Elektrofahrzeuge (E-Mobilität) sind vielleicht eine der größten Herausforderungen, denen sich Technologieunternehmen und Verbraucher in den letzten Jahren stellen mussten. Es besteht ein zunehmender Bedarf an umweltfreundlichen Systemen, die die Art und Weise, wie wir uns fortbewegen, revolutionieren können. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die neuen umweltfreundlichen Technologien in Bezug auf Preis und Leistung so effizient und effektiv wie möglich sind.
Fahrzeughersteller müssen immer strengere CO2-Emissionsnormen einhalten und gleichzeitig die Fahrzeugleistung steigern, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Diese große Herausforderung wird durch die Elektrifizierung von reinen Elektrofahrzeugen (EVs), Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICEs) angegangen. Die Hinzufügung von Batterien mit höherer Spannung, wie 48V, 400V und 800V, um den gestiegenen Leistungsanforderungen gerecht zu werden, hat wiederum die Komplexität der Stromversorgungsarchitekturen erhöht und neue Anforderungen in Bezug auf Größe und Effizienz gestellt
Mild-Hybrid-Elektrofahrzeug-Systeme (MHEV) sind das Tor zur Elektrifizierung. Sie werden auch als Light-Hybrid-Antrieb bezeichnet und werden zum exponentiellen Wachstum der Hybridmodelle beitragen. Das MHEV-System ist in der Lage, die Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zurückzugewinnen und liefert Energie beim Wiederanfahren des Fahrzeugs, wodurch der Gasverbrauch und die CO2-Emissionen gesenkt werden.
Ein zweiter Elektrifizierungsansatz für HEV-Modelle besteht darin, dass ein Elektromotor mit dem Verbrennungsmotor zusammenarbeitet, so dass das Fahrzeug für einige Kilometer zu 100 % elektrisch fahren kann. Eine weitere beliebte Alternative ist das Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV), bei dem die Batterie über das Stromnetz aufgeladen werden kann und sich die Reichweite bei Null-Emissionen auf etwa 50 Kilometer erhöht. In diesem Fall ist der Elektrifizierungsgrad deutlich höher als bei den MHEV- und Hybridtechnologien – ebenso wie die Anschaffungskosten -, wobei Dutzende von PHEV-Modellen auf den Markt kommen.
Batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) haben keinen Verbrennungsmotor und werden stattdessen durch eine Kombination aus Inverter und Elektromotor angetrieben. BEVs können über das Stromnetz und während der Rekuperation beim Bremsen wieder aufgeladen werden. Unter den Elektroautos gibt es auch Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREVs), bei denen ein kleiner Verbrennungsmotor ausschließlich als Stromgenerator dient, um die Batterien bei niedrigem Ladezustand wieder aufzuladen. Die letzte Kategorie bilden Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV), die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden.
Die Lösung könnte nicht nur in neuen Energiespeichertechnologien wie Festkörperbatterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen, sondern auch in einer verbesserten Fahrzeugeffizienz durch Gewichtsreduzierung und neue elektrische Architekturen.
Die heutigen Herausforderungen bei der Elektrifizierung
„Die heutigen Herausforderungen bei der Elektrifizierung sind folgende: die Kosten niedrig halten, aggressive CO2-Emissionsziele erfüllen, Änderungen des Energiebedarfs bewältigen, alte 12-Volt-Lasten mit Strom versorgen, leichtere, leistungsfähigere Fahrzeuge liefern, höhere Leistungsstufen, schnellere Ladezeiten und höhere Spannungen von 800-V- und 400-V-Batteriesystemen bewältigen“, sagte Patrick Wadden, Global VP Automotive Business Development bei Vicor Corporation.
Die Hersteller von Pkw, Lkw, Bussen und Motorrädern elektrifizieren ihre Fahrzeuge rasch, um die Kraftstoffeffizienz von Verbrennungsmotoren zu erhöhen und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Es gibt viele Möglichkeiten der Elektrifizierung, aber die meisten Hersteller entscheiden sich eher für ein 48-Volt-Mild-Hybrid-System als für einen Voll-Hybrid-Antriebsstrang. Beim Mild-Hybrid-System wird neben der herkömmlichen 12-Volt-Batterie eine 48-Volt-Batterie eingebaut.
„Im Fahrzeug befindet sich entweder eine 800- oder eine 400-Volt-Batterie. Vicor entnimmt entweder die 800- oder die 400-Volt-Batterie und wandelt den Strom in 48 Volt um, um Verbraucher wie den elektrischen Turbo, die Windschutzscheibe und die Kühlpumpen zu betreiben. Systeme, die von der 800- oder 400-Volt-Batterie gespeist werden, haben die Möglichkeit, die 48-Volt-Batterie vollständig zu eliminieren und eine virtuelle 48-Volt-Batterie zu schaffen. Der Wegfall der 48-V-Batterie bietet dem OEM eine höhere Leistungsdichte, eine Verringerung des Gewichts und der Größe und ermöglicht so eine größere Fahrzeugreichweite. Diese Lösungen sind skalierbar und eignen sich daher für Fahrzeuge der Einstiegsklasse bis hin zur Luxusklasse“, sagte Wadden.
48V-Technologie verteilt die Leistung effizient
48V-Technologie erhöht die Leistungsfähigkeit um das Vierfache (P = V – I), was für schwerere Lasten wie die Klimaanlage und den Katalysator beim Anfahren genutzt werden kann. Zur Steigerung der Fahrzeugleistung kann das 48-V-System einen Hybridmotor antreiben, der für eine schnellere und sanftere Beschleunigung sorgt und gleichzeitig Kraftstoff spart.
„Die größte Herausforderung könnte darin bestehen, das seit langem bestehende kostenoptimierte 12-Volt-Stromversorgungsnetz (PDN) zu ändern“, sagte Wadden. Er fuhr fort: „Für die Automobilindustrie bietet ein 48-Volt-Mild-Hybrid-System die Möglichkeit, schnell neue Fahrzeuge mit geringeren Emissionen, größerer Reichweite und höherem Benzinverbrauch auf den Markt zu bringen, die zudem praktisch sind. Außerdem bietet es neue und interessante Designoptionen für höhere Leistung und Funktionen bei gleichzeitiger Reduzierung der CO2-Emissionen.“
Die überwiegende Mehrheit der verwendeten zentralisierten DC-DC-Wandler ist sperrig und schwer, da sie alte PWM-Niederfrequenz-Schalttopologien verwenden. Eine modernere Architektur, die in Betracht gezogen werden sollte, ist die dezentrale Energieversorgung (Abbildung 4) unter Verwendung von Leistungsmodulen.
„Die Vorteile eines dezentralen Modells können auf Systemebene mit einer leichteren Verkabelung im Fahrzeug noch stärker zum Tragen kommen: Die Platzierung des Wandlers in unmittelbarer Nähe der Last bietet einige Vorteile in Bezug auf die Minimierung der Impedanz und des Widerstands, einige der Kühlmethoden können vereinfacht werden und in einigen Fällen kann auf eine Kühlplatte oder Flüssigkeitskühlung verzichtet werden. Die Möglichkeit, funktionale Sicherheit mit mehr Optionen und Flexibilität zu implementieren, kommt ins Spiel“, sagte Wadden.
Diese Stromversorgungsarchitektur verwendet kleinere 48V-zu-12V-Wandler mit geringerem Stromverbrauch. Die dezentrale Stromversorgungsarchitektur bietet erhebliche Vorteile für das Wärmemanagement in einem Stromversorgungssystem.
„Schauen wir uns ein übersichtliches Diagramm eines zentralen Systems im Vergleich zu einem dezentralen System an. Auf der linken Seite sehen wir eine herkömmliche 3-kW-Silberbox mit einem 400-V-Eingang und einem 12-V-Ausgang, der 12-V-Lasten im Auto versorgt. Rechts ist ein Beispiel für die Verwendung von 48 V im Fahrzeug zu sehen: Der Konverter ist direkt am Ort der Last platziert, das dezentrale Modell kommt ohne den großen silbernen Kasten aus und verteilt die Energie nach Bedarf im Fahrzeug. Dies ermöglicht auch die Implementierung von ASIL FUSA mit redundanter Versorgung. Da die Leistungsanforderungen steigen, wird es immer schwieriger, sie zu verwalten, und es ist keine Option, weiterhin diese älteren, traditionellen silbernen Kästen hinzuzufügen“, sagt Wadden.
Neue 48V-PDNs müssen alte 12V-Lasten mit erhöhtem Leistungsbedarf und neue Hochleistungsantriebs-, Lenk- und Bremssysteme mit Kabeln unterstützen. Die Bereitstellung von mehr 48-V-Strom mit einer steigenden Anzahl von Lasten erfordert Module mit hoher Dichte im Vergleich zu größeren, sperrigeren diskreten Lösungen. Vicor bietet verschiedene Module für die Stromversorgung mit 48 V an. Dazu gehören Lösungen mit festem Übersetzungsverhältnis und geregelten Wandlern, die sowohl 48V- als auch 12V-Lasten im Buck- oder Boost-Modus unterstützen. Diese Wandler können in einem einzigen Gehäuse untergebracht oder mit einem kleineren und leichteren 48V-PDN im Fahrzeug verteilt werden.
Das Vicor NBM wird in einer dezentralen Architektur immer dann eingesetzt, wenn OEMs Spannungswandlerstufen um das Fahrzeug herum platzieren müssen, die der Last am nächsten sind und entweder 48 V auf 12 V heruntertransformieren oder 12 V auf 48 V verstärken.
Mit dem Einsatz von 400V- und 800V-Ladestationen erfordert die Kompatibilität des Fahrzeugs mit jeder Station eine möglichst einfache und vor allem effiziente Wandlerlösung. Der NBM6123 bietet eine 6,4-kW-Umwandlung mit festem Verhältnis von 400 V und 800 V in einem 61 x 23 mm großen CM-ChiP-Gehäuse und ermöglicht eine skalierbare, hocheffiziente Lösung mit hoher Dichte für die Kompatibilität zwischen Ladestationen am Straßenrand und verschiedenen Fahrzeugen. Die bidirektionale Fähigkeit der Vicor-Lösungen ermöglicht es, dasselbe Modul für die Aufwärts- oder Abwärtswandlung zu verwenden. Das NBM6123 kann auch für die Stromversorgung der Fahrzeugklimatisierung während des Ladevorgangs verwendet werden, wodurch der Batterieausgleichsschaltkreis minimiert wird.
Fazit
Die Elektrifizierung von Fahrzeugen nimmt heute viele Formen an, und ihre Stromversorgung ist kompliziert. Ein Fahrzeug besteht aus vielen verschiedenen Systemen, die alle einen unterschiedlichen Energiebedarf haben können. Ein modularer Stromversorgungsansatz ist von Natur aus flexibler und skalierbar und kann eine Vielzahl dieser Herausforderungen bewältigen. Die leistungsstarken Lösungen von Vicor sind klein und leicht und für die Stromumwandlung, -aufladung und -bereitstellung für jedes System ausgelegt.
Maurizio hat im Bereich der Gravitationswellenforschung und in Weltraumforschungsprojekten als Entwicklungsingenieur gearbeitet. Manchmal fragt er sich, ob uns jemand dort oben Botschaften schickt, die wir nicht empfangen haben oder entschlüsseln können. Maurizio ist Elektronikingenieur und hat einen Doktortitel in Physik. Maurizio schreibt und erzählt gerne Geschichten über Technik und Elektronik. Seine Hauptinteressen sind Energie, Automotive, IoT, Digital. Maurizio ist derzeit Chefredakteur von Power Electronics News und europäischer Korrespondent der EE Times. Außerdem betreut er die Diskussionen auf EEWeb.com. Er hat verschiedene technische und wissenschaftliche Artikel und einige Bücher für Springer über Energy Harvesting und Data Acquisition and Control System geschrieben.