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Komponentenauswahl für DC-Schnellladegeräte: Abstimmung der Schalt-, Schutz- und Leistungswandlungsanforderungen
Die Komponentenauswahl beginnt mit der elektrischen Architektur des Ladegeräts.
Ein Gleichstrom-Schnellladegerät enthält mehrere elektrische Stufen anstelle eines einzigen Stromkreises.
Je nach Ladegerät-Design kann der elektrische Pfad Folgendes umfassen:
Wechselstromeingang → Gleichrichtung/PFC → Zwischenkreis → DC/DC-Wandlung → Ausgangsschaltung → Fahrzeugbatterie
Um diesen Hauptstrompfad herum befinden sich Hilfsstromversorgungen, Steuerschaltungen, Kommunikationsschnittstellen, Sensorschaltungen und Schutzfunktionen.
Jeder Abschnitt stellt unterschiedliche Anforderungen an seine Komponenten.
Ein Leistungshalbleiter in der PFC-Stufe wird beispielsweise anders bewertet als ein Relais in einem Hilfsstromkreis. Ein Zwischenkreiskondensator hat andere Anforderungen als ein Ausgangsstecker oder ein Stromsensor.
Aus diesem Grund ist die Bauteilauswahl sinnvoller, wenn sie von der Funktion des jeweiligen Schaltkreises ausgeht und nicht von einer allgemeinen Produktkategorie.
Leistungshalbleiter: Anpassung des Bauelements an die Schaltstufe
Leistungshalbleiter gehören zu den wichtigsten Bauteilen eines Gleichstrom-Schnellladegeräts.
Je nach Topologie und Leistungsstufe können im Ladegerät IGBTs, Silizium-MOSFETs, SiC-MOSFETs, Dioden oder integrierte Leistungsmodule zum Einsatz kommen.
SiC-Bauelemente werden aufgrund ihrer Schalt- und Leitungseigenschaften, die eine höhere Effizienz und Leistungsdichte ermöglichen, zunehmend für Hochleistungsladung eingesetzt. Industrielle Referenzdesigns umfassen mittlerweile SiC-basierte PFC- und DC/DC-Wandlerstufen für die Gleichstrom-Schnellladung.
Es reicht jedoch nicht aus, ein SiC-Gerät nur deshalb auszuwählen, weil das Ladegerät „hochleistungsfähig“ ist.
Ingenieure müssen normalerweise Folgendes beurteilen:
- Sperrspannung
- Dauer- und Spitzenstrom
- Schaltfrequenz
- Leitungsverlust
- Schaltverlust
- Anforderungen an Torantriebe
- Wärmewiderstand
- Kurzschlussfestigkeit
- Verpackungs- und Montageanforderungen
Das richtige Gerät hängt von der spezifischen Schalttopologie und dem Arbeitspunkt ab.
Ein für eine Hochfrequenz-DC/DC-Stufe ausgewähltes Gerät ist möglicherweise nicht die beste Wahl für einen anderen Abschnitt des Ladegeräts.
Zwischenkreiskondensatoren: Elektrische Belastung ist entscheidend
Der Zwischenkreiskondensator befindet sich zwischen den Hauptwandlungsstufen und trägt zur Stabilisierung des Zwischenkreises bei.
Bei der Auswahl spielen mehr Faktoren als nur die Kapazität eine Rolle.
Wichtige Parameter können sein:
- Nennspannung
- Restwelligkeit
- ESR
- Temperaturbewertung
- Lebensdauer
- Kapazitätstoleranz
- Mechanische Abmessungen
- Montageart
Hohe Restwelligkeit kann zu zusätzlicher interner Erwärmung führen, während erhöhte Betriebstemperaturen die Lebensdauer des Kondensators beeinträchtigen können.
Dies wird besonders wichtig bei kompakten Hochleistungs-Lademodulen, bei denen die Leistungsdichte zunimmt.
Ein Kondensator mit geeigneter Nennspannung kann dennoch ungeeignet sein, wenn seine Restwelligkeitsstromfestigkeit oder seine thermische Lebensdauer nicht den tatsächlichen Betriebsbedingungen entsprechen.
Induktivitäten und magnetische Bauteile: Mehr als nur Induktivität
Induktivitäten werden in verschiedenen Teilen eines Ladesystems eingesetzt, unter anderem in der PFC, der Filterung und der DC/DC-Wandlung.
Der Nennwert der Induktivität ist nur ein Teil des Auswahlprozesses.
Ingenieure sollten außerdem Folgendes berücksichtigen:
- Sättigungsstrom
- Effektivwertstrom
- Kernverlust
- Kupferverlust
- Schaltfrequenz
- Temperaturanstieg
- Gleichstromwiderstand
- Mechanische Größe
Mit steigender Schaltfrequenz und Leistungsdichte gewinnen magnetische Verluste und das thermische Verhalten zunehmend an Bedeutung.
Aus diesem Grund sollten passive Bauteile auch zusammen mit den ausgewählten Schaltelementen bewertet werden und nicht als unabhängige Teile behandelt werden.
Schalt- und Schutzkomponenten erfordern unterschiedliche Auswahlkriterien.
Ein DC-Schnellladegerät benötigt sowohl kontrolliertes Schalten als auch einen Fehlerschutz.
Diese Funktionen hängen zwar zusammen, sind aber nicht austauschbar.
Ein Schaltgerät kann verwendet werden, um einen Stromkreis im Normalbetrieb zu verbinden oder zu trennen, während eine Sicherung oder eine andere Schutzeinrichtung dazu dient, anormale Stromzustände zu unterbrechen.
Bei Gleichstrom-Schaltkomponenten müssen Ingenieure möglicherweise Folgendes bewerten:
- Systemspannung
- Gleichstrom
- Schaltstrom
- Lastcharakteristik
- Einströmbedingungen
- Schaltfrequenz
- Elektrische Belastbarkeit
- Isolationsanforderungen
- Umweltbedingungen
Bei Schutzkomponenten kann sich die Bewertung stattdessen auf Folgendes konzentrieren:
- Nennspannung
- Bemessungsstrom
- Unterbrechungsfähigkeit
- Verfügbarer Fehlerstrom
- Vorbogenmerkmale
- Abstimmung mit nachgelagerten Komponenten
- Installationstemperatur
Die gleiche Nennstromstärke bedeutet daher nicht, dass zwei Bauteile austauschbar sind.
Strom- und Spannungsmessung unterstützen das Steuerungssystem
Schnellladegeräte nutzen Messungen, um die Leistungsumwandlung zu steuern und die Betriebsbedingungen zu überwachen.
Strom- und Spannungssensoren können Rückmeldungen liefern für:
- Leistungsumwandlungssteuerung
- Ausgangsregelung
- Überstromerkennung
- Fehlerüberwachung
- Energiemessung
- Kommunikation mit dem Laderegler
Bei der Auswahl des Sensors sollten der tatsächliche Messbereich, die Genauigkeit, die Ansprechzeit, die Isolationsanforderungen und die Betriebsumgebung berücksichtigt werden.
Bei Hochleistungs-Gleichstromsystemen muss der Sensor auch zur physikalischen und elektrischen Anordnung des Strompfads passen.
Eine Komponente, die auf dem Papier eine gute Messgenauigkeit aufweist, kann dennoch Integrationsprobleme verursachen, wenn ihre Installationsmethode, Isolierung oder ihr thermisches Verhalten nicht mit dem Design des Ladegeräts übereinstimmen.
Isolations- und Steuerungskomponenten sind Teil des Stromversorgungssystems
Die Leistungsstufe ist nur ein Teil eines Gleichstrom-Schnellladegeräts.
Die Steuerplatinen müssen mit den Leistungsgeräten kommunizieren und gleichzeitig die erforderliche elektrische Trennung gewährleisten.
Je nach Architektur kann das System Folgendes enthalten:
- Isolierte Torantriebe
- Digitale Isolatoren
- Optokoppler
- Relais
- Signalaufbereitungsgeräte
- Schnittstellen-ICs
- Mikrocontroller
- Kommunikationskomponenten
Diese Bauteile können zwar keine Hunderte von Ampere übertragen, aber ihre Zuverlässigkeit beeinflusst direkt die Steuerung des Hochleistungsschaltkreises.
Da Schaltvorgänge immer schneller werden, gewinnen auch das Gate-Ansteuerzeitpunkt, die Isolationsleistung und die Signalintegrität an Bedeutung.
Hilfsstromversorgungen sollten nicht vernachlässigt werden.
Ein Gleichstrom-Schnellladegerät enthält außerdem viele Schaltkreise, die außerhalb des Hauptstrompfads arbeiten.
Die Hilfsstromversorgung kann Folgendes umfassen:
- Steuerplatinen
- Kühlsysteme
- Schütze und Relais
- Kommunikationsmodule
- Anzeigen
- Sensoren
- Schutzschaltungen
Diese Schaltungen arbeiten oft mit niedrigeren Spannungen, müssen aber stabil bleiben, während das Hauptladegerät große Leistungsmengen schaltet.
Die Komponentenauswahl kann daher Leistungs-ICs, MOSFETs, Transformatoren, Dioden, Kondensatoren, Steckverbinder und Schutzkomponenten umfassen.
Dies ist ein Bereich, in dem eine breite Verfügbarkeit von elektronischen Bauteilen von Vorteil sein kann: Die Konstruktion erfordert nicht unbedingt einen bestimmten Bauteiltyp von einem einzigen Lieferanten.
Änderungen im thermischen Design – Komponentenauswahl
Energieverluste werden letztendlich in Wärme umgewandelt.
Dies macht die thermischen Bedingungen zu einem wichtigen Auswahlkriterium für das Ladegerät.
Die Kühlmethode kann Folgendes umfassen:
- Zwangsluftkühlung
- Kühlplatten
- Flüssigkeitskühlung
- Kühlkörper
- Integrierte Kühlstrukturen
Die thermische Leistungsfähigkeit des Bauteils muss zusammen mit seinem elektrischen Betriebspunkt bewertet werden.
Beispielsweise kann die Verringerung der Halbleiterverluste den Kühlbedarf senken, aber eine höhere Schaltfrequenz kann an anderer Stelle im System zu anderen Verlusten führen.
Gleiches gilt für Kondensatoren, Induktivitäten, Steckverbinder und Schaltelemente.
Bei der Bauteilauswahl sollte daher der gesamte Wärmepfad berücksichtigt werden und nicht nur die Nenntemperatur des Bauteils.
Eine praktische Auswahlsequenz
Für Hersteller von Ladegeräten kann ein sinnvoller Auswahlprozess mit den Systemanforderungen beginnen und sich dann den einzelnen Komponenten zuwenden.
| Auswahlphase | Hauptfragen |
|---|---|
| Ladegerät-Bewertung | Wie hoch sind Eingangsleistung, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom? |
| Topologie | Welche PFC- und DC-DC-Architekturen werden verwendet? |
| Umschalten | Welche Spannung, welcher Strom und welche Schaltfrequenz sind erforderlich? |
| DC-Verbindung | Welche Kapazität, welchen Restwelligkeitsstrom und welche Lebensdauer sind erforderlich? |
| Magnetische Komponenten | Welche Anforderungen gelten hinsichtlich Stromstärke, Sättigung und Wärmeleistung? |
| Schutz | Welcher Kurzschlussstrom und welche Abschaltleistung sind erforderlich? |
| Sensorik | Welche Genauigkeit, Reaktionsfähigkeit und Isolation sind erforderlich? |
| Kontrolle | Welche Treiber-, Isolations- und Kommunikationskomponenten werden benötigt? |
| Thermal | Wie werden Bauteilverluste kompensiert? |
| Zuverlässigkeit | Welche Betriebstemperatur, Lebensdauer und Umgebungsbedingungen gelten? |
Diese Vorgehensweise hilft, die Auswahl einzelner Teile zu vermeiden, bevor die elektrischen Anforderungen des gesamten Ladegeräts klar sind.
Warum die Bauteilauswahl der Schaltungsfunktion folgen sollte
Ein DC-Schnellladegerät kann Hunderte oder Tausende von elektronischen Bauteilen enthalten, aber nicht alle sind der gleichen elektrischen Belastung ausgesetzt.
Der Leistungshalbleiter weist Schaltverluste auf.
Der Kondensator ist Spannungs- und Welligkeitsstrombelastungen ausgesetzt.
Der Induktor ist magnetischer und thermischer Belastung ausgesetzt.
Der Schütz oder das Relais muss Schalt- und Dauerfestigkeitsanforderungen erfüllen.
Der Sensor erkennt Mess- und Isolationsanforderungen.
Die Steuerungs- und Schnittstellengeräte sind völlig unterschiedlichen Signal- und Kommunikationsbedingungen ausgesetzt.
Die Behandlung all dieser Komponenten als eine einzige Kategorie „Komponenten für Ladegeräte von Elektrofahrzeugen“ erschwert die Auswahl unnötig.
Ein besserer Ansatz ist die Zuordnung der Schaltungsfunktion zu den elektrischen Bedingungen, den thermischen Bedingungen, den Zuverlässigkeitsanforderungen und den Komponentenparametern .
Dieser Ansatz macht die Lieferantenbewertung auch aussagekräftiger, da Ingenieure die Komponenten anhand der tatsächlichen Anwendung und nicht anhand einer allgemeinen Produktbeschreibung vergleichen können.
Zusammenstellung des richtigen Komponentensatzes für ein DC-Schnellladegerät
Die für ein Ladegerät erforderliche Komponentenzusammensetzung hängt von seiner Architektur, seiner Leistungsstufe und der Zielanwendung ab.
Ein Gleichstromladegerät für Pkw, ein Hochleistungs-Ladesystem für den gewerblichen Einsatz und eine Ladeplattform der Megawattklasse können unterschiedliche Kombinationen von Leistungselektronik, Schaltkomponenten, magnetischen Bauteilen, Sensoren und Steuerelektronik verwenden.
Wichtig ist, dass sich die Komponentenauswahl mit der elektrischen Konstruktion weiterentwickeln sollte.
Für Ladegerätehersteller und Entwicklungsteams kann dies den Beschaffungsprozess vereinfachen. Anstatt einzelne Komponenten nacheinander zu suchen, kann die gesamte elektrische Architektur überprüft werden, um geeignete Optionen für die Leistungswandlung, den Schutz, die Sensorik, die Steuerung und die Hilfsschaltungen zu identifizieren.
ESHINE unterstützt die Beschaffung elektronischer Komponenten und die technische Auswahl für das Laden von Elektrofahrzeugen, die Leistungselektronik und andere Hochleistungsanwendungen, wobei die Komponentenoptionen auf die tatsächlichen Schaltungsanforderungen abgestimmt sind.
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