E-Bikes So finden Sie passende DC/DC-Wandler für Elektromotorräder

Autor / Redakteur: Takayuki Tange * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

E-Bike-Motoren werden meist mit 48 oder 72 VDC betrieben. Andere Verbraucher dagegen brauchen 12 VDC, die von einem DC/DC-Wandler erzeugt werden. Wir verraten, was bei der Auswahl zu beachten ist.

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Erfolgreich mit Spezial-DC/DC-Wandlern: Das Superbike-Team der University of Nottingham erreichte beim Isle of Man TT Zero race den dritten Platz.
Erfolgreich mit Spezial-DC/DC-Wandlern: Das Superbike-Team der University of Nottingham erreichte beim Isle of Man TT Zero race den dritten Platz.
(Bild: Bild: Murata)

Elektromotorräder werden besonders in Schwellenländern immer beliebter. Insbesondere die steigenden Ölpreise, aber auch Umweltaspekte machen elektrisch angetriebene Motorräder zu einer realistischen Alternative zu solchen mit Verbrennungsmotor. Der Elektromotor in diesen Fahrzeugen wird meist mit 48 oder 72 V Gleichspannung betrieben, damit genug Drehmoment erzeugt wird. Dabei stellt sich jedoch die Frage nach der Versorgung der zahlreichen Zusatzfunktionen wie Scheinwerfer, Blinker und Hupe, die üblicherweise mit 12 VDC betrieben werden und deshalb jetzt über einen Gleichspannungswandler versorgt werden müssen (Bild 1).

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Elektromotorräder als Herausforderung für DC/DC-Wandler

Dass ein Elektromotorrad eine anspruchsvolle Einsatzumgebung für Elektronik darstellt, steht außer Zweifel. Zahlreiche mechanische Einflüsse wie Staub, Vibrationen und Stöße verlangen allen verwendeten Bauteilen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen diese Bedingungen ab. Viele Schwellenländer sind überdies durch schlechte Straßenverhältnisse gekennzeichnet; zahlreiche Schlaglöcher machen das Fahren gefährlich und setzen dem Tempo Grenzen. Besonders zuverlässige Bauelemente werden nicht zuletzt deshalb benötigt, weil sie dem Wetter ausgesetzt sind und deshalb unter anderem mit Wasser in Kontakt kommen.

Hinzu kommt wie fast überall der Platzmangel, sodass die Anordnung der DC/DC-Wandler auf dem Motorrad stets ein Kompromiss sein wird zwischen dem verfügbaren Platz und dem Schutz vor Vibrationen. Selbstverständlich gilt es auch den Platzbedarf des Wandlers selbst zu minimieren. Aus diesem Grund muss das Design wann immer möglich mit oberflächenmontierbaren Bauelementen implementiert werden. Beachtet werden müssen schließlich auch die elektrischen Kenndaten des ins Auge gefassten Gleichspannungswandlers. Die Lastregeleigenschaften gehören hier zu den vielen Kriterien, die vom Designer berücksichtigt werden müssen.

Wandler für den Einsatz in Elektromotorrädern

Der MPD7K046S von Murata ist ein DC/DC-Wandler, der für den Einsatz in Elektromotorrädern ausgelegt ist. Die Bauteile des Wandlers sind zu rund 90% oberflächenmontierbar, und einige höher aufragende Bauelemente wie etwa Spulen oder Kondensatoren sind zur Verbesserung der Vibrationsfestigkeit mit Harz fixiert. Das äußere Gehäuse besteht zur Senkung der Kosten aus glasfaserverstärktem Polybutylenterephthalat (PBT). Mithilfe von Softwaresimulationen wurde verifiziert, dass der Wandler über ausreichende Festigkeit verfügt.

Bild 2 zeigt, wie für die nötige Wasser- und Staubbeständigkeit gesorgt wird. Das Produkt entspricht der Schutzart IP65. Hierzu wurden die Verbindungsstellen zwischen Kunststoffgehäuse und Metallgehäuse mit Gummidichtungen versehen. In der Massenfertigung wird das Dichtungsmaterial automatisch aufgetragen, wobei die verwendete Menge genau kontrolliert wird, um für eine stabile Masse zu sorgen. Damit der Wandler so klein wie möglich konstruiert werden kann, kommt zur Vereinfachung der Schaltungsstruktur außerdem ein nicht-isolierter Abwärtswandler zum Einsatz.

Dieser Wandler trägt mit seiner Synchrongleichrichtung zur Verbesserung des Wirkungsgrads des gesamten Bausteins bei, der bis zu rund 95% beträgt (Bild 3). Die erhöhte Effizienz sorgt dafür, dass der Wandler weniger Wärme erzeugt, die schließlich abgeführt werden muss. Der DC/DC-Wandler selbst ist thermisch in sich abgeschlossen, sodass es nicht erforderlich ist, Wärme auf anderen Wegen (z.B. über eine kühlende Grundplatte) abzuführen. Dies trägt ebenfalls zur Beibehaltung des geringen Platzbedarfs bei, sodass der Wandler praktisch überall platziert werden kann.

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