Der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren rapide gestiegen,^[1] und es zeichnet sich eine exponentielle Wachstumskurve ab. CO2-Emissionsvorschriften und Produktentwicklung bringen Elektrofahrzeuge weiter voran, wobei jedoch zwei bekannte Herausforderungen noch nicht vollständig überwunden sind: Kosten und Reichweite. Diese beiden Aspekte sind durch den Wirkungsgrad miteinander verbunden: Je effizienter die Leistungsumwandlung wird, desto mehr Kosten können Designteams bei Fahrzeugen einsparen und desto weiter kann ein Fahrzeug mit einer einzigen elektrischen Ladung fahren.

Die Fahrzeugmasse ist einer der direktesten Einflussfaktoren auf den Wirkungsgrad von Elektrofahrzeugen, da die zum Bewegen der Masse aufgewendete Energie einen Verlust darstellt, der die Reichweite verringert. Daher liegt der Schwerpunkt bei der Entwicklung neuer Produkte darauf, kreative Wege zur Reduzierung dieser Masse zu finden.

In diesem Beitrag zeigen wir auf, wie die Entwicklung von 48-V-Batteriesystemen zur Reduzierung der Masse und damit zur Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrads von Elektrofahrzeugen beitragen kann. Darüber hinaus beschreiben wir, wie neue Bauteile, wie beispielsweise gekoppelte Induktivitäten vom Typ ERUC23, im Vergleich zu Einzelinduktivitäten eine Volumenreduzierung von 75 % ermöglichen, den Wirkungsgrad verbessern und so die Reichweite von Fahrzeugen erhöhen.

Der Wechsel zu 48-V-Systemen im Automotive-Bereich

Bei der Leistungsumwandlung für Fahrzeuganwendungen zeichnet sich ein Trend vom 12-V-System zum 48-V-System ab. Durch diese Umstellung können Fahrzeugsysteme bei höheren Lasten eine gleichmäßigere Leistung mit höherer Effizienz liefern, sodass die Batterien länger halten. Darüber hinaus weisen 48-V-Batterien eine höhere Energiedichte auf, d. h., sie bieten diese Vorteile auf kleinerem Raum. Die höhere Spannung ermöglicht außerdem die Reduzierung der Stromentnahme, wodurch die Effizienz verbessert und gleichzeitig der Materialaufwand und die Komplexität der Verkabelung reduziert werden. Diese Vorteile bieten im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen erhebliche Vorteile, da die Effizienz jedes Bauteils direkt mit der Reichweite und der Gesamtleistung des Fahrzeugs zusammenhängt.

12-V-Systeme haben immer noch ihre Berechtigung

Trotz des deutlich höheren Wirkungsgrads von 48-V-Systemen werden bestehende 12-V-Applikationen weiterhin benötigt. Bei den herkömmlichen Batterien mit Niederspannung ist eine schnelle Reaktion auf Systemänderungen möglich, und die meisten elektronischen Fahrzeugkomponenten werden weiterhin mit einer 12-V-Batterie betrieben.

Allerdings könnte das Entfernen einer schweren 12-V-Batterie aus dem System die Reichweite des Fahrzeugs durch eine geringere Masse verbessern. Ein Ansatz, um die 12-V-Batterie überflüssig zu machen, ist die Verwendung eines hybriden DC/DC-Wandlers.

Grundlagen der Leistungsumwandlung

Die Leistungsumwandlung in Elektrofahrzeugmotoren ist ein wesentlicher Grund dafür, dass sie nachhaltiger sind als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Während ein Verbrennungsmotor chemische Energie (Benzin) in Wärme und dann in Elektrizität umwandelt, überspringen Elektrofahrzeuge den Schritt der thermischen Umwandlung und wandeln die chemische Energie (in der Batterie) direkt in elektrische Energie um. Da bei der Leistungsumwandlung etwa 30 Prozent des thermischen Wirkungsgrads verloren gehen, erhöht sich der elektrische Wirkungsgrad erheblich, wenn dieser Schritt entfällt.

Der Wirkungsgrad des Systems lässt sich auch durch die Umwandlung von Strom zwischen 48-V- und 12-V-Systemen optimieren. Beim Ausgleich der Leistung zwischen vorhandenen Spannungsquellen spielen externe Quellen wie eine Sekundärbatterie zur Energiespeicherung oder V2G eine eher geringe Rolle. Zudem kann der Wirkungsgrad des Systems gesteigert werden, wenn es den Entwicklern gelingt, Umwandlungsverluste zu minimieren. Um dieses Gleichgewicht zu erreichen, sind verschiedene Energieumwandlungstechnologien erforderlich, die ihre eigenen Herausforderungen mit sich bringen.

Topologien der Leistungsumwandlung

Es gibt vier primäre Topologien für die Leistungsumwandlung für bordeigene Systeme mit Hybriddesign:

• Buck (Hoch- zu Niederspannung, abwärts)
• Boost (Nieder- zu Hochspannung, aufwärts)
• Buck-Boost (Auf- oder Abwärtssteuerung je nach Einschaltdauer)
• Hybridwandler-Topologie (von 48 V auf 12 V herunter)

Was ist ein Hybrid-DC/DC-Wandler?

Mit Hybrid-DC/DC-Wandlern kann eine 48-V-Batterie als primäre Stromquelle fungieren und gleichzeitig die Spannung für die Stromversorgung der 12-V-Bauteile heruntertransformieren, sodass keine 12-V-Batterie erforderlich ist. Dieser Ansatz ermöglicht eine Steigerung des Wirkungsgrads, da nur eine einzige Stromquelle verwendet wird und ein Bauteil mit hoher Masse und großem Platzbedarf entfällt.

Herausforderungen bei der hybriden Umwandlung

Hybrid-Wandler sind jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden. Zwar gibt es weniger Bauteile, doch die Komplexität der Schaltungen im System hat zugenommen, was die Kosteneinsparungen durch den Wegfall einer 12-V-Batterie teilweise wieder auffrisst. Darüber hinaus besteht bei dieser Spannungsumwandlung das Risiko periodischer Schwankungen der Gleichspannung, die als Welligkeit bezeichnet werden und die Effizienz beeinträchtigen. Um die Vorteile von Hybrid-DC/DC-Wandlern zu nutzen, müssen Entwickler Lösungen für diese Herausforderungen beim Design in dem kleinen Bauraum eines Elektrofahrzeugs finden. Aufgrund des wenigen Platzes, auch für externe Verbindungen, müssen die Bauteile in das System integriert werden und mehrere Funktionen übernehmen.

Herausforderungen bei der Hybridumwandlung mit flachdrahtgekoppelten Induktivitäten ERUC23 SMT von TDK

Die flachdrahtgekoppelten Induktivitäten ERUC23 von TDK ermöglichen eine erhebliche Verbesserung des Designs, um die Herausforderungen der Hybridumwandlung direkt anzugehen (Abbildung 1). Aufbauend auf den Flachdraht-ERU-Induktivitäten von TDK integriert die ERUC23 zwei Wicklungen in einem Bauteil mit dem Vorteil der induktiven Kopplung. Bei dieser innovativen Bauweise kommen verlustarmes Core-Material aus Ferrit, eine optimierte gekoppelte Spule, Flachdrahtwicklung und Self-Leaded-Design zum Einsatz. Diese Merkmale gewährleisten einen hohen Sättigungsstrom, eine verbesserte Effizienz durch eine geringere Stromwelligkeit, einen niedrigen DC-Widerstand und die Kompatibilität mit den Standards RoHS und AEC-Q200, wodurch sie sich ideal für kompakte gekoppelte Induktivitäten in verschiedenen Applikationen wie Zweiphasen-Abwärtswandler, Aufwärtswandler und Abwärts-/Aufwärtswandler eignen, einschließlich des 48-V-zu-12-V-Hybridwandlers.

ERUC23 im Vergleich mit Einzelinduktivitäten

Herkömmliche Induktivitäten weisen bei der Leistungsumwandlung einen Wirkungsgradverlust auf. Die ERUC23 hat im Vergleich zu seinem Gegenstück mit einer einzelnen Induktivität einen um knapp 78 % geringeren Platzbedarf für das Gehäuse, der von fast 24.000 mm³ auf etwa 5.300 mm³ reduziert wurde. Die Abmessungen und Produktdetails sind in Abbildung 2 unten dargestellt:

Darüber hinaus reduziert die ERUC23 den Core-Verlust und verbessert so das Betriebsverhalten bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsdichte. Bei Verwendung mit einem Wandler der Baureihe i7A verdoppelt sich der Ausgangsstrom nahezu von 33 A auf 60 A.

Ein weiterer Vorteil der ERUC23 gegenüber Einzelinduktivitäten ist die Reduzierung der durch Gleichspannungsschwankungen verursachten Stromwelligkeit. Abbildung 3 unten zeigt das Verhältnis der Welligkeitsstromreduzierung bei gekoppelten und nicht gekoppelten Induktivitäten im Vergleich zum Kopplungsfaktor. Geringere Reduktionsverhältnisse bedeuten einen gleichmäßigeren Strom. Der Kopplungsfaktor vergleicht die gegenseitige Induktivität mit der Streuinduktivität (höhere Kopplungsfaktoren sorgen für weniger Welligkeit).

In diesem Diagramm verringert sich die Welligkeit nach rechts unten hin. Bei einem Duty-Cycle von 50 % wird die Stromwelligkeit am besten reduziert. Der Kopplungsfaktor des ERUC23 liegt knapp unter 3, was für ein sehr gutes Betriebsverhalten bei der Reduzierung der Stromwelligkeit spricht.

ERUC23 für Hybrid-DC/DC

Die ERUC23 eignet sich ideal für Hybrid-DC/DC-Wandler in Elektrofahrzeugen, da sie die Welligkeit und den Core-Verlust bei geringerem Platzbedarf reduziert und so die elektrische Effizienz durch geringere Leitungsverluste steigert. Sie zeichnet sich durch ihre Flexibilität in Bezug auf die Topologie und ihre Eignung für zweiphasige Abwärts-, Aufwärts-, Auf-/Abwärtswandler und hybride DC/DC-Wandler-Applikationen aus, minimiert Spannungsschwankungen und eliminiert durch Wärmeverluste verursachte Materialermüdung, wodurch die Lebensdauer der Bauteile verlängert wird.

Fazit

Die flachdrahtgekoppelten Induktivitäten ERUC23 SMT von TDK stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Leistungswandlung im Automotive-Bereich dar. Mit diesen Induktivitäten lassen sich die Herausforderungen von Hybrid-DC/DC-Wandlern direkt angehen, da die kritischen Aspekte Platzbedarf, Gewicht und Effizienz berücksichtigt werden. Die ERUC23 kann dazu beitragen, effizientere, zuverlässigere und leistungsorientiertere Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Die Einführung dieser innovativen Bauteile ist ein bedeutender Schritt zur Bewältigung der technischen, Design-, Effizienz- und Kostenherausforderungen moderner Elektrofahrzeuge und wird dazu beitragen, dass diese einen noch größeren Anteil am globalen Automobilmarkt gewinnen.