Neue Chips für mehr Reichweite von Hybrid- und Elektrofahrzeugen

| Redakteur: Michael Eckstein

Skalierbar: Das bestmögliche Ausnutzen elektrischer Energie in Autos erfordert effizientes Batteriemanagement.
Skalierbar: Das bestmögliche Ausnutzen elektrischer Energie in Autos erfordert effizientes Batteriemanagement. (Bild: Texas Instruments)

Aktionsradius erhöhen, CO2-Emmissionen senken: Neue Batteriemanagement-ICs von TI und Referenzdesigns sollen Hybrid- und Elektrofahrzeugen zu mehr Reichweite verhelfen.

Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge sollen helfen, den Ausstoß schädlicher (Klima-)Gase wie CO2 zu reduzieren. Der Weg hin zu weitgehend energieunabhängigen Fahrzeugen führt von Micro- und Mild-Hybrid- über Full-Hybrid- und Plug-In-Hybrid- und letztlich rein batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen. Damit diese Vehikel elektrische Energie so gut wie möglich nutzen können, ist ein effizientes Batteriemanagementsystem (BMS) essenziell. Texas Instruments (TI) hat nun ein Gesamtpaket aus neuen Analog-ICs und darauf basierenden, zertifizierten Referenzdesigns für Batteriemanagement- und Traktionswechselrichter-Systeme geschnürt. Die Designs helfen Autobauern, für ihre Entwicklungen den „Automotive Safety Integrity Level D“ (ASIL D) zu erreichen, die höchsten Funktionssicherheits-Vorgabe der für Straßenfahrzeuge geltenden Norm ISO 26262.

Kern des neuen Referenzdesigns ist der Batteriewächter- und Balancer-Baustein BQ79606A-Q1. Laut Hersteller ist er für Überwachungsschaltungen von 6 bis 96 Zellen skalierbar. Für 6 Zellen ist demnach eine nur 20 mm x 40 mm große, auf einem BQ79606A-Q1 basierende Schaltung nötig. Das Design implementiert die Batterieüberwachung in einer Daisy-Chain-Konfiguration zur Realisierung eines hochpräzisen und zuverlässigen Systemdesigns für 3 bis 378 in Serie geschaltete Lithium-Ionen-Akkusätze mit Spannungen von 12 V bis 1,5 kV. Bis zu 64 Zellen lassen sich in die Daisy-Chain einbinden, für die TI ein eigenes Protokoll entwickelt hat.

Ringverbindung für zusätzliche Funktionalität

Optional ist zusätzlich eine Ringverbindung der eingesetzten Bausteine möglich. „Diese ist zwar nicht für die ASIL-D-Zertifizierung erforderlich, stellt aber eine zusätzlich Sicherheitsfunktion dar“, sagt Karl-Heinz Steinmetz, General Manager Automotive Systems, HEV/EV & Powertrain von TI. So seien alle verketteten Bausteine auch bei einem Kabelbruch adressierbar und somit weiter nutzbar. Dieser ließe sich eindeutig lokalisieren und ein Warnsignal ins Armaturenbrett einblenden. Außerdem könnte das Fahrzeug noch weiter fahren, beispielsweise zur nächsten Werkstatt. Ohne diese Ringverbindung müsste das Fahrzeug hingegen nach ASIL D in einen sicheren Systemzustand wechseln, was in der Regel Stillstand bedeutet.

„Damit ein Fahrzeug die in der Batterie gespeicherte Energie optimal nutzen kann, ist es nötig, die Ober- und Untergrenze der Kapazität genau zu bestimmen“, sagt Steinmetz. Daher habe TI den BQ79606A-Q1 so ausgelegt, dass er überwacht Temperatur- und Spannungswerte sehr präzise überwachen kann. Das helfe, den Aktionsradius zu maximieren und die Batterie vor Überladung zu schützen, was ihrer Lebensdauer zugutekomme.

„Darüber hinaus sorgt der Batteriewächter BQ79606A-Q1 für eine sichere Zustandsübermittlung“, erklärt Steinmetz weiter. Dies wiederum unterstütze Systemdesigner bei der Einhaltung von Sicherheitsanforderungen bis ASIL D. Um die ASIL-D-Anforderungen erfüllen zu können, sei der Baustein intern vollredundant ausgelegt. Über 6 ADC-Eingänge lassen sich laut TI externe Sensoren etwa für Temperaturmessungen anschließen. „Letztlich ist Safety, also die funktionale Sicherheit, immer eine Systemfrage“, sagt Steinmetz. „Und dafür ist der Hersteller verantwortlich.“

Zuverlässiges Wärmemanagement im gesamten Traktionswechselrichter-System

Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen müssen mit hohen Strömen klarkommen. Traktionswechselrichter und Batterien arbeiten mit Leistungen von oft etlichen Kilowatt. Dabei können sich Bauteile stark erwärmen, und die hohen Temperaturen sind potenziell schädlich für die ebenso kostspieligen wie empfindlichen Elemente des Antriebsstrangs. Ein ausgefeiltes Wärmemanagement des Systems ist deshalb entscheidend nicht nur für die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs, sondern auch für den Schutz seiner Insassen.

Um Antriebsstrang-Systeme wie etwa einen 48-V-Startergenerator vor Überhitzung zu schützen, hat TI den Präzisionstemperatursensor TMP235-Q1 mit Analogausgang entwickelt. Er ist seit Mitte März 2019 erhältlich und Teil des jetzt vorgestellten Referenzdesigns.

Der Baustein verbraucht laut Hersteller wenig Strom, im Ruhemodus lediglich 9 µA. Seine Genauigkeit liege bei typisch ±0,5 °C bzw. maximal ±2,5 °C über den vollen Temperaturbereich von -40 °C bis +150 °C. „Das hilft Traktionswechselrichter-Systemen auf Temperatursprünge zu reagieren und die richtigen Temperaturmanagement-Techniken anzuwenden“, sagt Steinmetz.

Fortschrittlicher, platzsparender Schutz für Traktionswechselrichter-Systeme

Zusammen mit den ebenfalls kürzlich vorgestellten Gate-Treibern UCC21710-Q1 und UCC21732-Q1 soll der Temperatursensor Entwicklern das Realisieren kleinerer und effizienterer Traktionswechselrichter-Designs erleichtern. Die Bausteine sind laut TI die ersten isolierten Gate-Treiber mit integrierten Sensorfunktionen für IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) und FETs auf SiC-Basis (Siliziumkarbid). TI bietet die Treiber-Bausteine in zwei Varianten an: Eine mit integriertem FET (Miller-Clamp), eine mit externem FET ¬– Entwickler haben dadurch mehr Freiheitsgrade, um die Schaltelemente nah an den Leistungsstufen zu platzieren.

„Mit unseren neuen Gate-Treibern lässt sich die Systemzuverlässigkeit in Anwendungen mit Betriebsspannungen bis zu 1,5 kVRMS erhöhen“, erläutert Steinmetz. Sie isolieren gegen Spannungsspitzen bis zu 12,8 kV sowie und sind für eine Nenn-Isolationsspannung von 5,7 kV ausgelegt. Darüber hinaus würden die Bauelemente mit kurzen Ansprechzeiten punkten: „Sie schützen gegen Überstrom-Ereignisse und gewährleisten gleichzeitig ein sicheres Abschalten des Systems.“

Mit einem weiteren neuen Referenzdesign ermöglicht TI das Versorgen der neuen Gate-Treiber direkt aus dem 12-V-Bordnetz. Es beherrscht drei Arten von Bias-Versorgungsoptionen für IGBTs und SiC-FETs für die Leistungsstufen von Traktionswechselrichtern. Das Design besteht laut Steinmetz aus Verpolungsschutz-Schaltungen, Klemmschaltungen für elektrische Transienten sowie Über- und Unterspannungs-Schutzschaltungen. Bestandteil des kompakten Designs ist zudem der neue LM5180-Q1, ein 65-V-Flyback-Konverter für die primärseitige Regelung, der einen integrierten 100-V-/1,5-A-MOSFET enthält.

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