Buck-Boost-Wandler

Wie sich hochkapazitive Konden­satoren im Bordnetz laden lassen

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40 Jahren Erfahrung mit unterlagerten Stromregelkreisen im Average-Current-Mode

SYKO arbeitet seit 40 Jahren mit unterlagerten Stromregelkreisen im Average-Current-Mode und diese erhalten von einem gemeinsamen Spannungsregelkreis das verstärkte und begrenzte Fehlersignal als gemeinsamen Stromsollwert. Die Hochstromanschlüsse sind mit verschiedenen Gewindeanschlüssen für entsprechende Kabelstärke und Kabelschuhe ausgelegt.

Ein Kommunikationsstecker als potenzialgetrennte Insellösung zum Leistungsteil hat die Funktion des polaritätsfreien Inhibit mit 5 – 36 V + Überspannung und konstant 2 mA, eine 5-V-Hilfsspannung/100 mA, eine Sollwertvorgabe 4 – 20 mA, das Abbild von Istwert-Spannung und -Strom sowie eine CAN-Schnittstelle mit funktionaler Potenzialtrennung für eine Bedienoberfläche.

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Generationenwechsel – nicht nur in der Technologie

Der langsame Abschied von der Analogtechnik ist auch die Lösung des Generationenproblems. Die aktive Geschäftsleitung hat für die jungen Entwickler bei SYKO den Prozessor und die digitale Regelung freigegeben und die „Jugend“ gepaart mit der Erfahrung kann nun komplexe Systemtechnik mit komplexer Regeltechnik und Funktionalität wie hier zu einem Seriengerät innerhalb 6 Monaten bringen.

Verwundert und positiv überrascht ist die Seniorenmannschaft, wie Pflichtenheftparameter oder Funktionen verknüpft und verändert werden können, wenn die Werte im Rechner mal drin sind. Da Leistungskomponenten im mobilen Bereich mit seinen Temperaturanforderungen meist auf maximale Leistung ausgelegt sind, soll der Wirkungsgrad auch dort, wo die größte Verlustleistung entsteht, maximal sein. Dies verhält sich anders als bei Netzteilen, die für die halbe Leistung konfiguriert sind und bei diesem Dauereinsatz die meiste Energie über Jahre einsparen sollen und Maximalleistungen nur dynamisch angefahren werden.

Ob und wie viel der Prozessor zur analogen Regelung an Vorteilen bringt, ist, bezogen auf den Wirkungsgrad, eher null, funktional ist er unübertroffen. Dabei darf nicht passieren, dass dem DSP Attribute zugeschrieben werden, die durch Unwissenheit um interessante Schaltungstopologien und deren exakte Anwendung entstehen können. Der Einsatz modernster Leistungshalbleiter und Steuerbausteine, der Einsatz dieser im optimalen Wirkungsgradfeld und eine gesicherte Funktionalität bei optimalem Wärmemanagement bringt die merkbare Verbesserung bei Funktion und Lebensdauer.

DSP bringt Vorteile in den Randbereichen

Der DSP bringt im maximalen Leistungsbereich eher keine Verbesserung des Wirkungsgrades, aber in den Randbereichen können durch funktionale Adaption Gewinne erzielt werden. Die Summe der funktionalen Integration in den DSP bringt Bauteileeinsparung und Anwendungsflexibilität. So wäre diese beschriebene Buck-Boost-Topologie in Bidirektionalität mit stromkaskadierten Strings ohne Prozessoranwendung in dem eingegrenzten Parameterfeld überhaupt nicht denkbar.

Vom Jungingenieur zum Topologiespezialisten

Es entwickeln sich Jungingenieure sehr schnell zu Topologiespezialisten mit der Fähigkeit, den DSP zu beherrschen. Dabei hilft Geduld und Integration, aber auch das Wissen, dass es enorme Aufwendungen in der Veränderung der Organisationsstruktur bedarf. Wer diesen Weg in neue Kompetenzbereiche geht, benötigt für die erforderlichen Investitionen eine gut gefüllte „Kriegskasse“. SYKO hat keine Hilfe durch F&E-Gelder aus dem Topf für KMUs erhalten.

Der hier erreichte Wirkungsgrad bei maximaler Leistung beträgt 97% inkl. des Filteraufwandes, aktivem Transientenschutz und allen Hilfsspannungsversorgungen bei einer Konfiguration für diesen weiten Eingangsspannungsbereich.

Einfaches Umschalten auf bidirektionalen Betrieb

Ist die Buck-Boost-Topologie flexibel mit allen Parametern im DSP aufgebaut, dann ist das Umschalten auf einen bidirektionalen Betrieb verhältnismäßig einfach. Dynamisch könnte das Bordnetz rückspeisend aus den Kondensatoren mit >100 A versorgt werden. Bei der Ladung der Kondensatoren entsteht eine Spannungsunsymmetrie umgekehrt proportional zur Differenz der Zellenkapazitäten. Aber das haben die Kondensator-Hersteller mittlerweile im Griff und da hilft es, die Summe der Zellenspannungen 10% unter den maximalen Spannungswert zu legen.

Kondensatoren aus einer fast leeren Batterie laden

Sollte Zeit zur Symmetrierung der Zellen gegeben sein, so kann man diese aktiv oder verlustbehaftet symmetrieren und kurz vor Nutzung mit Schnellladung auf den maximalen Wert anheben. Mit entsprechender Kapazität 250 oder 500 Farad ist es gemäß dem SYKO-Patentanspruch möglich, die CAPs aus einer fast leeren Batterie zu laden und die Cap-Energie auf den Starter zu schießen. Damit lassen sich große Trucks mit einem System als Notstarteinrichtung (Patentverfahren) ohne Batterie starten.

* Reinhard Kalfhaus ist Gründer und Geschäftsführer der SYKO Gesellschaft für Leistungselektronik mbH in Mainhausen.

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