemzuverlässigkeit in Anwendungen mit Betriebsspannungen bis zu 1,5 kVRMS. Sie bieten eine Isolation gegen Spannungsspitzen bis zu 12,8 kV sowie eine Nenn-Isolationsspannung von 5,7 kV. Durch die kurzen Ansprechzeiten schützen sie gegen Überstrom-Ereignisse und gewährleisten ein sicheres Abschalten des Systems.

Zur Versorgung der Gatetreiber aus dem 12 V-Bordnetz wurde ein neues Referenzdesign entwickelt, das drei verschiedene Arten von Bias-Versorgungsoptionen für IGBTs und SiC-FETs für die Leistungsstufen von Traktionswechselrichtern realisiert. Das Design besteht aus Verpolungsschutz-Schaltungen, Klemmschaltungen für elektrische Transienten sowie Über- und Unterspannungs-Schutzschaltungen. Bestandteil des kompakten Designs ist der synchrone Abwärtswandler LM5180-Q1 für 100 V und 1 A.