Was beim Stromkreisschutz für E-Fahrzeuge zu beachten ist

| Autor / Redakteur: Carlos Castro * / Thomas Kuther

Benötigen für einen sicheren Betrieb Kontroll- und Schutzsysteme: Lithium-Ionen-Akkupacks.
Benötigen für einen sicheren Betrieb Kontroll- und Schutzsysteme: Lithium-Ionen-Akkupacks. (Bild: Littlefuse)

Sicherungen für Elektrofahrzeuge müssen besondere Leistungskriterien erfüllen. Allerdings haben sich bislang noch keine Standards entwickelt, so dass individuelle Lösungen gefragt sind.

Sowohl Verbraucher als auch Regierungen fordern eine geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und eine verbesserte Luftqualität durch verminderte oder gar keine Emissionen. Als Lösung bieten sich Elektrofahrzeuge an, so dass deren Anzahl in den kommenden Jahren voraussichtlich mit zweistelligen Zuwachsraten steigen wird. Sie nutzen in der Regel batteriebetriebene Antriebssysteme mit einer Spannung von 48 V oder mehr.

Mögliche Gefahren bei Lithium-Ionen-Batterien

Für Elektrofahrzeuge haben sich Lithium-Ionen-Batterien in einem geschlossenen System als optimale Lösung etabliert. Die Vorteile liegen in der hohen Leistungsdichte und Lebensdauer des Ladezyklus. Lithium-Ionen-Akkus benötigen für einen sicheren Betrieb jedoch Kontroll- und Schutzsysteme. Denn ein zuverlässiger Akku-Betrieb ist nur möglich, wenn der Ladezustand zwischen rund 20% und 90% des Maximums gehalten wird. Starke Entladung oder auch Überladung reduzieren den Wirkungsgrad und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien.

Ein übermäßiger Stromfluss kann Kurzschlüsse und dendritische Lithiumbeschichtungen verursachen, welche die Zelle zerstören. Unterspannung kann ebenfalls zu Kurzschlüssen oder auch zu Durchbrüchen in den Elektrodenmaterialien führen. Eine zu hohe Temperatur löst möglicherweise eine Kettenreaktion aus, von Kurzschlüssen bis hin zum Austritt brennbarer Gase aus organischen Lösungsmitteln. Aus all diesen Gründen setzen die Entwickler Managementsysteme für Batterien ein, die teure und potenziell gefährliche Batterieausfälle verhindern.

Fehlende Standards für Batteriemanagementsysteme

Eine große Herausforderung für die Fahrzeugkonstrukteure besteht darin, dass bislang keine einheitliche Best Practice existieren. Es gibt also keinen Standard für Batteriemanagementsysteme. Aufgrund der Vielzahl von Ansätzen ist es daher schwierig, Skaleneffekte bei der Produktion zu erzielen. Unternehmen versuchen derzeit, den optimalen Weg zu finden. Entsprechend probieren Konstrukteure neue Spannungsklassen, neue Architekturen und neue Konzepte aus, damit die Leistung elektronischer Anwendungen den bewährten mechanischen Systemen entspricht. Um den hohen Anforderungen der Automobilhersteller gerecht zu werden, testen auch die Lieferanten neue Ansätze.

Dabei sind sich alle Beteiligten über die große Bedeutung des Stromkreisschutzes in Elektrofahrzeugen einig. Denn diese nutzen ein hochenergetisches System, das zum Teil mit Hunderten von Volt und Ampere betrieben wird. Im Falle eines Unfalls kann eine beschädigte Batterie zu einem thermischen Zwischenfall oder Kontakt mit dem Metallgehäuse des Fahrzeugs führen. Konstrukteure versuchen, die Möglichkeit solcher Ereignisse auszuschließen. Doch dazu müssen sie herausfinden, welche Sicherungen sie verwenden und wo sie diese einsetzen sollten. Der Schutz geht dabei über die reine elektrische Leistung hinaus und betrifft auch die Sicherheit der Fahrzeuginsassen und anderer Verkehrsteilnehmer sowie den Ruf des Unternehmens.

Hohe Anforderungen an Stromkreissicherungen

Die für Batteriemanagementsysteme verwendeten Sicherungen müssen besondere Kriterien erfüllen. Dazu gehört eine Leistungsreduzierung bei niedrigen Temperaturen. Im Gegensatz zu Akkus in Mobilgeräten wie Handys müssen sich diese Sicherungen an große Temperaturunterschiede und Vibrationen anpassen. Neben einem kleinen Gehäuse sollten sie eine Lebensdauer von mindestens 15 Jahren bei mehr als 200.000 km Fahrleistung und 8000 Betriebsstunden aufweisen. So müssen Sicherungen für Batteriemanagementsysteme sorgfältig ausgewählt werden und spezifische Zuverlässigkeitstests bestehen.

Nur mit solchen Schutzlösungen gewährleistet das Batteriemanagementsystem den sicheren Betrieb der Hochspannungsbatterie und kann Informationen über die Batterie an Strom- und Energiemanagementsysteme weiterleiten. Um das Batteriemanagementsystem vor Bedrohungen wie Überströmen, Überspannungen und elektrostatischer Entladung (ESD) zu schützen, kommen neben Sicherungen auch TVS-Dioden und Diodenarrays zum Einsatz. Sie gewährleisten, dass das System jederzeit zuverlässig und sicher funktioniert – bei Montage, Wartung und Betrieb.

Der Spannungsbereich und die Anforderungen an die Schaltleistung des Batteriemanagementsystems hängen dabei von der Batteriekonfiguration ab. Innerhalb des Systems verfügt jedes Batteriemodul über Zellüberwachungssysteme. Diese Subsysteme kontrollieren die korrekte Balance der Spannung. Mikrocontroller überwachen jedes dieser Module, um eine maximale Energieeffizienz und Lebensdauer der Batterie zu gewährleisten.

Wichtige Zusammenhänge bei Lithium-Ionen-Batterien

Entwickler eines Hochspannungs-Batteriemanagementsystems sollten einige wichtige Zusammenhänge beachten. Die Zellen sind in Reihe geschaltet und bilden ein Modul. Da die Module ihrerseits in Reihe geschaltet werden, steigt die Gesamtspannung des Systems. Mehrere parallel geschaltete Modulreihen erhöhen die Spannung der Batterie und die Energiekapazität. Wenn Zellen und Module zu einem Batteriemanagementsystem hinzugefügt werden, steigen Komplexität und Kosten. Die Herausforderung besteht darin, den richtigen Kompromiss zwischen Anzahl der Zellen/Module sowie Komplexität und Kosten zu finden, um ein sicheres und effizientes System zu schaffen.

Die vom Konstrukteur gewählte Architektur für das Batteriemanagementsystem bestimmt die Schutzparameter. In einer dezentralen Architektur verbinden sich ICs zum Zellenausgleich über lange Kabel mit den Zellen und Slave-Boards. Hochspannungssicherungen werden hier eingesetzt, um bei einem Unfall das Risiko eines Kurzschlusses unter Hochspannungsbedingungen sowohl im Modul als auch zwischen den Zellen zu reduzieren. Wird eine Komponente in dieser dezentralen Architektur beschädigt, kann sie separat ausgetauscht werden – kostengünstig und einfach.

In einer zentralisierten Architektur sind alle Komponenten in einzelnen Modulen integriert. Der Abstand zwischen den Zellen und den Slave-Boards ist dadurch viel geringer. Ein kleines Gehäuse bietet vor allem dann Vorteile, wenn der Motorraum mit einem Verbrennungsmotor geteilt wird. Bei dieser Architektur ist es unwahrscheinlich, dass ein Unfall unter Hochspannungsbedingungen einen Kurzschluss verursacht. Daher können sich Nieder- und Mittelspannungssicherungen als kostengünstiger Schutz vor Komponentenausfall und Kontamination auf einer GLT-Platine eignen. Dabei sind jedoch zwei Arten von Fehlern zu berücksichtigen: Kurzschlüsse und Überlastbedingungen. Der Nachteil bei diesem Ansatz: Fällt eine Komponente aus, muss das gesamte Modul zu höheren Kosten ausgetauscht werden.

Große Herausforderungen an das Fahrzeug-Ladesystem

Viele Autokäufer betrachten die relativ geringe Reichweite pro Ladung sowie die lange Ladedauer als größte Hürden für die Wahl von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Ein schnelles Batterieladesystem mildert diesen Einwand, fordert aber vom Automobilhersteller eine Verbesserung der Onboard-Ladung und der Leistungsdichte im begrenzt verfügbaren Raum.

Verluste des elektronischen Leistungsumrichters stellen Hersteller von Elektrofahrzeugen dabei vor große Herausforderungen. Die Reduzierung der Größe von Induktoren und Transformatoren mit Siliziumhalbleitern würde die Systemgröße, das Gewicht und die Kosten senken sowie die Reichweite erhöhen. Doch leider erweisen sich Siliziumhalbleiter als schlecht geeignet für eine Miniaturisierung, da die Halbleiter im gleichen Schaltkreis mit einer hohen Schaltfrequenz gesteuert werden müssen. Hohe Sperrschichttemperaturen und thermische Belastung bei hoher Schaltfrequenz sind bei einer Ein-/Ausschaltrate von 50 bis 100 ns nicht möglich. Im Gegensatz dazu können Siliziumkarbid-(SiC)-MOSFETs mit höheren thermischen Lasten effizient arbeiten und mit 10 ns bis zu fünf- bis zehnmal schneller schalten als Silizium-MOSFETs. So verbessern sie die Leistungsdichte ohne Verlust der Systemeffizienz.

SiC-MOSFETs waren zwar früher schwierig herzustellen, bewegen sich aber heute Richtung Massenmarkt. Aufgrund ihres Wirkungsgrades eignen sie sich für Hochspannungs- und Hochleistungs- Anwendungen von Elektrofahrzeugen. Werden sie bei der Konstruktion von Wechselrichtern und anderen Leistungsumrichtern verwendet, reduzieren sich Größe und Gewicht anderer Komponenten, ohne Verlust der Leistungsdichte. Weitere Stärken von SiC-MOSFETs sind ihre Robustheit, Zuverlässigkeit und geringen Kosten.

Zu schützenden Komponenten in Elektrofahrzeugen

Das Batteriemanagementsystem ist entscheidend für den Schutz der Stromkreise, sowohl in Bezug auf Sicherheit als auch Zuverlässigkeit. Aufgrund der Sensorleitungen an jeder Zelle besteht nämlich auch das Potenzial für einen Kurzschluss in jeder Zelle. Der Zellenmonitorblock oder die Direktleitung müssen ebenfalls abgesichert sein, um Überstromschäden zu vermeiden. Hier eine Übersicht über die zu schützenden Komponenten in Elektrofahrzeugen und die dafür verwendeten Geräte:

  • ICs, die in der Zellenüberwachung zum Schutz vor Überspannung eingesetzt werden: TVS-Dioden.
  • Kommunikationsleitungen zwischen den Geräten zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen: TVS-Diodenarrays.
  • Batterie-IC-Schutz bei Spannungsspitzen: Hochspannungs-TVS-Dioden
  • Mikrocontroller: TVS-Diodenarrays.
  • Endschutzbarriere: Hochspannungs- und Hochstromsicherung in Reihe mit dem Hauptschalter.
  • Weitere Anwendungen (z.B. Wechselrichter, DC/DC-Wandler): Hochspannungs-TVS-Dioden.

Die Anwendung definiert also die Schutzlösung. Im Vergleich zu stationären Sicherungs- und Batterieanwendungen, die weitgehend vibrationsfrei sind, bilden Autos eine ganz andere Umgebung. Hier spielt neben der Robustheit auch die Masse der Sicherung eine wichtige Rolle. Seit den ersten Generationen von Hybrid- und Elektroautos sind die Batteriespannungen ständig gestiegen. Dadurch erhöht sich auch die physikalische Masse der Sicherung. Hinzu kommen Vibration, Trägheit und Drehmoment, die sowohl mechanische als auch elektrische Herausforderungen erzeugen.

Auf die richtigen Partner kommt es an

Fahrzeugkonstrukteure müssen sich darauf verlassen können, dass jede Komponente mindestens auf dem vorgegebenen Niveau funktioniert. Sie sollten daher mit Partnern zusammenarbeiten, der ihre Testsysteme an diese Produkt-Anforderungen anpassen. Die Zulieferer müssen dazu Fachkenntnisse im Bereich Simulationstests auf Basis vieler verschiedener Metriken aufweisen. Dann können sie den Automobilmarkt bedienen und eine Zertifizierung nach den Standards der Branche erreichen.

Bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen sind sich die Konstrukteure der hohen Bedeutung eines sicheren Batteriemanagementsystems bewusst. Die Tests wurden daher von einer späten Phase zu einem frühen Zeitpunkt des Prozesses vorverlegt. Entsprechend hohe Servicelevels werden auch von den Lieferanten erwartet. Sie müssen die geforderten Parameter für die Anwendung erfüllen, innovative Testlösungen anbieten und moderne Problemlösungsprozesse mit dem Kunden unterstützen. In diesem sich ständig verändernden Markt erhöht nur die Zusammenarbeit zwischen Kunde und Lieferant die gemeinsame Kompetenz.

Um optimale Schutzlösungen gemäß der Sicherheitsnormen für die Automobilbranche zu entwickeln, müssen die Fahrzeugkonstrukteure entsprechend geschult werden. Zudem sind Lieferanten zu wählen, welche die optimalen Geräte für eine Anwendung kennen. Die Expertise von innovativen Unternehmen im Bereich Batteriemanagementsysteme für Elektrofahrzeuge hilft bei der Auswahl von Schutzgeräten für den Stromkreis sowie bei der Erstellung maßgeschneiderter Lösungen. Dabei werden sowohl die Vorschriften für Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge immer strenger als auch die Erwartungen der Konsumenten immer höher. Um diese Anforderungen zu erfüllen und sichere, effiziente und bezahlbare Fahrzeuge zu bieten, müssen Konstrukteure auch geeignete Lösungen für den Stromkreisschutz einsetzen.

* Carlos Castro ist Global Director of Marketing, Automotive Electronics bei Littelfuse.

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ich lerne ja immer wieder dazu: Mehrere parallel geschaltete Modulreihen erhöhen die Spannung der...  lesen
posted am 29.04.2019 um 12:43 von eschberlin


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