Für anspruchsvollste Umgebungen
Bordnetz-Regenerierung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Umwelt
Temperatur
Die Baugruppe erfüllt die Umweltbedingungen für den mobilen Einsatz für einen weiten Temperaturbereich. Die REG 3000 startet problemlos bei -40 °C und arbeitet bis zu einer Eigentemperatur von 85 °C durch Sonnenbestrahlung bzw. bis zu einer Umgebungstemperatur von 63 °C.
Schock und Vibration
Konstruiert wurden das Gehäuse, das Innenleben, die Befestigungspunkte der Leiterplatten und das gesamte Innenleben für den Einsatz im Außenbereich auf höchste mechanische Belastungen des Fahrzeugs. Vier außenliegende Befestigungsflansche sind vorbereitet für Schwingungsdämpfer. Die chemische- und Lack-Oberfläche sind resistent gegen Umwelteinflüsse wie zum Beispiel Salznebel. Die Leiterplatten besitzen einen Lacküberzug.
Elektromagnetische Verträglichkeit
Um das Bordnetz und die umliegende Elektronik EMV-sauber zu halten, wurde eine HF-Dichtung, die auch den Vorgaben bezüglich Wasserdichtigkeit entspricht, in alle Öffnungen eingebracht. Die Filtereinheit wurde als Zweikammersystem mit abgestimmten C-L2-C-Filtern, Aufsteck-Ringkernen und Durchführungs-Kondensatoren zum aktiven Leistungsstring aufgebaut.
Sie ist also HF-dicht in das Gehäuse eingebracht und verhindert die Störungen vom Innenleben nach außen und umgekehrt von Niederfrequenz- bis Hochfrequenz-anforderungen. Die Kabelverbindungen von der Filtereinheit zu den Aktiv-Leistungsstrings sind mit flexiblen Kabeln für entsprechende Stromtragfähigkeit und aufgesteckten Common-Mode-Bremsen versehen.
Gleichzeitig stellen die Kabelverbindungen eine lösbare Verbindung zwischen der flexibel im Gehäuse montierten Filtereinheit und den Aktiv-Leistungsstrings dar. Somit sind die Filtereinheit und die Leistungsstrings vorprüfbare und auswechselbare Einheiten mit Servicefreundlichkeit.
Funktionalität
Die Funktionalität wurde im nicht ins Gehäuse eingebauten Zustand mit zwei aktiven Lüftern bei Umgebungstemperaturen von -40 bis +85 °C langzeitgetestet. Im abgekühlten Zustand sprang die Einheit sofort an und lief unter Leerlauf- und Volllast bis auf 85 °C Dauerbetrieb.
Die Einzelparameter sind im Typ-Testprotokoll festgehalten. Der Gesamtwirkungsgrad einschließlich Filtereinheit, Aktiv-Verpolschutz, AFI und Aktiv-Leistungsstrings beträgt über den Eingangsspannungsbereich von 18 bis 32 V mindestens 96 % – bei 50 bis 100 % Last. Bei 3,75 kW kontinuierlicher Gesamtausgangsleistung beider Strings muss das Gehäuse eine Verlustleistung von 156 W verarbeiten, was bei der Innentemperatur von 85 °C eine Außentemperatur von 55 °C zulässt. Ein Druckausgleichselement sorgt auch für den Feuchtigkeitstransport aus dem Gerät.
Aktiv-Leistungsstrings
Die beiden Aktiv-Leistungsstrings sind starr, aber leicht lösbar über Kühlkörper, Dome und Bolzen mit dem Gehäuse verbunden. Die Leistungskomponenten sind weitgehend in SMT-Design aufgebaut und das von Syko entwickelte Wärmemanagement sorgt für eine gute Wärmeableitung von den Leiterkarten über die Kühlkörper zum Gehäuse.
Durch die Anzahl der Dome und Bolzen von den Leiterplatten zu den Kühlkörpern und untereinander wird die hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit erreicht. Alle Aktiv-Leistungsstrings bestehen aus den beschriebenen Funktionseinheiten »Aktiver Verpolschutz«, »Aktiver Load-Dump-Schutz«, der Regenerator-Leistungsstufe und dem Housekeeper (Bild 4). Diese Funktionseinheiten geben ihre Verlustleistung über eine thermische Anbindung auf kurzem Wege an das Gehäuse ab. Die Stromführung und die Stromverbindungen erfolgen über massive Cu-Leiterbahnen und -Stromschienen.
String A ist vierfach und String B einfach leistungskaskadiert. Um den Gesamt-Chopperstrom der String-A-Einheit zu beherrschen und die Verlustwärme räumlich verteilt an das Gehäuse abgeben zu können, werden die Ströme auf mehrere parallel arbeitende Chopper-Stufen verteilt. String A besteht aus vier je 45-A-kaskadierten Leistungsstufen in SMT-Design. Aufgeteilt sind die vier Stufen in zwei Master- und zwei Slave-Kaskaden, die über zwei Prozessoren taktsynchron und im Phase Shifting arbeiten. Auf diese Weise werden die Stromwelligkeit verringert und die Filterfrequenz erhöht.
Jede Leistungsstufe besteht aus einer Regenerator-Topologie, um die niedrigere bzw. höhere Eingangsspannung als die geregelte und kurzschlussfeste Ausgangsspannung auf diese zu stellen. Die Synchronstufen sorgen dafür, dass die Ausgangsspannung sehr schnell vorzusteuern und über PID-Regelung auf Genauigkeit nachzuregeln ist.
Die Regeneratordioden wurden durch einen aktiven Feldeffekt-Transistor ersetzt. Der so entstandene Synchronschalter verbessert den Gesamtwirkungsgrad wesentlich. Optional lässt sich die Leistungsstufe auch bidirektional gestalten, um Energie vom Ausgang zum Bordnetz zurückzutransformieren. Diese Aufgabe wurde der Entwicklungsabteilung neu gestellt.
Die Prozessoren haben eine CAN-Kommunikationsschnittstelle. Da alle Parameter dem Rechner von allen Stufen zugeführt werden, lassen sich über die Oberfläche Parametersätze im zugelassenen Bereich abfragen und verändern (Ströme, Spannungen, Grenzwerte). String B ist nicht leistungskaskadiert und wird ebenfalls über den eigenen Prozessor geregelt, gesteuert und überwacht auf gleiche Funktionalität wie String A.
Zur Verbesserung der inneren Wärmeverteilung bzw. zur Verhinderung von Hotspots sind zwei Lüfter integriert. Die Ausgänge der einzelnen Leistungsstufen sind zu einem Aktiv-Leistungsstring dynamisch und statisch kurzschlussfest parallelgeschaltet.
Der Gesamtstrom wird auf die vier Stufen geregelt aufgeteilt. Durch die Aufteilung der gesamt geforderten Leistung auf zwei völlig unabhängige Funktionsstrings können funktionale Prioritäten an die nachfolgenden Verbraucher vergeben werden. Die Eingänge der Funktionsstrings A und B sind jeweils unabhängig abgesichert zum Batterie-Bordnetz und zum Housekeeper. Die Leistungsausgänge müssen jeweils pro Verbraucher kundenseitig abgesichert werden
Housekeeper
Die Aufgabe der Housekeeper ist es, funktional über den geforderten statischen und dynamischen Spannungsbereich von <9 bis >151 V bzw. 174 V hinaus funktional aktiv zu sein. Er muss die Hilfsspannungen auf allen Funktions- und Potenzialebenen zur Verfügung stellen, bevor die Leistungsstufen aktiv werden oder die Kommunikation beginnt.
Dafür wurde eine eigens geschaffene Schaltungstopologie (für <9 bis >174 V) nötig. Optional ist es möglich, den Housekeeper polaritätsunabhängig an die Eingangsspannung anzukoppeln, um die Kommunikation über die CAN-Struktur aufrecht zu halten.
Der Autor
Reinhard Kalfhaus
ist Gründer und Geschäftsführer von Syko. Der Diplomingenieur fokussiert weiterhin die Expansion des Firmenverbundes durch Nutzung moderner Technologiekonzepte.
- Bordnetz-Regenerierung
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