12. April 2017

DC/DC-Konverter für die Elektromobilität

Versorgung einer zusätzlichen 12 V Spannung aus der 48 V Traktionsbatterie

Nachdem sich Elektrofahrräder schon seit längerer Zeit enormer Beliebtheit erfreuen, verbreiten sich nun auch E-Scooter zunehmend auf den Straßen. Zusätzlich zur Versorgungsspannung für den Antrieb benötigen diese Fahrzeuge eine niedrigere Spannung von 12 V für Blinker und Scheinwerfer, welche typischerweise durch eine entsprechende Bleibatterie gepuffert wird. Ein neuer DC/DC-Konverter aus dem Hause FRIWO übernimmt die Versorgung dieser Zusatzbatterie aus der 48 V Traktionsbatterie.


Zurzeit ist das Thema Elektromobilität in aller Munde. Hintergrund sind zum einen die begrenzten fossilen Energieträger, speziell Erdöl, zum anderen aber auch die bei der Verbrennung entstehenden CO2-Gase, welche als Treibhausgase zur Erderwärmung beitragen sowie die damit zusammenhängende Umweltverschmutzung (beispielsweise durch Rußpartikel, Stickoxide etc.).


Unter den Fahrzeugen fristen die Elektroautos derzeit aber immer noch ein Nischendasein. Es gibt weltweit nur wenige Modelle und Hersteller. Ein Grund für diese Situation liegt sicherlich auch darin, dass der Level an gefordertem Komfort - gegebenenfalls auch Luxus – inzwischen sehr hoch liegt. Beispiele hierfür sind etwa die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor gewohnten Extras wie Klimaanlage, Sitzheizung oder beheizbare Front- und Heckscheibe.


Im Gegensatz zu den Elektroautos haben sich Elektrofahrräder jedoch rasant verbreitet. Und die jährlichen Absatzzahlen steigen immer weiter: Nach Angaben des Branchenverbands ZIV wurden im letzten Jahr alleine in Deutschland 605.000 E-Bikes verkauft. Damit ist der Anteil der E-Bikes am deutschen Gesamtmarkt von 12,5 Prozent in 2015 auf 15 Prozent im Jahr 2016 gestiegen. Rechnet man Kinderräder und Rennräder aus dem Markt heraus, ist der Anteil sogar noch deutlich höher. Laut ZIV sind damit zum Jahresanfang 2017 auf Deutschlands Radwegen insgesamt drei Millionen E-Bikes unterwegs.  Auch hier wird natürlich dem Komfortbedürfnis Rechnung getragen, in dem man durchaus flott, dabei aber kraftsparend unterwegs ist.*


Eine Erweiterung dieses Produktspektrums hin zu mehr Reichweite und Geschwindigkeit sind E-Scooter, auch Elektro-Mopeds oder Elektro-Leichtkrafträder genannt. Sind diese Fahrzeuge in Asien schon seit geraumer Zeit verbreitet, erfreuen sie sich auch hierzulande nach und nach zunehmender Beliebtheit. Mit der Verbesserung der benötigten Lade-Infrastruktur steigen auch die Zahlen der umweltfreundlichen Elektroroller auf den inländischen Straßen. Vor allem in Großstädten werden die leisen Zweiräder immer häufiger gesichtet, neben privaten Haltern wechseln auch immer mehr Lieferdienste zur umweltfreundlichen Alternative. Zudem gibt es immer mehr E-Scooter-Verleihe und Sharing-Modelle: Neben den Metropolen Berlin, Hamburg und München zählen auch viele Großstädte in Nordrhein-Westfalen zu den treibenden Kräften.


E-Scooter entnehmen die für ihren Betrieb benötigte Energie typischerweise einem 13-zelligen aufladbaren Akku. 13 Zellen mit einer Nennspannung von 46,8 V fallen noch unter die sogenannte Sicherheitskleinspannung, bieten jedoch schon ein Spannungsniveau, bei dem die resultierenden Ströme bei vorgegebener Leistung beherrschbar sind. Diese Zellenzahl etabliert sich aktuell als Industriestandard. Bei E-Scootern wird für Fahrtrichtungsanzeige (Blinker) und Scheinwerfer zusätzlich noch ein 12 V Spannungsniveau benötigt. Diese 12 V werden, wie heutzutage üblich, durch eine 12 V Bleibatterie gepuffert. Es ergibt sich somit die Notwendigkeit, die 12 V Batterie aus der 48 V Traktionsbatterie zu versorgen. Zu diesem Zweck hat FRIWO einen neuen DC/DC Konverter entwickelt, der genau diese Aufgabe übernimmt und dabei mannigfaltige Vorteile bietet:

 

  1. Neben der nominalen Ladeleistung von 150 W (13,8 V x 11 A Ladestrom) ist der Konverter in der Lage, einen kurzzeitigem Peakstrom in Höhe von 13,2 A (+20% Boost) zu liefern, was beispielsweise im Falle einer tiefenentladenen Batterie sowie bei kurzfristig auftretenden Bedarfsspitzen der Last von Vorteil ist.
  2. Der Wirkungsgrad des Konverters beträgt bis über 95%. Die hohe Leistungsdichte ermöglicht eine sehr kompakte Bauform. Für die kompakte Bauform sorgt auch die Kühlungsart des Konverters, denn diese erfolgt mittels natürlicher Konvektion. Der Konverter benötigt somit keinen Lüfter, zudem wird bei diesem Konverter auch keine externe Metallbefestigung zwecks Kühlung durch Vergrößerung der Oberfläche vorgenommen. Der hohe Wirkungsgrad ist auch die Basis für eine lange Lebensdauer und damit für eine hohe Zuverlässigkeit.
  3. Der weite Temperaturbereich für den Betrieb reicht von -20°C bis 80°C. Damit funktioniert der Konverter sowohl im tiefsten Winter als auch im heißesten Sommer – das Elektrofahrzeug ist stets einsatzbereit. Ab einer Temperatur 60°C reduziert das Gerät bei natürlicher Konvektion selbstständig die Ausgangsleistung (sogenanntes Derating).
  4. Das vergossene Gerät verfügt über einen Schutz gemäß IP67 und ist damit robust gegenüber den typischen Automobilanforderungen: Temperaturwechsel, Salzsprühnebel sowie Rüttel- und Schockbelastungen werden nicht mehr zum Problem
  5. Die elektrischen Eigenschaften sind ebenfalls von weitreichendem Vorteil: Neben dem weiten DC-Eingangsspannungsbereich von 30-60V verfügt der Konverter über eine sehr genaue Ausgangspannungsregelung mit <1% Abweichung. Ein niedriger Rückstrom von <100µA aus der 12V Batterie verhindert zudem eine ungewollte Entladung.
  6. Der Konverter verfügt über einen µController für zahlreiche Funktionen. Dazu zählen etwa ein Selbsttest nach dem Einschalten, die einstellbare (während der Produktion) Ausgangsspannung und -strombegrenzung, eine für den Parallelbetrieb optimierte Ausgangskennlinie, die Temperaturüberwachung des Gerätes mit Deratingfunktion sowie die Erfüllung kurzzeitiger Spitzenstromanforderungen, bis das Derating einsetzt.
  7. Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beinhaltet sowohl die Störaussendung als auch die Störfestigkeit des Gerätes gegenüber externen Störungen. Bei beiden Anforderungen erfüllt das Gerät die automobilen Standards: Niedrige Störaussendung (speziell auch im UKW Band) und eine hohe Störfestigkeit gegenüber Einstrahlungen und Überspannungspulsen.
  8. Das Gerät verfügt über eine Kommunikationsschnittstelle: Fest angeschlossen an das 48 V und 12 V-Bordnetz, wird der Konverter durch ein „Enable“-Signal aktiviert und quittiert mit einem „Power Good“-Signal den einwandfreien Betrieb
  9. Zur Sicherheit wurden auch redundante Schalter eingebaut. Diese verhindern einen Kurzschluss zwischen Eingangs- und Ausgangsbordnetz, falls einer der Leitungstransistoren zerstört wird und sich ein Kurzschluss bildet.
  10. Für höchste Sicherheit sorgen auch die weiteren Schutzfunktionen: Das Gerät ist dauerkurzschlussfest und verfügt sowohl über Überspannungs- als auch Übertemperaturschutz. Zudem erhöhen der Softstart nach Einschalten und der mechanische Verpolschutz für die Ein- und Ausgangsstecker die Sicherheit. Auch ein zusätzlicher elektronischer Verpolschutz kann vorgesehen werden.

Mit dem neuen DC/DC-Konverter hat FRIWO eine ideale Komponente für Light Electric Vehicles (LEV) entwickelt, welche das bestehende Produktportfolio mit Batterieladegeräten und Akkupacks optimal ergänzt und FRIWOs Integration als Systemanbieter in den Zukunftsmarkt Elektromobilität weiter vorantreibt.

 

* E-scooter startups conquer Germany's cities, https://www.wired.de/collection/tech/e-roller-startups-erobern-deutschlands-staedte


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