Parallele Verwendung von 48-Volt-DC/DC-Regler zur Leistungssteigerung für autonome Fahrzeuge

Die Umstellung von 12-Volt- auf 48-Volt-Stromschienen in Kraftfahrzeugen wird durch die unstillbare Nachfrage nach Leistung angetrieben, da die Zahl der elektrischen Systeme zunimmt, darunter aktive Federung, Lenkung, Klimatisierung, elektrische Sitze und Fensterheber und hochentwickeltes Infotainment. Es hat sich herausgestellt, dass 48 Volt die ideale Lösung für die effiziente Bereitstellung einer großen Menge an Energie ist und gleichzeitig die teuren Komponenten und die schwere Verkabelung überflüssig macht, die andernfalls erforderlich wären, um die strengen Sicherheits- und Leistungsnormen für 12-Volt-Systeme zu erfüllen.

Darüber hinaus wird sich die Einführung von 48-Volt-Systemen in dem Maße beschleunigen, in dem die Flotte von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE) durch Elektrofahrzeuge (EV) ersetzt wird. Während Elektrofahrzeuge 400- oder sogar 800-Volt-Systeme verwenden, um die Räder anzutreiben, haben die Hersteller - insbesondere Tesla mit seinem CyberTruck - die Gelegenheit genutzt, ein völlig neues Fahrzeug zu entwickeln und 48 Volt als Standard für den Rest der elektrischen Systeme des Fahrzeugs zu verwenden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Fahrzeuge von morgen werden zunehmend 48 Volt für Systeme wie das Fahrercockpit verwenden. (Bildquelle: Vicor)

Mehr Leistung bei geringeren Widerstandsverlusten

Aber warum sollte man von der ausgereiften und bewährten 12-Volt-Technologie abrücken? Schließlich hat sie jahrzehntelang gute Arbeit geleistet und verfügt nach wie vor über eine riesige Zulieferkette mit bewährten Produkten. Die einfache Antwort ist, dass die bescheidenen Fahrzeuge von damals Strom für die Innenbeleuchtung, das Radio und den Zigarettenanzünder benötigten (ja, damals hatten die Autos eingebaute Zigarettenanzünder), während elektrische Lenkung, GPS und beheizte Sitze der Stoff waren, aus dem die Träume der Autodesigner waren. Es bestand einfach kein Bedarf an zusätzlicher Energie über die üblichen 12 Volt hinaus. Außerdem liefern Blei-Säure-Batterien etwa 2 Volt pro Zelle, so dass eine Standard-Batterie mit sechs Zellen die erforderlichen 12 Volt mit einer sehr einfachen (und billigen) Spannungsregelung liefert.

Aber die Fantasie der Autokonstrukteure von gestern ist heute Realität, und alle Fahrzeugtypen, ob konventionell, Soft-Hybrid, Hybrid-EV (HEV) oder EV, benötigen mehr elektrische Leistung. Die einfache Gleichung Leistung P (in Watt) = Spannung V x Stromstärke I (in Ampere, A) besagt, dass wir mehr „Schwung“ bekommen können, wenn wir entweder die Spannung oder die Stromstärke erhöhen (oder vielleicht ein bisschen von beidem). Wir wissen aber auch, dass P = I² x Widerstand R (in Ohm (Ω)). Daraus ergibt sich, dass eine Leistungssteigerung durch eine einfache Erhöhung des Stroms zu einer Vervielfachung der Widerstandsverluste führt und die zahlreichen Herausforderungen des Wärmemanagements noch vergrößert.

Es ist besser, die Spannung zu erhöhen, um mehr Leistung aus demselben Strom zu erhalten. Nehmen wir zum Beispiel an, dass wir 75 Watt von einer 12-Volt-Versorgung benötigen. Dies erfordert einen Strom von 75 W / 12 V = 6,25 A. Erhöht man jedoch die Spannung auf 48 Volt, kann die gleiche Leistung mit einem Strom von 75 W / 48 V = 1,6 A bereitgestellt werden. Eine Stromreduzierung von 75 % bedeutet, dass die Konstrukteure leichtere Kabel verwenden können, wodurch Gewicht eingespart und die Kosten gesenkt werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Durch die Umstellung auf 48V-Stromversorgung für die wichtigsten Systeme kann das Gewicht und die Kosten der Kabelbäume reduziert werden. (Bildquelle: Vicor)

48 Volt jenseits der Automobilelektronik

Autos sind nicht die einzigen Systeme auf Rädern, die von 48-Volt-Bussen profitieren können. So nutzen beispielsweise Lagerroboter, Rollstühle, Gabelstapler und autonome Lieferfahrzeuge die Vorteile von 48 Volt (Abbildung 3). Anders als im Automobilbereich wird bei diesen Fahrzeugen die 48-Volt-Versorgung in erster Linie für den Antrieb der Fahrmotoren genutzt; Sitzheizung oder Infotainment sind bei einem Lagerroboter kaum erforderlich.

Abbildung 3: Autonome Lieferfahrzeuge kommen dank der 48-Volt-Stromversorgung der Fahrmotoren schneller und effizienter ans Ziel. (Bildquelle: Vicor)

In diesen Produktkategorien werden 12-Volt-Blei-Säure-Batterien durch 48-Volt-Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) ersetzt, die aus mehreren Zellen bestehen. Als Ingenieure wissen wir, dass solche Batterien eine Nennspannung von 48 Volt haben, aber wenn sie entladen werden, sinkt ihre Spannung. Das bedeutet, dass wir eine gute Regelung brauchen, um die Spannung schön stabil zu halten, während die Batterie ihre Energie abgibt.

Vicor bietet eine isolierte (bis 3000 Volt DC (V_DC)), geregelte DC/DC-Wandlerlinie an, die eine gute Wahl für diese Art von Anwendung ist. Beispielsweise bietet der Wandler DCM2322T72S53A0T60 bei einem Eingang von 14 Volt bis 72 Volt einen geregelten 48-Volt-Ausgang mit bis zu 2,1 A für eine Ausgangsleistung von 100 Watt. Der Wandler verfügt über eine Hochfrequenztopologie mit Nullspannungsschaltung (ZVS), die einen Wirkungsgrad von 90,1 % erreicht, um die Batterie kühl zu halten und ihre Lebensdauer zu verlängern, während er eine hohe Leistungsdichte von 401 Watt pro Kubikzoll (in³) bietet.

Erhöhung der Leistungsfähigkeit

Der DCM2322T72S53A0T60 ist ein effizienter Regler, aber es könnte sein, dass die Anwendung in bestimmten Betriebsarten mehr als 100 Watt erfordert, z. B. wenn ein elektrischer Rollstuhl einen Hügel hinauffährt. Eine Möglichkeit wäre, einen 48-Volt-DC/DC-Regler mit höherer Ausgangsleistung einzusetzen. Der DCM2322TA5N53A2M60 zum Beispiel liefert maximal 120 Watt bei 48 Volt aus einer 43V- bis 154V-Versorgung. Der Nachteil bei der Verwendung eines einzigen Reglers mit höherer Leistung besteht darin, dass der Spitzenwirkungsgrad in der Regel abnimmt und das Wärmemanagement schwieriger wird.

Alternativ kann der DCM2322T72S53A0T60 auch einfach als Array von Modulen eingesetzt werden, um die Leistung zu erhöhen. Arrays von bis zu acht Einheiten sind für eine Leistung von bis zu 800 Watt qualifiziert. Die gute Nachricht ist, dass sich die maximale Leistung des Arrays aus der Summe der maximalen Leistung der einzelnen Module ergibt. Durch die Array-Topologie wird keine Leistungsminderung erzwungen. Noch besser ist, dass jedes Modul im Array bei Bedarf mit einer anderen Eingangsspannung betrieben werden kann und dennoch bis zu 100 Watt bei 48 Volt liefert.

Bei der Verwendung der DCM2322-Module im Array-Modus gibt es allerdings eines zu Beachten: ein Entkopplungsnetzwerk ist erforderlich, um den Parallelbetrieb zu ermöglichen. In der Praxis bedeutet dies einfach, dass jeder DCM2322 einen Ausgangskondensator benötigt, bevor der Ausgang auf den gemeinsamen Bus geführt wird. Jedes DCM2322 benötigt außerdem einen eigenen Eingangsfilter, auch wenn alle Module dieselbe Eingangsspannungsquelle nutzen. Die Aufgabe der Filter besteht darin, den von den einzelnen Modulen reflektierten Brummstrom zu begrenzen und die Erzeugung von Schwebungsströmen zu unterdrücken, die entstehen können, wenn mehrere Eingangsstufen des Antriebsstrangs direkt miteinander interagieren (Abbildung 4).

Abbildung 4: DCM2322 DC/DC-Wandler mit geregelter Spannung können so angeordnet werden, dass sie bis zu 800 Watt liefern; das Schaltbild zeigt die für einen effizienten und ruhigen Betrieb erforderlichen Eingangsfilter und Entkopplungsnetzwerke. (Bildquelle: Vicor)

Fazit

Die Umstellung von 12 Volt auf 48 Volt bringt entscheidende Systemvorteile für Anwendungen wie Lagerroboter, elektrische Rollstühle und autonome Lieferfahrzeuge. Zu diesen Vorteilen gehört, dass die Stromstärke niedrig gehalten wird, was die Verwendung leichterer und kostengünstigerer Kabelbäume ermöglicht.

Doch mit der zunehmenden Raffinesse dieser Endprodukte steigt auch ihr Energiebedarf. Sie können Ihr Stromversorgungssystem entsprechend skalieren, indem Sie mehrere geregelte DC/DC-Spannungswandler von Vicor mit hoher Leistungsdichte parallel einsetzen. Auf diese Weise können 48-Volt-Systeme bis zu 800 Watt oder mehr liefern.