Wie Sie die Entwicklung von Automotive-Anwendungen mit zwei Batterien (12V und 48V) vereinfachen können

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Stromversorgungslösung für 48V/12V-Batteriesysteme

Sowohl aktive als auch passive Symmetrierung sind effektive Methoden, um durch Überwachung und Anpassung des Ladungszustands (SoC) jeder Zelle den SOH (State Of Health) zu verbessern.

Akkuzellen aktiv  symmetrieren

Die Automobiltechnologie befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. So hat sich beispielsweise bei der Fahrzeugbeleuchtung wie Scheinwerfer und Rückleuchten die Lichttechnologie von herkömmlichen Glühbirnen zu LEDs weiterentwickelt. ROHM bietet Lösungen mit Treiber-ICs, die für die Ansteuerung der LEDs erforderlich sind.

Fahrerassistenzsysteme / Automatisiertes Fahren

OEM Supplier

LED-Treiber-ICs für vielfältige Automobilanwendungen

Funktionalität, Komfort und Effizienz sind – insbesondere im Automobilbereich – das technologische Primat der Zeit. Was gestern noch innovative Studie war, ist heute längst Serie, ob Assistenzsysteme, Infotainment oder neue Antriebskonzepte und damit etwa auch das Batteriemanagement.

Eine gute Verbindung

Wie bei einem Gewitter treten auch in der Industrie elektrostatische Entladungen auf: Wenn der Unterschied zwischen den Ladungen zweier Gegenstände groß genug ist, kommt es zu einem schlagartigen Potenzialausgleich. Dieser Überschlag kann elektronische Komponenten zerstören. Auch elektromagnetische Felder, die entstehen, wenn sich elektrische Ströme und Spannungen verändern, können Bauteile beschädigen. Schutzfolien von Schreiner ProTech reduzieren das Risiko: Sie isolieren oder schirmen ab.

ESD- und EMI-Schutzfolien reduzieren  Schäden durch elektrische Spannungen

Die Anforderungen an die Robustheit elektronischer Bauteile gegenüber elektromagnetischen Störungen und einer sicheren Spannungsversorgung werden künftig weiter steigen. Für anspruchsvolle Anwendungen hat Ricoh neue Spannungsregler und Spannungs-Tracker entwickelt.

Stromversorgungs- und EMI-Lösungen für Off-Board-Sensoren und -Module

Je autonomer die Fahrzeuge der Zukunft unterwegs sind, desto stärker ändern sich auch die Anforderungen an den Innenraum. Unter dem Stichwort der Personalisierung werden beispielsweise Unterhaltungselektronik und Reisekomfort immer wichtiger. Im Zentrum der Innenraumgestaltung stehen dabei modernste Lichttechnologien, die mithilfe intelligenter LEDs realisiert werden können. Die Arbeit führender Unternehmen wie Osram Opto Semiconductors spielt bei der Realisierung dieser Anwendungen eine wichtige Rolle.

Intelligente Technologie von Osram  lässt Licht dynamisch werden

Kleine Motorantriebe im Automobilbereich erfahren momentan einen Wandel von simplen Anwendungen hin zu smarten Aktuatoren. TDK-Micronas beschreibt exemplarisch den Aufbau von Aktuatoren und Steuerelektronik und zeigt die Vorteile der Verzahnung von Controller, Hardware, Motor und Software auf.

Vollintegrierte Motor-Control-Lösung

Lithium-Ionen-Zellen in Hochleistungsakkus für Elektrofahrzeuge bieten eine immer höhere Energiedichte. Allerdings werden sie auch anfälliger hinsichtlich der thermischen Stabilität. Berstscheiben sorgen als Emergency Vents für eine kontrollierte Druckentlastung bei Überhitzung und schützen so Passagiere, benachbarte Zellen und Leistungselektronik.

Kontrollierte Druckentlastung

Mit der Zahl der Elektroautos steigt auch der Bedarf an entsprechenden Traktionsbatterien, die von Herstellern zunächst gelagert und dann in die entsprechenden Märkte transportiert werden müssen. Mithilfe des NovaCarts Charger von MicroNova lassen sich die Batterien in einen sicheren Zustand für den Transport versetzen und Qualitätsverluste bei der Lagerung vermeiden.

Akkus sicher lagern und transportieren

Melexis stellt die dritte Generation seines bewährten LIN-Treibers für kleine Motoren bis 10 W vor, die in Anwendungen wie etwa motorgesteuerte Klappen und Ventile sowie kleine Lüfter und Pumpen eingesetzt werden können.

Single-Chip-Lösung mit Mikrocontroller

Infineon Technologies erweitert ihre Produktfamilie OPTIGA Trust um eine spezielle Lösung für gesichertes induktives Laden. Dabei handelt es sich um eine Embedded-Sicherheitslösung, die auf den Standard Qi 1.3 für kabelloses Laden ausgerichtet ist. Anwendungsbereiche sind Ladestationen für Smartphones, Tablets u.ä. mit einer Ladeleistung von bis zu 15 W.

Gesichertes induktives Laden

Vishay Intertechnology präsentiert eine Serie neuer niederohmiger, AEC-Q200 qualifizierter Miniatur-Aluminium-Elektrolytkondensatoren. Sie bieten eine hohe Ripplestrombelastbarkeit bis 3,8 A und sind für eine sehr lange Lebensdauer von 10.000 Stunden bei 105 °C spezifiziert.

Miniatur-Aluminiumkondensatoren

ROHM bietet ultrakompakte MOSFETs in einem nur 1,0 mm x 1,0 mm großen DFN1010-Gehäuse an. Die gemäß AEC Q101 qualifizierten Bauelemente eignen sich für Anwendungen mit hoher Bestückungsdichte wie ADAS und Kfz-Steuergeräte.

Kompakte MOSFETs

TDK präsentiert die neue EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren-Serie B43647 mit Snap-in-Anschlüssen. Wegen ihres überdurchschnittlich hohen CV-Produkts sind sie für hochkompakte Lösungen in der Leistungselektronik besonders gut geeignet.

Hohes CV-Produkt und große Ripplestrom-Belastbarkeit

Siliziumkarbid  revolutioniert den Antriebsstrang

Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid bieten hohe Effizienz und Kostenvorteile auf Systemebene. Damit eignen sie sich beispielsweise hervorragend für Wechselrichter im Hauptantrieb von Elektrofahrzeugen, wie ROHM zeigt.

Während sich die Automobilindustrie auf den „Zero-Emissions“-Transport zubewegt, werden die Elektrifizierungsprogramme der Autohersteller rasch aufgestockt. Die meisten OEMs planen im Jahr 2025, weltweit große Mengen an batterieelektrischen (BEV) sowie hybriden Elektrofahrzeugen (HEV) ausliefern zu können.

Um die Erwartungen der Käufer hinsichtlich Reichweite, Ladezeit und Leistung zu erfüllen, benötigen diese Elektrofahrzeuge leistungselektronische Systeme, die einen effizienten und effektiven Betrieb bei erhöhten Temperaturen ermöglichen. Das Halbleitermaterial Siliziumkarbid (SiC) hat mit seinen physikalischen Eigenschaften großes Potenzial, die Anforderung solcher Markttrends zu erfüllen. Daher werden vermehrt Leistungshalbleiter basierend auf SiC-Technologien entwickelt. Die Vorbereitungen auf die zu erwartenden, großen Mengen an SiC-Bauteilen laufen bereits auf Hochtouren. ROHM als Marktführer im SiC-Bereich hat bereits Anfang 2018 angekündigt, die Produktionskapazität von SiC-Komponenten bis zum Jahr 2025 auf das Sechzehnfache der heutigen Kapazität zu erhöhen.

Trotz der hohen Preisunterschiede zwischen SiC- und Si-Halbleiterbauteilen macht sich die Integration von SiC auf Systemebene bezahlt. Die Kostenvorteile konnten anhand von diversen Vergleichen mehrfach bewiesen werden. Zusätzlich hat die SiC-Technologie einen Reifegrad erreicht, der dazu geführt hat, dass SiC für Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen, wie sie zum Beispiel im Automotive-Sektor benötigt werden, als potenzielle Lösung für Leistungselektroniksysteme zum Einsatz kommt.

Eine der potenziellen Applikationen für SiC ist der Wechselrichter für den Hauptantrieb von Elektrofahrzeugen. Um die Vorteile von SiC sowie den Vergleich zwischen zwei Antriebswechselrichtern (Si gegenüber SiC) aufzuzeigen, wird hier kurz darauf eingegangen.

In dem SiC-basierten Wechselrichter wurde das Gtype-Modul BSM600D12P3G001 von ROHM verwendet. Dieses ist ein Halbbrückenmodul, das die SiC-Trench-Gate-MOSFET-Technologie sowie die SiC-Schottky-Diode (SBD) verwendet. Das Bild oben zeigt zwei Antriebswechselrichter. Der linke Wechselrichter hat eine Bemessungsleistung von 200 Kilowatt und nutzt Leistungsmodule, die auf Si-IGBTs und Si-Fast-Recovery-Dioden (FRDs) basieren. Der rechte Wechselrichter wurde mit den neuentwickelten SiC-Modulen (Gtype) aufgebaut und weist eine Bemessungsleistung von 220 Kilowatt auf. Dank der SiC-MOSFETs und SiC-SBDs konnten ein besseres Konzept der Motorsteuerstrategie, ein effizientes Kühlsystem, eine niederinduktive Stromschienenkonstruktion und ein kompakter Zwischenkreiskondensator erfolgreich implementiert werden. Beide Wechselrichter sind wassergekühlt und beide Ausführungen können mit Batteriesystemen bis zu 800 Volt verwendet werden.

Wie in der Tabelle rechts dargestellt ist, weist der SiC-basierte Wechselrichter einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Leistungsdichte auf. Darüber hinaus wird eine Leistungsdifferenz von circa 20 Kilowatt im Vergleich zum IGBT-basierten Antriebswechselrichter erzielt, was mehr Traktion für das Fahrzeug während des Fahrens bedeutet.

Zurzeit ist bei den unterschiedlichen Fahrzeugherstellern zunehmend ein Trend hin zu einer erhöhten Batteriekapazität zu verzeichnen. Dies resultiert aus dem Versuch, die Problematik der Batteriereichweite von Elektrofahrzeugen zu lösen.

Die Antriebstechnik – sowohl der Antriebswechselrichter als auch der Antriebsmotor – verbraucht im Einsatz einen wesentlichen Teil der in der Batterie gespeicherten Energie. Jede Erhöhung des Wirkungsgrads im Antriebstrang würde demnach Vorteile bringen.

Das Diagramm oben zeigt die wirtschaftlichen Vorteile von SiC in Abhängigkeit von der Batteriekapazität im Jahr 2025. Basierend auf der Effizienz der Wechselrichter und dem WLTP-Standardfahrzyklus für Pkw beträgt das mögliche Kapazitätsverbesserungsverhältnis bis zu 5 Prozent. Der 400-Arms-Wechselrichter bietet erst bei Batteriegrößen von mehr als 32 Kilowattstunden einen wirtschaftlichen Nutzen. Da der Markt für SiC im Moment rasant wächst, erwartet man, dass sich die Preise der SiC-MOSFETs den Preisen für Si-IGBTs in naher Zukunft annähern und damit mehr wirtschaftliche Vorteile bringen. Es ist sehr stark davon auszugehen, dass die SiC-Technologie die IGBT-Technologie nicht in allen, aber in vielen Anwendungen verdrängt.

Demzufolge wird durch den Einsatz von SiC im Antriebsstrang bei gleicher Batteriekapazität eine längere Reichweite bzw. erhebliche Reduzierung von Batteriegröße und somit des Batteriegewichts für dieselbe Reichweite erwartet. Auf diese Weise können die Effizienz- und Gewichtsverbesserungen dem Autokäufer einen wirtschaftlichen Vorteil bringen.

Rohm Semiconductor GmbH  

www.rohm.com

Ausgabenartikel

Wirtschaftliche Vorteile von SiC für den Antriebsstrang im Jahr 2025.

Zwei Antriebswechselrichter: IGBT-basiert für 200 Kilowatt Leistung (links) und SiC-basiert für 220 Kilowatt Leistung (rechts).

Name - Hauptartikel

Aly Mashaly ist Director Power Systems bei der ROHM Semiconductor GmbH.

ausgabe 08/2020

ausgabe 07/2020

ausgabe 06/2020

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