Damit werden bisherige Optionen, die mechanische Relais nutzten, durch eine intelligente, zurücksetzbare und verlustarme Halbleiterlösung ersetzt. HV-Schalter sind ein unverzichtbares Bindeglied innerhalb einer HV-Architektur von modernen Battery Electric Vehicles (BEV). Diese werden eingesetzt, um auf der Hochvoltseite (400/800V-Seite) – abhängig von der Plattformarchitektur – Nebenaggregate sicher und eindeutig vom Rest der elektrischen Fahrzeugarchitektur zu trennen und damit größeren Schaden zu vermeiden.
Die Zukunft neuer Fahrzeug-Generationen ist nachhaltig, vernetzt und elektrifiziert!
„Wir definieren den Begriff „Design Service“ in der Distribution neu, indem wir Referenzprodukte entwickeln und Dienstleistungen anbieten, die den zukünftigen Anforderungen kommender Plattformen von Elektrofahrzeugen entsprechen.“, so Uwe Rahn, Director Automotive Business Unit bei Rutronik.
Elektro-Fahrzeuge der nächsten Generation werden über bis zu drei verschiedene Spannungsebenen verfügen:
- Ein 12V-Bordnetz für kleine Aktuatoren und sämtliche Steuergeräte,
- Ein 48V-Bordnetz für größere Stromverbraucher wie Wasserpumpen, EPS oder Kühlerlüfter und
- Ein 400 bis 800V-Bordnetz, welches das Batteriepack und die größten Verbraucher wie z.B. den Inverter, den Hochvolt-Heizer, den OBC, den HV/LV DCDC und die HVAC enthält.
Speziell letzteres erfordert ein Höchstmaß an Sicherheit und Verlässlichkeit bei allen verbauten Komponenten.
Technologien „State-of-the-Art“ für das BEV der Zukunft
Schaltungstechnisch besteht der HV-Trennschalter aus einer isolierten 800V Powerstage mit einer 12V Mess- und Auswerteelektronik und einem AURIX TC375 Lite Kit. Realisiert wird das Konzept des HV-Trennschalters in der Schaltstufe mit Hochleistungshalbleitern der neuesten SiC Generation von ROHM, einer galvanischen Trennung der Messkanäle, hochpräzisen Shunts, neuen Optokopplern und sämtlichen Schutzbauteilen von Vishay. Dazu kommt die Ansteuerung über einen AURIX Microcontroller der zweiten Generation von Infineon.
Innovation für höchste Ansprüche
Mit den 1200V SiC MOSFETs der vierten Generation im SMD-Gehäuse und einer genau abgestimmten Ansteuerung über einen SiC-Gatetreiber ist der HV-Trennschalter in der Lage Leistungen von bis zu 40kW zu schalten. Die dabei entstehende Verlustleistung erreicht ca. 16W. Die dadurch entstehende Wärme kann bei Raumtemperatur (25°C) passiv abgeleitet werden. Damit übertrifft das neue innovative Konzept die Anforderungen von Premium OEMs.
Der HV-Trennschalter verfügt über einen Vorladepfad, mit dem kapazitive Lasten über einen SiC-MOSFET, in Reihe geschaltete Vorladewiderstände und zwei implementierten Pre-Charge-Modi (13ms bzw. 130ms) vorgeladen werden können, um somit einen möglichen Überstrom beim Einschalten zu verhindern. Die Ansteuerung der Haupt-MOSFETs ist über einen galvanisch getrennten SiC-Treiber realisiert, welcher über einen neuen Polymer-Tantal-Kondensator (T51-Serie von Vishay) gepuffert wird. Der Vorlade-MOSFET wird über einen galvanisch-getrennten Optokoppler mit Phototransistorausgang (VOMA617A) angesteuert. Der maximale Laststrom des Trennschalters kann entweder über den Microcontroller oder im Stand Alone-Betrieb individuell über ein Potentiometer eingestellt werden.
Die Powerstage verfügt über hochpräzise Shunts von Vishay, welche sich durch ihre äußerst genaue bi-direktionale Messung des Batteriestroms auszeichnen. Signale der Strom-/Spannungsmessung werden galvanisch getrennt (Floating Measurement) übertragen, durch Messsignalverstärker aufbereitet und an den Microcontroller weitergegeben. Die galvanische Trennung zur 12V-Seite übernehmen die neuen, linearen automotive Optokoppler VOA300 von Vishay. Diese zeichnen sich durch einen großen Kopplungsfaktor und hoher Bandbreite aus und bilden eine sehr kostengünstige Lösung.
Je zwei in Reihe geschaltete Hochspannungs-MLCCs realisieren die galvanisch getrennte Spannungsversorgung der Komponenten auf der HV-Seite wie den OpAmps. Diese Versorgung beinhaltet eine Push-Pull Treiberstufe mit 50 kHz. Das AURIX Board wird über eine Kabelverbindung angeschlossen und kann nach erfolgreicher Verbindung über eine bereits implementierte Software die aufbereiteten Messwerte ausgeben. Die Konfiguration und das Auslesen von Messwerten der eFuse mit AURIX-Steuerung erfolgt mittels einer vorhandenen CAN-Schnittstelle.
Exakte Messungen, Diagnosefunktion und Schutzvorkehrungen
Neben den präzisen Strom- und Spannungsmessungen verfügt das Konzept zusätzlich über eine Diagnosefunktion und weiteren Schutzmaßnahmen, wie die Over-Current-Detection mit einstellbarem Threshold, In- & Output Transientenschutz sowie zusätzlichen TVS-Dioden für die Sicherung der Stromversorgung. Die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannung erfolgt über ratiometrische Schwellwerte, welche somit auch eine Benutzung für 400V-Systeme ermöglicht. Außerdem verfügt das Referenzdesign über eine Status-Anzeige mit LEDs sowie zwei Taster zum manuellen Steuern. Ausgestattet mit einem Gehäuse, das den Zugang zu allen Messpunkten erlaubt, ist auch der Berührungsschutz gewährleistet.
Für höchste Ansprüche und eine optimierte Time-to-Market
Das innovative Referenzdesign stellt Rutronik ausgewählten Kunden mit überdurchschnittlichen Anforderungen zur Verfügung und ermöglicht damit die schnelle und qualitativ hochwertige Umsetzung eines hochmodernen Schaltungskonzepts bei zukünftigen Projekten.
