Bauteilebeschaffung Worauf es bei der Auswahl von Komponenten für E-Fahrzeuge ankommt

Autor / Redakteur: Ingo Seehagen * / Margit Kuther

Elektronische Bauelemente für Elektrofahrzeuge müssen höchste Anforderungen wie diverse Normen und Sicherheitsstandards erfüllen. Hier erfahren Sie, was bei der Auswahl konkret zu beachten ist.

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Endziel Elektromobil: Nicht jedes Bauteil eignet sich für Antriebs- und Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen
Endziel Elektromobil: Nicht jedes Bauteil eignet sich für Antriebs- und Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen
(Bild: AVM / Avnet Memec)

Für die Optimierung der Elektroniksysteme in Elektrofahrzeugen, d.h. des elektrischen Antriebssystems und des Batteriemanagementsystems, ist eine sorgfältige Auswahl der Bauteile erforderlich. Diese müssen zahlreiche Anforderungen wie eine hohe Energieeffizienz, Zuverlässigkeit, ein hohes Integrationsniveau (zur Kostenreduzierung), Immunität gegen elektromagnetische Interferenzen, Kompatibilität mit der ISO-Norm 26262 zur Funktionssicherheit von Fahrzeugen im Straßenverkehr und die AEC-Q-Zertifizierung erfüllen.

Speziell für Elektrofahrzeuge entwickelte Komponenten

Deshalb entwickeln viele Halbleiterhersteller Produkte speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen und fertigen Bauteile, die die Anforderungen an die Elektromobilität einwandfrei erfüllen, obwohl sie für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt werden.

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Leistungselektronik-Bauteile für elektrische Antriebssysteme

Das elektrische Antriebssystem kann die Vorteile sämtlicher Verbesserungen der Leistungselektroniktechnologien von Schalt- und Steuerungsgeräten nutzen. Als Schalter werden heute im Allgemeinen IGBTs eingesetzt. Bevorzugt sind die, die eine Hochspannungs- und Hochstromfestigkeit bei geringen Leitungsverlusten und einfacher Kühlung sicherstellen. Renesas beispielsweise hat eine genaue Roadmap für die Entwicklung sowohl für IGBTs als auch für Power-MOSFETs in den kommenden Jahren veröffentlicht.

Halbleiterisolatoren ersetzen Optokoppler und Isoliertrafos

Was die Bauteile der Steuerungsschaltkreise betrifft, so wurden durch die Einführung von Halbleiterisolatoren, welche die herkömmlichen Optokoppler und Isoliertransformatoren ersetzen können, beträchtliche Fortschritte gemacht.

Einer der führenden Hersteller von Halbleiterisolatoren ist Silicon Labs. Die von diesem Unternehmen entwickelte Produkte arbeiten nicht mit Optokopplern, sondern basieren auf der Hochfrequenz-Koppeltechnologie. Damit ist es möglich, einen normalen CMOS-Prozess anstelle von LEDs und Fotodioden zu verwenden. Dadurch entstehen zahlreiche Vorteile wie eine größere Flexibilität und geringere Emissionen, reduzierte Kosten und weniger externe Bauteile. Silicon Labs verwendet diese Technologie zur Herstellung von digitalen Isolatoren (Si86xx-Serie) als problemlosen Ersatz für Optokoppler und isolierte Gate-Treiber (Si823x- und Si822x-Serie).

Im zweiten Fall lassen sich Isoliertransformatoren (bzw. der klassische mit seinem Treiber gekoppelte Optokoppler) durch Teile von Silicon Labs ersetzen, wodurch eine Reihe von Vorteilen einschließlich einer präzisen Einstellung der „Totzeit”, wenn beide Schalter aus sind, erzielt wird: Es ergibt sich hierbei eine 4%ige Steigerung der Energieeffizienz.

Schaltstromversorgung des Antriebs erfordert Stromfühler

Die Schaltstromversorgung des Antriebs erfordert darüber hinaus Stromfühler. Silicon Labs bietet diese in der Si85xx-Serie auf der Basis der Rogowski-Spule an; eine Art gekoppelter Induktor. Dieser garantiert ein extrem niedriges Verlustleistungsniveaus und ein geringes Übersprechen, da er nur 1,3mΩ und 2 nH in den Schaltung einbringt. Darüber hinaus sind die Bauteile relativ klein: nur 4 mm x mm 4 x 1 mm. Nicht zuletzt erfordert das Leistungselektronik-Steuerungssystem natürlich einen geeigneten Mikcrocontroller.

Komponenten für ein effizientes Batteriemanagement

Damit eine sichere und lange Lebensdauer erzielt wird, muss die Lithium-Ionen-Batterie kontinuierlich überwacht werden. Nur so ist gewährleistet, dass ihre verschiedenen Zellen ausgeglichen sind und Fehlfunktionen unverzüglich angezeigt werden.

Power-Management für bis zu zwölf Akkuzellen

Intersil bietet für diese Anwendungsart seine ergänzenden ISL78600- und ISL78601-Geräte, die als Managementvorrichtung arbeiten und jeweils die Batterien mit sechs bis zwölf Zellen überwachen. Diese Geräte können eine Vielzahl an Fehlfunktionen einschließlich Leitungsbruch, Über- und Unterspannungen, unausgewogener Zellen und übermäßige Temperatur ermitteln. Es lässt sich mehr als ein Gerät in einer Verkettung verknüpfen, um bis zu 14 Batteriepakete (mit jeweils sechs bis zwölf Lithium-Ionen-Zellen) zu überwachen.

Der Anschluss verwendet Differenzsignale, um eine Störfestigkeit zu sichern; daher kann ein einfaches Duplex-Kabel verwendet werden. Intersil bietet zudem ein weiteres Bauteil für das Management von Batterien mit bis zu zwölf Zellen an: den ISL94212, mit einer SPI-Schnittstelle ausgestattet, allerdings nicht für einen Einsatz im Automobilbereich (AEC-Q100) qualifiziert.

Mit robuster Kommunikationsschnittstelle

Maxim bietet das MAX17830, ein Überwachungsgerät für Batterien bis 80 V mit bis zu zwölf Zellen an, das mit einer robusten Kommunikationsschnittstelle für den Einsatz in automobilen Anwendungen ausgestattet ist. Auch diese Geräte lassen sich miteinander in einer Verkettung verbinden.

Maxim MAX149201: Schaltbild des Batteriemessgeräts für bis zu 16 Zellen
Maxim MAX149201: Schaltbild des Batteriemessgeräts für bis zu 16 Zellen
(Bild: Maxim)
Maxim bietet darüber hinaus die Batteriemessgeräte AFE (Analoge Frontend-Geräte) MAX14920 und MAX14921 für jeweils bis zu zwölf oder 16 Zellen an. Beide Geräte können alle Zellen zeitgleich mit einer Genauigkeit von bis zu ±0,5 mV messen, wodurch sie sich für Batterien mit einer äußerst flachen Entladungskurve eignen. Ebenfalls im Angebot des Herstellers sind die Strommessverstärker MAX4080 und MAX4081 für die Batterieüberwachung. Diese können bei Eingangsspannungen von bis zu 76 V mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1% arbeiten. Zusätzlich kann ein Mikrocontroller für die Ausführung der Batteriemanagementfunktionen erforderlich sein.

Die Bedeutung eines kompetenten Partners

Dieser kurze Beitrag kann das umfangreiche Thema der Auswahl von Bauteilen für die Elektromobilität nicht erschöpfend behandeln. Vielmehr müssen Entwickler noch etliche andere Elemente berücksichtigen: Dazu zählt etwa der Bedarf an AEC-Q200-zertifizierten passiven Bauteilen, etwa von Coilcraft hergestellte Induktoren sowie die für die unterschiedlichen Elektrofahrzeuge einschließlich Elektrofahrräder, Golfwagen, Gabelstapler, etc. anwendbaren Anforderungen. Daher müssen sich die Konstrukteure von Elektrofahrzeugen sicher sein, dass sie auf einen kompetenten und objektiven Partner wie Avnet Memec zählen können, der die besten Möglichkeiten für die Entwicklung einer optimierten Gesamtlösung bieten kann.

* Ingo Seehagen ist Field Application Engineer (FAE) bei Avnet Memec

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