Im Konzept der Personenbeförderung stellen Elektrofahrzeuge (EVs) eine relativ neue Entwicklung dar. Die Entwicklung von Elektrofahrzeugen und der Ladetechnologie für diese Fahrzeuge verlief größtenteils parallel. Damit Elektrofahrzeuge sich wirklich durchsetzen können, muss die Ladetechnologie schneller werden. Dieser Artikel befasst sich mit den Bausteinen der Ladehardware für Elektrofahrzeuge und erläutert, wie neue Lösungen von STMicro die erforderlichen Innovationen unterstützen können.
Ladetechnologie für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge
Zu Beginn dieses neuen Jahrzehnts müssen Automobilkonstrukteure ein herausforderndes Aufeinandertreffen von Technologien bewältigen. Die Batterietechnologie hat einen Punkt erreicht, an dem elektrisch betriebene Fahrzeuge entwickelt werden können, die genügend Energie speichern, um die Passagiere von A nach B zu bringen – bei zugleich aufregendem und vertrautem Fahrerlebnis. Parallel ermöglicht die Halbleitertechnologie eine immer höhere Messgenauigkeit in den heutigen Batteriemanagementsystemen (BMS), während die Schalttechnologie der nächsten Generation die letzten Prozentpunkte der Effizienzsteigerung aus der Stromwandlung „quetscht“, indem Energie beim Fahren zu den Reifen und beim Laden in die Batterie fließt. Dadurch wird sichergestellt, dass mehr Energie als je zuvor zweckgemäß genutzt wird.
Trotz des Wachstums der Batteriekapazität im Zuge der Weiterentwicklung batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (BEV) bleibt nach Angaben von Flottenmanagern im Vereinigten Königreich die Reichweitenangst das größte Hindernis für deren Einführung. 80 % geben an, dass die Reichweitenangst das Hauptbedenken darstellt und BEV deshalb nur für bestimmte Fahrer in der Flotte in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus gaben 41 % an, dass die Ladeinfrastruktur ein Hindernis für die Einführung der BEV sei, obwohl nur 3 % der Ladevorgänge unterwegs erfolgen (im Vergleich zu 60 % am Arbeitsplatz und 30 % zu Hause).
Gespräche mit Benutzern von BEV ergeben ein anderes Bild. Fahrer berichten, dass sie mit ihrem BEV lange Fahrten zwischen Städten unternehmen und sich dabei keine größeren Sorgen darüber machen, ihr Ziel zu erreichen, als mit einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Netzwerke aus Hochgeschwindigkeitsladestationen stellen sicher, dass ein erheblicher Teil der Batterie mit einem ultraschnellen DC-Ladegerät in einer Zeit aufgeladen werden kann, die mit der Tankzeit an einer herkömmlichen Tankstelle vergleichbar ist. Und natürlich integrieren Fahrzeughersteller Routenplaner in ihre Navigationssysteme, um die zum Laden benötigte Zeit und erforderliche Ladepositionen in Routenwahl und Fahrtdauer zu berücksichtigen.
Laden von BEV – aktueller Stand
Wie bereits angemerkt, werden viele BEV am Arbeitsplatz oder zu Hause geladen. Das Laden kann dann ohne Zeitdruck über eine herkömmliche Wechselstromsteckdose erfolgen (Abbildung 1). Ladelösungen dieser Art entsprechen Level 1 der SAE-Klassifizierung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge (EVSE). Die Lösung besteht aus einem AC/DC-Wandler im Fahrzeug, der die zum Laden der Batterie erforderliche Gleichspannung bereitstellt, und einer Störungsüberwachung zum Schutz des Fahrzeugs. Diese Lösungen werden als Bordladegeräte (On-Board Charger, OBC) bezeichnet. Benötigt wird einphasiger Wechselstrom mit 120 V und bis zu 16 A (< 2 kw). bei="" einer="" typischen="" haushaltssteckdose="" würde="" das="" vollständige="" laden="" einer="" leeren="" 35-kwh-batterie="" deutlich="" mehr="" als="" einen="" halben="" tag="">
Abbildung 1: Laden von HEV und BEV mittels Stecker über AC-Bordladegeräte und externe DC-Ladegeräte
Lösungen in Level 2 nutzen zweiphasige Stromversorgungen mit 240 VAC und bis zu 80 A (< 20 kw). dies="" setzt="" spezielle="" ladestationen="" voraus,="" verkürzt="" die="" ladezeit="" jedoch="" auf="" etwa="" sechs="">
Höhere Leistungen setzen das Laden mit Gleichstrom voraus. Bei Lösungen dieser Art wird zugeführter Wechselstrom in einer festen Lösung, der sogenannten Ladesäule, die einer Tanksäule nicht unähnlich ist, in Gleichstrom von bis zu 1000 VDC bei 400 A (max. 400 kW) umgewandelt. Bei Leistungen dieser Größenordnung wird die Fähigkeit des Batteriesystems zur Stromaufnahme zum begrenzenden Faktor. Ein Familienwagen der Mittelklasse könnte also mit 50 kW geladen werden, sodass innerhalb einer halben Stunde eine Reichweite von 144 km verfügbar wird.
Diese standardisierten Herangehensweisen sind in den SAE J1772 „SAE Electric Vehicle and Plug-in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler“ und SAE J3068 „Electric Vehicle Power Transfer System Using a Three-Phase Capable Coupler“ beschrieben, die für den nordamerikanischen Markt gelten. Sie definieren zudem den Steckverbinder vom Typ J, der in dieser Region verwendet wird.
Natürlich würden Anbieter von Ladelösungen eine einzelne Spezifikation für Entwicklung, Fertigung und Test von BEV-Ladegeräten vorziehen. Diese Spezifikation sollte nicht nur die unterstützten Spannungen und Leistungen umfassen, sondern auch Anschlüsse und Kommunikationsschnittstellen zur Erkennung des Zustands der Fahrzeugbatterie und für die Abrechnung beschreiben.
Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat der CharIN e. V. die Combined Charging System(CSS)-Spezifikation als offenen Standard veröffentlicht, der DC- und AC-Ladeverfahren definiert, um ein weltweit universelles Ladesystem zu schaffen. Die Spezifikation berücksichtigt alle relevanten Normen, sowohl die oben genannten als auch IEC 61851 und IEC 62196. Dementsprechend wurden auch die Steckverbinder standardisiert. Nordamerika hat sich auf das System Typ 1 und Combo 1 festgelegt, während Europa sich für Typ 2 und Combo 2 entschieden hat, wobei Stecker und Buchse nur Wechselstrom bzw. Wechselstrom/Gleichstrom unterstützen.
CSS wird aktiv weiterentwickelt. Die Organisation befasst sich jetzt auch mit Themen wie kabelloses Laden, HPCCV (Hochleistungsladen für Nutzfahrzeuge) und ACD (Vorrichtungen für die automatische Verbindungsherstellung) für den Unterboden.
Andere Regionen und Anbieter verfolgen andere Ansätze. Japanische Automobilzulieferer haben das System CHAdeMO definiert, während in China grundsätzlich GB/T verwendet wird. Einige Automobilhersteller setzen proprietäre Systeme ein.
Implementieren schneller DC-Ladefunktionen
Wenn das Laden von BEV so reibungslos und einfach wie das Betanken der heutigen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren erfolgen soll, müssen schnelle DC-Ladegeräte erhebliche Mengen an Strom bereitstellen. Dies setzt die Speisung über geeignete dreiphasige Stromquellen voraus. BEV-Ladegeräte der höchsten Leistungsklasse werden wohl vor allem an Autobahnraststätten aufgestellt, um längere Fahrten mit schnellen Ladefunktionen zu erleichtern. Die diesbezüglich am besten ausgestatteten BEV können an einem 150-kW-DC-Ladegerät 80 % ihrer Ladung in nur 33 Minuten aufnehmen (entspricht einer maximalen Reichweite von 420 km). Das die definierte Leistungsgrenze für diesen Ladegerättyp bei 350 kW liegt, sind noch höhere Geschwindigkeiten erreichbar.
Wenn diese Leistungsstufen genutzt werden, ist Effizienz der entscheidende Faktor, und die Herausforderungen dürfen nicht unterschätzt werden. Nicht nur im elektrischen System, sondern auch im Kabel zwischen Ladesäule und Fahrzeug kommt es zu signifikanten Verlusten. Dies kann eine Flüssigkeitskühlung vom Ladegerät bis zum Stecker erforderlich machen, die in der Konstruktion berücksichtigt werden muss.
Schnelle DC-Ladegeräte werden typischerweise in einer von zwei Varianten implementiert. Beide Varianten bestehen aus einer AC/DC-Stufe, gefolgt von einem DC/DC-Wandler. In der ersten Variante wird dreiphasiger Wechselstrom zugeführt und in eine feste Gleichspannung von etwa 800 V gewandelt. Dabei variiert die DC/DC-Wandlerstufe die Ausgangsleistung den Anforderungen der Fahrzeugbatterie entsprechend. In der zweiten Variante stimmt die AC/DC-Stufe die vom Fahrzeug benötigte Spannung ab und erzeugt eine variable DC-Ausgabe, die vom DC/DC-Wandler genutzt wird (Abbildung 2). Keine Variante ist der anderen klar überlegen. Entscheidend ist vielmehr die Umsetzung der verschiedenen Phasen und dabei der Fokus auf höchste Effizienz. Die komplette Ladeeinheit besteht aus mehreren Untereinheiten, die in Kombination die gewünschte Ladeleistung liefern. Dies vereinfacht den Aufbau, ermöglicht die fortgesetzte Nutzung der Ladesäule bei Ausfall einer Untereinheit und vereinfacht Reparaturen und Upgrades.
Abbildung 2: Architektur eines schnellen DC-Ladegeräts mit einem Zwischenkreis mit fester oder variabler Spannung
Für die AC/DC-Stufe kommen verschiedene Topologien mit hervorragender Effizienz in Frage. Dabei ist der Gleichrichter Vienna für die Gleichrichtung und Leistungsfaktorkorrektur (PFC) ein wettbewerbsfähiges Bauteil. Bei Bedarf kann eine variable Ausgangsspannung erzeugt werden. Das Design ist auch bei Störungen robust und kann die Leistung auch beim Verlust einer Phase aufrechterhalten. Fällt die Steuerschaltung aus, besteht keine Kurzschlussgefahr. Das dreistufige PWM-Design kann entweder mit zwei Dioden im Eingangspfad (Typ 1) oder mit nur einer Diode (Typ 2) implementiert werden.
Für Typ 1 werden nur Geräte mit einer Nennspannung von 650 V benötigt. Das führt zu niedrigeren Gesamtkosten für die gewählten Schalter, andererseits beschränken die beiden Dioden im Hauptstrompfad die maximal mögliche Effizienz. Typ 2 mit nur einer Diode erzielt höhere Wirkungsgrade, setzt aber die Verwendung von 1200-V-fähigen Dioden voraus (Abbildung 3). Dies kann die Nutzung der Siliziumkarbidtechnologie (SiC) erforderlich machen und sich entsprechend auf die Gesamtkosten auswirken.
Abbildung 3: Der Gleichrichter Vienna eignet sich dank hoher Effizienz und Robustheit als PFC- und AC-Gleichrichter
Für Typ 2 ist eine Diode wie die STBR6012W sehr gut geeignet. Als Siliziumkomponente unterstützt sie eine Sperrspannung (VRRM) von 1200 V und einen durchschnittlichen Durchlassstrom (IF(AV)) von 60 A. Wird in einem ECOPACK™ bereitgestellt, um die Umweltschutzanforderungen einzuhalten. Das DO-247-Gehäuse kann in passiv und aktiv gekühlte Designs eingebaut werden. Auch die SiC-Schottky-Leistungsdiode STPSC40H12C (1200 V) kommt in Betracht. In einem TO-247 LL-Gehäuse stellt sie einen IF(AV) von 2 × 20 A bereit. Dank der Temperaturstabilität von SiC-Komponenten bleiben die Schaltmerkmale bemerkenswert konsistent, während die hohe Stoßstromfestigkeit bei Transienten ideal ist.
Die Schalter können mit IGBT der Hochgeschwindigkeitsserie HB (STGW40H65DFB-4) implementiert werden, die dank eines Kelvin-Pins, der Strompfad und Steuersignal trennt, schnelleres Schalten ermöglicht. Alternativ können Leistungs-MOSFET der Serie M5 (650 V) mit MDmesh™-Technologie eingesetzt werden. Dieser innovative vertikale Prozess senkt den Einschaltwiderstand und ist ideal für die hier erforderlichen hohen Leistungen und den angestrebten hohen Wirkungsgrad geeignet. Schließlich kommen SiC-Leistungs-MOSFET (650 V) wie der SCTW90N65G2V-4 mit 18 MΩ RDS(on) in Betracht, die problemlos 90 A Drainstrom bei 100 °C bewältigen.
Mit diesen Varianten sind Spitzenwirkungsgrade von bis zu 99,4 % bei Schaltfrequenzen von 20 kHz möglich (simuliert bei 125 °C, nur Halbleiterverluste). Das übertrifft damit den Typ-1-Ansatz mit Vienna aufgrund der einzelnen Diode im Hauptstrompfad geringfügig (Abbildung 4).
Abbildung 4: Simulationen zeigen, dass SiC-MOSFET im Vienna-Typ-2-Design den höchsten Wirkungsgrad bieten.
Andere Ansätze sehen die Verwendung von drei einphasigen PFC-Boostern oder ein Totem-Pole-PFC-Design vor (Abbildung 5). Der einphasige Booster ist in seiner Einfachheit elegant und erreicht bei 1200 V an einem 230-VAC-Eingang einen Wirkungsgrad von über 98 %. Der zugeführte Wechselstrom wird mit einem Gleichrichter (STBRxx12W) oder Thyristoren (SCR) gleichgerichtet und speist einen Schalter, einen Induktor und eine Diode. SiC-MOSFET und Dioden sind die optimale Kombination. Sie stellen die benötigte Betriebsspannung von 1200 V für die hohen Zwischenkreisspannungen bereit. Die Steuerung kann mit einem CCM-PFC-Controller (STNRGPF01) oder – wenn mehr Rechenleistung benötigt wird – einem STM32-Mikrocontroller implementiert werden.
Der Totem-Pole-PFC ist steuerungstechnisch anspruchsvoller und benötigt einen Mikrocontroller. Das gilt insbesondere, wenn anstellen von Dioden ein MOSFET- oder SCR-Zweig implementiert wird. Die MCU (STM32 oder SPC58) kann mit einem STGAP2S gekoppelt werden, einem Rail-to-Rail-Treiber für ein Gate und 4 A mit einer Laufzeitverzögerung von 80 ns für hohe Präzision der PWM-Steuerung. Und dank einer Miller-Klemme werden Gatespikes bei schnellen Kommutierungen verhindert.
Abbildung 5: Alternative Ansätze für die AC/DC-Stufe umfassen Booster-PFC (links) und Variationen der Totem-Pole-PFC (rechts – relaisloses SCR)
Die DC/DC-Stufe
Die Zwischenkreisspannung wird zur DC/DC-Stufe geleitet. Hier kann beispielsweise ein LLC-Resonanzwandler zum Einsatz kommen. Die zusätzliche Implementierung der Nullspannungsschaltung (ZVS) trägt zum hervorragenden Wirkungsgrad dieser Komponenten bei. Zudem bieten sie eine hohe Leistungsdichte. Dieser Ansatz unterstützt eine variable Zwischenkreisspeisung und integriert einen der Primärinduktoren in den Transformator, der zugleich für die galvanische Trennung sorgt. Damit lassen sich typische Batteriespannungen im Bereich von 200 V bis 500 V erreichen.
Alternativ kann eine DAB (Dual Active Bridge) mit bidirektionalem LLC in Betracht gezogen werden. V2G (Vehicle-to-Grid) und V2B (Vehicle-to-Building) werden zunehmend als Verfahren gepriesen, die vorhandenen BEV-Batterien zu nutzen, um das Stromnetz in Zeiten höchsten Verbrauchs oder bei Stromausfällen zu stützen. Diese Topologie ist für DC-Ladegeräte mittlerer Leistung sinnvoll, die BEV im Tagesverlauf auf Parkplätzen laden.
Die bereits erwähnten MCU (STM32 oder SPC58) und isolierten Treiberkomponenten können auch für die Systemsteuerung und als Schaltertreiber eingesetzt werden. Dank des niedrigen RDS(on) eignen sich SiC-MOSFET (600 V oder 1200 V, abhängig von der angestrebten Ausgangsspannung) für diese DC/DC-Stufe, da sie robust sind und in kompakten Designs genutzt werden können. Der LLC-Resonanzwandler kann dann entweder 1200-V-SiC-Dioden in einer ZVS-Konfiguration oder ultraschnelle 600-V-Softdioden mit Erholungsfunktion wie die STTH30RQ06 nutzen, die hohe Sperrschichttemperaturen verträgt sowie niedrigen Sperrstrom und thermischen Widerstand bereitstellt.
STMicroelectronics entwickelt eine Evaluierungsplatine für ein 7-kW-Ladegerät, die mit zwei weiteren Platinen desselben Designs gestapelt werden kann, um eine 21-kW-DC-Ladelösung zu demonstrieren (Abbildung 6). Dieses Design basiert auf einer verschachtelten Totem-Pole-PFC unter Verwendung von SiC-MOSFET und einem verschachtelten Vollbrücken-LLC-DC/DC-Wandler unter Verwendung von 650-V-Super-Junction-Silizium-MOSFET (Abbildung 7). Da das Bordladegerät eine der Zielanwendungen ist, verwendet die Platine den für die Automobilindustrie qualifizierten Leistungsmikrocontroller SPC58 N Line. Neben der Einhaltung der Sicherheitsstufe ASIL-D – ideal für BEV-Anwendungen – unterstützt sie eine breite Palette an Netzwerkschnittstellen für den Automobilbereich. Das integrierte HSM (Hardware Security Module) kann außerdem zum Schutz und für die Sicherheit von Over-The-Air-Updates (OTA) oder für das Abrechnungssystem von Ladesäulen genutzt werden.
Abbildung 6: Das 7-kW-Bordladegerät demonstriert die Leistungsfähigkeit der Technologien auf Basis von SiC- und Silizium-MOSFET, Treibern, Thyristoren und SPC58-Mikrocontrollern
Abbildung 7: Schaltbild des 7-kW-Bordladegeräts, einschließlich PFC und verschachteltem FB-LLC
BEV sind nicht mehr neu. Aufgrund der vermeintlich fehlenden Ladeinfrastruktur und der langen Ladezeiten halten sich die Verbraucher aber noch zurück. Organisationen wie CharIN bringen relevante Branchenexperten zusammen, damit Standards definiert werden und sich möglichst viele Länder auf diese Standards einigen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Markt für BEV-Ladelösungen eine Größe erreicht, die Preissenkungen aufgrund der Skaleneffekte erlaubt. Gleichzeitig können Konstrukteure dank der Fortschritte im MOSFET-Design sowie der Einführung von SiC für Schalter und Dioden die von der Automobilindustrie benötigten schnellen DC-Ladelösungen entwickeln und bauen und dabei den bestmöglichen Wirkungsgrad für anspruchsvolle Spezifikationen erreichen. Partner wie STMicroelectronics liefern nicht nur die erforderlichen hochmodernen Elektronikbauteile, sondern stellen mit den Evaluierungsplatinen auch über das dringend benötigte Know-how und die technischen Einblicke für diese anspruchsvolle Automobiltechnologie bereit.