Für anspruchsvollste Umgebungen Bordnetz-Regenerierung

Funktional, unabhängige, kurzschlussfeste Feinnetzspannungen in Grobnetzen erzeugen.
Funktional, unabhängige, kurzschlussfeste Feinnetzspannungen in Grobnetzen erzeugen.

Grobnetze mit extremen Störgrößen stellen große Anforderungen an die Elektronik. So ist es gut zu wissen, wie sich aus einem solchen dynamischen Grobnetz funktional unabhängige, kurzschlussfeste Feinnetzspannungen erzeugen lassen.

Die für die Bordnetzregenerierung entwickelte Baugruppe REG 3000 (Bild 1) arbeitet mit zwei Funktionsstrings, dem Funktionsstring A mit einer Dauerleistung von ≤3 kW bei 24 V (flexibel bis 60 V) sowie dem Funktionsstring B mit einer Dauerleistung von 750 W bei 24 V bzw. 12 V (aber auch bis 60 V). Die beiden Funktionsstrings A und B besitzen jeweils die gleichen Funktionsgruppen, die in ein IP69- Gehäuse mit Zweikammersystem (Kammer 1/Kammer 2) elektrisch und mechanisch integriert sind.

Das Gehäuse ist mechanisch für den Einsatz im Außenbereich des Fahrzeugs konstruiert. Es weist die entsprechende Wandstärke und vier Befestigungsflansche mit Shockproofs für M10-Schrauben auf. Thermisch wurde das Gehäuse durch seine Außenrippen optimiert. Durch diese von Syko gewählte Innen- und Außenbauweise kann die durch die Verlustleistung entstandene Wärme aus dem Innengehäuse optimal an die Umgebung abgegeben werden.

Über den Massebolzen mit M8-Gewinde wird das Gehäuse geerdet. Die zwei Öffnungen im Gehäuse lassen sich durch einen Deckel, die Steckerfront der Filterkammer über Dichtnuten mit HF-Dichtungen schließen. Dabei besitzt der Hersteller das für die mechanische und die EMV-Dichtigkeit nötige Know-how. Über die Stecker in der Front der Filterkammer werden die Leistungskontaktierungen und die Kommunikation geführt. Die LEDs in der Gehäusewand dienen zur Zustandsanzeige.

Das Gehäuse besitzt ein Zweikammersystem:

  • Kammer 1: Filtereinheit für die Strings A und B
  • Steckerfront A und B
  • Eingangs-EMV-Filter A und B
  • Durchführungs-EMV-Entkopplung A und B
  • Kammer 2: Aktiv-Leistungsstrings A und B
  • Aktiver Verpolschutz A und B
  • Aktiver Load-Dump-Schutz A und B
  • Regenerator-Leistungsstufen A und B
  • Prozessorplatinen A und B
  • Housekeeper A und B

Die nicht potenzialgetrennte Regenerator-Baugruppe, die in Bild 2 als Prinzipschaltbild dargestellt ist, hat Syko explizit konzipiert, um aus dem statischen und dynamischen Grobnetz zwei funktional unabhängige, geregelte und kurzschlussfeste Feinnetzspannungen (24 V bzw. 12 bis 60 V optional) ohne Potenzialtrennung zu erzeugen.

Sie wurde gemäß der normativen Vorgaben entwickelt auf Bordnetztauglichkeit (Cranking-Funktion, Dauer-Bordnetzspannung, Verpolung, Load-Dump-Spitzen, Transienten und Welligkeit), Umwelt (Temperatur, Schock/Vibration, Klima), geleitete/gestrahlte EMV (Störgrößenaussendung, Störgrößenfestigkeit) und Funktionalität (über alle Parameter). All diese Entwicklungsvorgaben werden im Folgenden genauer vorgestellt.

Bordnetztauglichkeit

Bordnetze sind mit dynamischen Spannungsbereichen von 9 bis 151 V beaufschlagt. Die Baugruppe REG 3000 erfüllt die Anforderungen gemäß ISO 16750 auf Starting-Profile und Load-Dump-Unterdrückung (bzw. MIL-STD-1275 oder DEF STAN).

Cranking-Funktion

Während der Startphase (Cranking) des Fahrzeugs kommt es zu Spannungseinbrüchen und niederfrequenten Welligkeiten, bevor sich das Bordnetz auf seine Nennspannung erholt. Bild 3 zeigt die Zeit- und Amplitudenverläufe beim Cranking. Je nach Fahrzeugtyp lassen sich optionale bzw. individuelle Änderungen vornehmen.

Die Baugruppe REG 3000 erfüllt die Cranking-Anforderungen. Eine kundenspezifische Anforderung kann sein, dass bei konstanter Leistung die Ausgangsleistung während des Crankings auf den Maximalstrom am Eingang reduziert bleiben muss.

Durch die Lastflanken entstehen differenzielle Spannungen und Ströme, welche die Eingangsstufen der Leistungsstrings wegen der Leitungsinduktivitäten mit negativen und positiven Transienten belasten. Die negativen Transienten können die Ladungskapazität der Eingangsstufen negativ umladen. Dagegen hilft der aktive Verpolschutz.

Dauer-Bordnetzspannung

Während einer Dauer-Bordnetzspannung von 16 bis 40 V gibt es für den Ausgang keine Zeit- und Leistungseinschränkung. Gemäß Datenblatt kann die Leistung dynamisch bzw. statisch über die Zeit und Temperatur entnommen werden, was durch die Kommunikation signalisiert wird. Der Ausgangslastwechsel kann mit 100 % stattfinden, da Syko eine Nulllastfähigkeit integriert hat. Das bedeutet auch, dass der Ausgang leerlaufstabil ist.

Verpolung

Ein aktiver Verpolschutz wird beim Cranking und statischen Verpolen, bei der Erstinbetriebnahme, beim Service und bei mobilen Baugruppen sowie durch das Generatorverhalten bei extremen dynamischen Bordnetzströmen (Überlast/Kurzschluss) verlangt. Dabei wird Stromreflektion (Sekundärstörer) verhindert. Zu einem Sicherungsfall darf es ebenfalls nicht kommen. Diese Bedingungen erfüllt die von Syko entwickelte Schaltungstopologie des REG 3000.

Der aktive Verpolschutz reagiert auf Verpolung sehr schnell und schaltet die kaskadierten Schalttransistoren gemäß dem erlaubten SOAR-Gebiet sehr langsam wieder zu, um Aufschaltströme zu begrenzen. Optional ist es denkbar, die Housekeeper-Funktion verpolungsfrei aktiv zu gestalten, um eine Kommunikation zum Kunden während der statischen Verpolung aufrecht zu erhalten.

Load-Dump-Spitzen

Gemäß der unterschiedlichen Normen können Langzeit-Überspannungen – genannt Load-Dump-Impulse – bis 174 V/350 ms auftreten. Deren Innenwiderstand wird in weitem Bereich in der Norm bis 8 Ω angegeben. Syko benötigt den Innenwiderstand nicht, da das Schaltungskonzept ohne Stromreflektionen arbeitet, die beispielsweise durch Begrenzung an Transzorbdioden entstehen würden.

Die Überspannungen am Aktiv-Load-Dump-Schutzfilter werden auf eine verträgliche Ausgangsspannung UZK von optional 45 bis 60 V ohne dynamische Überschwinger absorbiert (Bild 3).

Optional kann die Anstiegszeit des Load-Dump kleiner als 10 ms (normativ) sein. Syko hat die Anstiegszeit auf ≤3 ms verbessert, ohne Durchgriff auf den Ausgang des AFI. Bei einer Konstantleistung von A = 3000 W und einer maximalen Ausgangsspannung des AFI von 60 V muss der Aktiv-Transientenschutzfilter einen Strom von 50 A über den Spannungsbereich des SOAR-Gebietes bis 174 V beherrschen.

Bei UE,Min der Dauerbordnetzspannung (18 V) wird ein Maximalstrom 167 A abverlangt. Zwischen 18 und 60 V wird die AFI-Stromgrenze umgekehrt proportional der Bordnetzspannung angepasst. Sinnvoll erscheint es, gemäß MIL-STD-1275 bis 100 V den Ausgang aktiv zu lassen und bei Überspannungen von mehr als 100 V gemäß VG 96916 und ISO 16750 bzw. DEF STAN den Ausgang inaktiv zu schalten.

Um diesen SOAR-Bereich (174 V – 60 V)/50 A = 114 V/50 A über die Zeit von 350 ms auf nennspannungsabfallende Überspannung zu beherrschen, muss das AFI entsprechend geregelt stromkaskadiert auf den Zwischenkreiskondensator CZK geschaltet werden. Daneben müssen AFI-Transistoren die Verlustleistung durch den Drain-Source-Widerstand und wärmespezifische Ströme thermisch im Dauerbetrieb ab 18 V beherrschen.

Durch die geregelte Strombegrenzung und die zeitliche Überwachung des SOAR-Bereichs durch den Prozessor, dient das AFI bei großer Zwischenkreiskapazität CZK auch der Aufschaltstrombegrenzung. Große Kapazitäten CZK dienen nach dem aktiven Verpolschutz und dem aktiven Load-Dump-Schutz auch einer passiven Systemspeicherzeit. Dem Kunden kann optional auch die auf 60 V begrenzte Zwischenkreisspannung angeboten werden.

Transienten und Welligkeit

Durch Leitungsinduktivitäten und durch die Generatoreigenschaften treten bei sehr schnellen Strom- und/oder Spannungsänderungen am Bordnetz kurzzeitige Spannungsspitzen als Transienten und hochfrequente Schwingungen auf. Der Innenwiderstand ist allgemein hochohmig, weswegen die Spannungsspitzen durch Kapazität und Transzorbdioden problemlos bekämpft werden können. Keinesfalls darf die Spannungsbegrenzung der Transzorbdioden bis hinab in den Bereich der Langzeitüberspannung Load Dump reichen.

Die maximale Ausgangsspannung des Aktiv-Transientenschutzes liegt bei 60 V, bei Leistungsreduzierung des Ausgangs und Rücknahme der SOAR-Anforderungen beträgt sie 45 V. Diese Spannung wird dem Aktiv-Regenerator weitergegeben mit 9 bis 60 (45) V.