Automobilelektronik umfasst verschiedenartige Systeme von Unterhaltung und Kommunikation über Fahrerassistenzsysteme bis zur Traktionskontrolle in konventionellen, elektrischen und hybriden Fahrzeugen. Ein gemeinsames Element aller Fahrzeugelektronik ist die Stromumwandlung von einer Batteriespannung, gleich ob von einer 12V Blei-Säure-Batterie oder einem 400V Lithium-Ionen-Akku, zu einer stabilen geringeren Spannung für die Stromversorgung der Elektronik. In einem Elektrofahrzeug (EV) gibt es an Bord zudem einen Stromwandler zum Laden der Batterie aus einer heimischen Stromversorgung oder einer Ladestation unterwegs. In der EV/HEV-Ökologie gibt es zudem verschiedene Aufwärts- und Abwärtswandler innerhalb von Subsystemen und Ladepunkte für Hochleistungs-Schnellladestationen für schnelle Aufladung mittels Drehstrom-AC/DC-Wandlern. Bidirektionale AC/DC-Wandler werden zunehmend eingesetzt, sodass Energie von den Batterien für eine netzunabhängige AC-Versorgung oder zum Netz für eine Lastregelung zurückgeführt werden kann oder für die effiziente Konditionierung von Hochvolt-Batteriepacks für maximale Leistung mit hohen Spannungen bereitsteht.
Charakteristika der Stromversorgung im Automobilbereich
Batterien mit 12V werden in allen Fahrzeugarten einschließlich Elektroautos weiterhin benötigt, da viele Sicherheitssysteme (Airbags, Gurtstraffer, automatische Bremssysteme usw.) nur für eine Versorgung mit 12V zertifiziert sind. Die Spannung einer 12V Blei-Säure-Batterie kann in einem weiten Bereich schwanken, von Startbedingungen in kalter Umgebung bis zu hohen Überspannungen während 'Lastabwurf'. Der Standard LV124 (auch bekannt als VW80000) definiert die Werte für Systeme mit 12V Nennspannung sowie LV148 für Systeme mit 48V, wie es sie Hybridfahrzeugen (HEVs) gibt. (Abbildung 1). Das sind die Spannungsniveaus, die von Quellen hoher Leistung bestehen können, aber es gibt auch schnelle Transienten mit geringer Energie bei höheren Spannungen, positive und negative, die gemäß der Standards ISO-7637-2 und ISO 16750-2 für Stromversorgungsleitungen vorhanden sein können.
Neben verschiedenen Ausfallsituationen und langsam veränderlichen Spannungen geben die LV-Standards auch den Nennwerten überlagerte AC-Spannungen mit bis zu 6V Spitze-Spitze-Amplitude und Frequenzen von 15Hz bis 200kHz an.
Stromwandler benötigen zusätzliche Filterung und Schutz
Zur Einhaltung der LV-Standards und strikten EMV-Emissionsgrenzwerte im Automobilbereich (typisch CISPR25) brauchen alle Stromwandler, die zur Verbindung mit dem Bordnetz vorgesehen sind, gegenüber üblichen kommerziellen oder Industriebauteilen eine zusätzliche Filterung und Verpolungsschutz (Abbildung 2). Je nach Einstufung der Wandler kann auch ein Überspannungsbegrenzer nötig sein, der sämtliche hohen Überspannungen runterregelt und im normalen Betrieb nur einen minimalen Spannungsabfall verursacht.
Stromwandler für kritische Anwendungen wie Motorsteuerung und Sicherheitssysteme sind häufig diskret aufgebaut, in die Host-Elektronik eingebettet und aus Bauelementen gefertigt, die nach den entsprechenden Belastungstests und Automobilspezifikationen zertifiziert sind. Berücksichtigte Standards liegen im Bereich des Automotive Electronics Council AEC-Q: AEC-Q101 für Halbleiter, AEC-Q200 für passive Bauelemente und AEC-Q400 für Multichip-Module mit verschiedenen Einstufungen der Betriebstemperatur für die jeweilige Automobilumgebung von hohen Temperaturen im 'Motorraum' bis zur relativ günstigen Umgebung des Fahrzeuginnenraums. Die diese Bauelemente liefernden Firmen haben die Zertifizierung gemäß IATF 16949:2016 für den Automobilbereich, womit sie nachweisen, dass ihre Qualität die geforderten Standards erfüllt. Der Lieferant kann auch ein Produktionsteil-Freigabeverfahren (PPAP) etablieren, um die Freigabe und Kontrolle von Bauelementen und Montageverfahren vor, während und nach der Fertigung zu gewährleisten.
Beispielprodukt der Automobilbranche RECOM RAQ-0505S
Der RAQ-0505S (Abbildung 3) ist ein isolierter DC/DC-Wandler für den allgemeinen Automobilbereich für Anwendungen, wo eine gefilterte Stromversorgung mit 5V DC bereits verfügbar ist, um einen isolierten Ausgang mit 5V und 1W mit vollem und dauerhaften Kurzschlussschutz bereitzustellen [1].
Die Isolationseinstufung des SMT-Wandlers ist 5kV DC/1s (2,8kV AC/1min) mit >4mm Kriechstrecke. Eine typische Anwendung für das Bauteil ist die Erzeugung von isolierten 5V für das CAN-Bus Datensystem, das in den meisten Fahrzeugen verwendet wird. Eine weitere primäre Anwendung ist die Stromversorgung für Stromsensoren auf der Hochvoltseite in Batteriemanagementsystemen in EVs (Abbildung 4). Hier braucht der Sensorstromkreis lokal eine 5V Stromversorgung, die wegen ihres Offsets von der Systemerdung um die 400V Batteriespannung isoliert sein muss. Solche isolierten Stromversorgungen ermöglichen auch eine modulare Batterie, wo jede Zelle unabhängig überwacht und gesteuert werden kann, so dass bei einem Ausfall einer Einzelzelle, mehrerer Zellen oder eines Clusters die Batteriespannung nicht beeinträchtigt ist. Das bedeutet, es sind viele lokal isolierte Versorgungen mit 5V in einer Einheit nötig, die sowohl von der Niederspannungsversorgung als auch untereinander isoliert sind.
Der RAQ-0505S arbeitet von -40°C bis +105°C ohne Derating, ist in der gemäß IATF 16949:2016 zertifizierten RECOM-Fabrik in Taiwan hergestellt und hat eine PPAP-Dokumentation. DC/DC-Wandler haben keine eigene AEC-Q Kategorie für Stresstests, so dass das Bauteil vom Design her gemäß AEC-Q200 für Betriebsdauer, Stoß und Schwingungen, Board-Flex-Fähigkeit, ESD, Festigkeit der Anschlüsse sowie Temperaturwechsel (1000 Zyklen) verifiziert wurde. Zusätzlich sind auch die Tests gemäß AEC-Q104 für Zuverlässigkeit auf Board-Ebene, Lagerung bei tiefen Temperaturen, Falltest und Temperaturschritte anwendbar. Die DC/DC-Wandler sind vom Design her ebenso nach ISO 16750 geprüft und für die Sicherheitszulassung gemäß IEC 60950-1 zertifiziert. Die EMV ist mit einem einfachen externen Filter konform zu CISPR25 Level 3 und EN55032. Die Zuverlässigkeit zeigt eindrucksvolle 1000 Stunden bei der maximalen Betriebstemperatur von 105°C gemäß MIL-HDBK 217F.
RECOM DC/DC-Wandler in Produktionsanwendungen der Automobilbranche
Andere Produkte von RECOM werden ähnlichen Tests bezüglich Umgebung, beschleunigter Lebensdauer (HALT) und Produktionstests für das RAQ-Teil unterzogen und sind in derselben für den Automobilbereich anerkannten Einrichtung hergestellt, sodass für diese hochwertigen modularen DC/DC-Wandler auch Platz ist im weiten Bereich der Fertigung, Industrieautomatisierung, bei Prüf- und Messanwendungen in der Fahrzeugherstellung und bei unkritischen Automobilanwendungen. In der Roboterfertigung verwendete CAN-Bus-Isolatoren sind eine beliebte Anwendung für die RKE-Baureihe, RB-Bauteile werden in Schaltungen für Leckstromdetektoren im Automobilbereich eingebaut und die RP- und RKE- Bauteile finden sich in Bordladegeräten, um nur ein paar Beispiele zu nennen.
DC/DC-Wandler mit großem Eingangsspannungsbereich wie der REC15E-Z für 6-36V oder 18-75V eignen sich für Versorgungen im Automobilbereich mit 12V und 48V Nennspannung. AC/DC-Wandler zwischen den Phasen haben sich in den Ladeschaltungen für Automobile als Hilfsstromversorgung für die Schaltungen zur Zugangsaushandlung etabliert.
Power Control Systems RECOMs jüngstes Mitglied kümmert sich um bidirektionale AC/DC-Anwendungen
Power Control Systems [2], jetzt Teil der RECOM-Gruppe, ist ein alteingesessener Lieferant kundenspezifischer Hochleistungslösungen hoher Zuverlässigkeit für die Bereiche Schienenfahrzeuge, Medizin, Militär und Energietechnik. Kürzlich wurde ein bidirektionaler AC/DC-Wandler mit 10kW vorgestellt (Abbildung 5). Die Anfangsversion nutzt einen Drehstromeingang/-ausgang und hat einen kurzschlussfesten Ausgang mit 20V und 500A. Mit dem bidirektionalen Stromfluss hat das Modell bei der kontrollierten Ladung und Entladung zur Batterie-Konditionierung Anwendung gefunden, sodass Batteriepacks vollständig geladen, entladen und wieder geladen werden können, um die volle Kapazität zu erreichen. Beim Entladevorgang geht die Energie nicht verloren, sondern wird zurück in das Netz eingespeist. Das Produkt hat eine digitale Schnittstelle zur Steuerung und Überwachung für die Lade- und Entladezyklen.
Modulare Wandler sparen Entwicklungszeit
Modulare Stromwandler von qualifizierten Herstellern können eine kostengünstige Lösung für Automobilanwendungen mit wettbewerbsfähigen Stückpreisen und Einsparungen bei Entwicklungs- und Zertifizierungszeit sein. Die RECOM-Gruppe bietet zusammen mit der neu übernommenen Power Control Systems Produkte von 1W bis 10kW mit einem wachsenden Portfolio an AEC-Q verifizierten Bauteilen an.
Komponenten gibt es auf <link www.rutronik24.de _blank external-link-new-window "open internal link">www.rutronik24.de</link>.
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