Für größere Entfernungen Effizienter Betrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen

Pyrotechnische Sicherung

Auch im schlimmsten Fall muss die Batterie sicher vom Fahrzeug getrennt werden, um weiteres Gefährdungspotenzial zu verhindern. Dafür wird eine pyrotechnische Sicherung eingesetzt, die von Airbag- und Gurtstrafferprodukten bekannt ist.
Den Notfall erkennt ein zentrales Steuergerät durch Sensorinformationen und gibt den Auslöseimpuls für die pyrotechnische Sicherung aus, die in wenigen Millisekunden eine Zündpille zündet – das gesamte Fahrzeug ist stromlos geschaltet. Der Prozess ist lediglich einmalig durchführbar und erfordert anschließend den Ersatz von Komponenten. Bei den Zündtreibern werden bewährte Produkte aus dem Airbag-Bereich verwendet.

Bei dem vierkanaligen Treiber L9660 von STMicroelectronics können ein oder mehrere Kanäle für die beschriebene Aufgabe verwendet werden. Das Produkt hat Vorteile gegenüber einer diskret realisierten Lösung, allerdings müssen künftig Produkte entwickelt werden, die die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen berücksichtigen.

DC/DC-Wandler und On-Board-Charger (OBC)

Unterschiedliche DC/DC-Wandler sind seit langer Zeit erprobt und im Einsatz. Die bewährten Konzepte können in vielen Fällen direkt im Automotive-Bereich eingesetzt werden – die Komponenten müssen allerdings automotive-qualifiziert sein. Daher ist die Verfügbarkeit von höher integrierten Produkten teilweise noch problematisch.

In jedem Elektro- und Hybridfahrzeug ist nach wie vor ein 12 V-Bordnetz vorhanden. Viele Steuergeräte (beispielsweise Licht, Komfort, Fahrerassistenz und Multimedia) werden auch künftig mit 12 V versorgt. Ebenfalls sind je nach Fahrzeugkonzept bereits 48 V-Steuergeräte vorhanden.

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DC/DC-Wandler und OBC, Bilder 6-8

DC/DC-Wandler und On-Board-Charger, Bilder 6-8

Die jeweiligen Spannungen werden aus der Hochspannungsseite der Fahrzeugbatterie generiert. Über den On-Board-Charger wird die Hochspannungsbatterie entweder aus Wechsel- oder Gleichstrom versorgt. Unterschiedliche Wandlerkonzepte mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen sind heute verfügbar. Die benötigten Halbleiterbauteile sind für alle Konzepte mehr oder weniger identisch. Bild 6 zeigt eine Blockschaltung eines DC/DC-Wandlers und Bild 7 eines OBCs.

In beiden Applikationen werden Hochvolt-Transistoren, Dioden und eventuell Halb- oder Vollbrücken eingesetzt. Innovationen sind in diesem Bereich durch den Ersatz von Silizium-Transistoren/-Dioden möglich. Des Weiteren werden sowohl ein- und mehrkanalige Standard-Gate-Treiber neben isolierten Gate-Treibern benötigt. Die integrierten galvanisch isolierten Treiber haben eine Isolationsspannung von mehr als 4.000 V. Auch hier sind erst wenig automotive-qualifizierte Bausteine am Markt verfügbar – beispielsweise der STGAP1AS von STMicroelectronics (Bild 8).

Inverter

Je höher die Leistung, desto größer sind die technischen Anforderungen an den Inverter – sowohl für den Halbleiter als auch für die verwendete Montagetechnik.
Aktuell werden fast ausschließlich verschiedene Arten von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) für den Antrieb genutzt, die drei Halbbrücken (mindestens sechs Transistoren) zur Ansteuerung benötigen. Bis auf wenige Ausnahmen werden heute 200 A/650 V- beziehungsweise 1.200 V-IGBTs verwendet, die in Standard- oder in kundenspezifische Module verbaut sind.
Wie schnell IGBTs durch SiC-Leistungs-MOSFETs abgelöst werden, ist von der Leistungsklasse und der Kostenanalyse des Gesamtsystems »Inverter« abhängig.

Die Vorteile der SiC-Transistoren im Vergleich zu IGBT lauten:

  • Bessere Effizienz, besonders bei niedrigeren Lastströmen
  • Höhere Arbeitstemperatur durch höhere zulässige Sperrschichttemperatur
  • Geringere Schaltverluste
  • Kleinere Chipfläche

Gerade hinsichtlich der künftigen Antriebsspannungen von 800 V nehmen die Vorteile zu. Nicht zu vernachlässigen ist zudem der Entfall der separaten Freilaufdioden bei SiC-Transistoren. Hier ist die notwendige Diode direkt in der Transistorstruktur enthalten.

Als »Nachteil« kann der noch deutlich höhere Preis eines Einzeltransistors benannt werden. Nur durch eine Analyse der Gesamtsystemkosten und der Gesamtperformance lässt sich ermitteln, ab wann sich der Einsatz von SiC-Transistoren lohnt. Ein wesentlicher Faktor ist auch die jeweilige Aufbautechnik, die stark in Kosten und Performance einwirkt.

Standardtransistorgehäuse werden in den Leistungsklassen nicht eingesetzt. Entweder kommen kundenspezifische Module zum Einsatz oder es werden Module verwendet, wie die ACEPACK-Familie von STMicroelectronics. Die Module sind individuell konfigurierbar und beim Einsatz als Inverteransteuerung mit sechs SiC-Transistoren oder sechs IGBTs mit sechs Freilaufdioden bestückbar.
Auch bei On-Board-Chargern sind SiC-Transistoren sinnvoll, auch wenn die Leistungsklassen zwischen Inverter und OBC unterschiedlich sind. Je höher die Leistung und die Spannung, umso effizienter und kostengünstiger lassen sich SiC-Transistoren einsetzen.

Einsatz von Halbleitern

Sowohl Hybrid- als auch vollelektrisch betriebene Fahrzeuge sind seit einigen Jahren zuverlässig auf den Straßen unterwegs – momentan noch in kleinen Stückzahlen, verglichen mit konventionell angetrieben Fahrzeugen. Elektrifizierte Fahrzeuge werden jedoch als Wachstumsmarkt der kommenden Jahre angesehen. Aktuell sind bereits für alle elektrischen Komponenten entsprechende Halbleiterprodukte verfügbar – vielfach besteht aber noch technischer und kostenmäßiger Optimierungsbedarf. Viele Schaltungsteile sind diskret aufgebaut, da automotive-qualifizierte höher integrierte Bauteile fehlen beziehungsweise sich noch in der Entwicklung befinden.

Skalierbare Produkte sind künftig von großer Bedeutung, die den Bereich von 48 V- bis 800 V-Batterien abdecken. Zudem werden Produkte zum vollständigen oder teilweisen Ersatz der Hochstrom-/Hochspannungsschütze erforderlich. Hier lässt sich Platz und Gewicht einsparen und die Zuverlässigkeit erhöhen. Bis zum vollständigen Ersatz der Schütze werden allerdings noch einige Jahre vergehen. Bis dahin sind neue intelligente integrierte Ansteuerschaltungen erforderlich und, für die pyrotechnische Sicherung, speziell entwickelte Zündpillentreiber.
Die neuen Halbleiterbauelemente, die sich bereits in der Entwicklung beziehungsweise in der Definitionsphase befinden, werden dazu beitragen, dass die Verbreitung und die Reichweite von elektrifizierten Fahrzeugen zunimmt.

 

Gert Rudolph

studierte an der Fachhochschule Köln Nachrichtentechnik und an der Ruhr Universität Bochum Elektrotechnik, bevor er als Entwicklungsingenieur für integrierte Schaltungen bei STMicroelectronics startete. Nach unterschiedlichen Marketing-Positionen ist er heute als stellvertretender Abteilungsleiter für das strategische Marketing zuständig.