Elektromobilität E-Bikes treiben Innovationen

E-Bikes sind in. Allerdings stehen die Hersteller vor der Herausforderung, umfassende Funktionen in Kombination mit hoher Zuverlässigkeit zu erreichen, während gleichzeitig ein enormer Preisdruck herrscht. Deshalb ist dieses Subsegment extrem technologiegetrieben.

Die Diskussion über alternative Antriebe hat die Elektromobilität in den Alltag gerückt. Vielen sind mittlerweile E-Bikes/Scooter, elektrische Rollstühle, Golf-Carts, Boote und elektrische Gabelstapler bekannt, wobei der Markt der E-Bikes in den letzten zehn Jahren mit großen Wachstumsraten überzeugen konnte. Besonders in Asien stiegen die Verkaufszahlen von E-Bikes enorm. Marktanalysen besagen, dass im Jahr 2012 in China 29 Mio. elektrisch angetriebene Zweiräder verkauft wurden, wodurch China weltweit der größte Markt für diese Fahrzeuge ist. Die E-Bike-Technik ist angesichts des hohen Marktvolumens (mehr als 90 Prozent der Niederspannungsfahrzeuge) der Treiber für alle anderen Arten von Niederspannungs-E-Fahrzeugen. Niederspannung bedeutet in diesem Fall, dass die maximale Systemspannung etwa 80 V beträgt. Die Mehrheit der weltweiten E-Bikes arbeitet aus Kostengründen allerdings noch mit 36-V- oder 48-V-Blei-Säure-Batterien. Aufgrund ihrer Kompaktheit können die Batteriezellen zuhause aufgeladen werden.

Funktionsblöcke eines E-Moduls

Die Motorsteuerungseinheit (E-Modul, Bild 1) besteht aus drei Hauptblöcken: Einem Mikrocontroller, der die Fahrleistung auf Basis von Geschwindigkeit, Strom, Bremsstatus etc. berechnet, einer Stromversorgung, welche auch Über- und Unterspannungen erkennt, sowie einer Treiber-Einheit, die über MOSFETs mit dem Motor verbunden ist.

Zur Steuerung werden auch Informationen über die Rotorposition des Motors (die von Hall-Sensoren geliefert werden) und über die Phasenströme (von Stromsensoren oder Shunt) benötigt. All diese Sensoren zusammen mit dem Mikrocontroller müssen von einer geeigneten Stromversorgung versorgt werden. Normalerweise können die PWM-Ausgänge eines Mikrocontrollers die großen Gate-Kapazitäten der MOSFETs nicht direkt treiben. Deshalb sind Treiber-ICs als Schnittstelle erforderlich. Im chinesischen E-Bike-Markt, der sehr kostensensitiv ist, wird versucht, die Treiber-ICs teilweise durch diskrete Lösungen zu ersetzen.

Stromversorgung des E-Moduls und externe Komponenten

Infineon bietet für eine maximale Eingangsspannung von 60 V entweder einen DC/DC-Schaltregler mit hohem Wirkungsgrad, z.B. den IFX80471SKV, oder einen linearen Spannungsregler mit zwei Ausgängen wie zum Beispiel den IFX21004N an. Beide Bausteine adressieren 36- und 48-V-Batteriesysteme. Typischerweise versorgen ihre 5-V-Ausgänge den Mikrocontroller und ein 12-V/15-V-Ausgang den Treiber-IC.

Um ein robustes E-Bike in den Markt zu bringen, muss u.a. ein Kurzschluss am Sensor für die Rotorposition in Betracht gezogen werden. Infineon bietet mit dem IFX21401 einen Spannungs-Tracker an, der die Stromversorgung für den Sensor abtrennt und somit verhindert, dass bei einem Kurzschluss der Mikrocontroller beschädigt wird (Bild 2). Die Aufteilung der Stromversorgung hilft den Entwicklern des E-Moduls außerdem dabei, Wärmeprobleme auf der Leiter- platte zu lösen. Die Stromversorgung der Sensoren kann sehr genau geregelt werden und eine Synchronisierung der Stromversorgungen von mehreren Sensoren vorgenommen werden.

Die Rolle des Treiberbausteins besteht darin, genügend Strom zu liefern, um das Gate des MOSFETs mit einer Frequenz von 20 kHz zu laden und zu entladen. Darüber hinaus stellt er eine hohe Gate-Source-Spannung sowohl an der High- wie an der Low-Side des MOSFETs sicher, um einen niedrigen Durchlass-widerstand (R DS(on)) zu garantieren.

Die MOSFETs tragen einen relativ großen Teil zu den Materialkosten in der Steuerungseinheit bei; wenigstens sechs von ihnen sind erforderlich. In einem 48-V-System muss die zulässige Drain--Source-Spannung (UDS) der MOSFETs mindestens 75 V betragen. Der Drain-Strom muss ebenfalls hoch genug sein, um den Startstrom für den Motor liefern zu können. Wichtig ist nun, die richtige Balance zwischen Kosten und R DS(on) in Korrelation mit der Verlustleistung zu finden. Der R DS(on) des MOSFETs ist einer der wichtigsten Parameter für den Wirkungsgrad des Motorantriebs. Die OptiMOS-60-V-, 75-V- und 80-V-Technologien von Infineon weisen extrem geringe RDS(on)-Werte auf und entsprechende Bausteine stehen auch in einer großen Gehäusevielfalt zur Verfügung. Darüber hinaus lassen sich mit den OptiMOS-Komponenten die statischen Verluste auf ein Minimum reduzieren.

Faktoren, die zur Wärmeabgabe in den MOSFETs beitragen,

  • sind das Laden und Entladen der Gate-Kapazität des MOSFETs,
  • die Verlustleistung aufgrund des Ruhestroms des MOSFET-Treibers sowie
  • die Verlustleistung durch Cross-Conduction-Ströme im Treiber-IC.

Um die Leistung des Umrichters zu maximieren, muss der MOSFET in der Lage sein, hohe Ströme zu treiben, und sollte einen geringen thermischen Widerstand (Rth) für eine optimierte Kühlung aufweisen. Denn nur dann kann ein kompakter Umrichter mit hoher Leistungsdichte realisiert werden. Um thermische Probleme zu lösen, wollen Entwickler zukünftig den blanken MOSFET-Chip (Bare Die) in den Motor integrieren. Dazu müssen allerdings eventuelle Benetzungsprobleme vorher sorgfältig berücksichtigt werden.