Mai 2012

Lösungen für On-Board Charger

Ladung an Bord

Im neuen On-Board Charger von Finepower für Elektro- und Hybridfahrzeuge übernehmen Bauelemente von EPCOS und TDK Schlüsselfunktionen. Dazu zählen Induktivitäten, Übertrager, Kondensatoren und Schutzbauelemente.

Die Firma Finepower hat einen sehr kompakten Prototypen für einen On-Board Charger (OBC) entwickelt. Das auf Spezifikationen und technischen Rahmenbedingungen der deutschen Automobilindustrie basierende Gerät bietet einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte. Beides sind wichtige Eigenschaften für den Einbau des OBC in Elektrofahrzeuge. Die platzsparende Bauweise des Ladesystems wurde durch applikationsspezifisch entwickelte Drosseln und Übertrager ermöglicht, die alle gemäß den Spezifikationen für Zuverlässigkeitstests AEC-Q200 qualifiziert sind.

Netzeingang gut geschützt
Ein EPCOS Varistor des Typs B72220F0271K101 schützt den Netzeingang des Wandlers vor Überspannungen. Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen wurde die mechanische Stabilität des Varistors mit einer speziellen Beschichtung merklich verbessert. Zur Begrenzung der hohen Einschaltströme dient der EPCOS ICL B57364S1509M. Zur Gewährleistung der EMV und für die EMI-Befilterung griffen die Entwickler auf Standard-Drosseln von EPCOS zurück, wie sie auch in industriellen Stromversorgungen verwendet werden. Bei den X2-Kondensatoren wurden die Typen B32933C3155M der EPCOS Heavy-Duty-Serie gewählt, die sich durch hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer auszeichnen. Der Zwischenkreis wird mit EPCOS Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren stabilisiert – die dazu verwendeten Typen sind B43508B5337M bzw. B43504B5337M. Sie bieten bei einer Nennspannung von 450 V DC eine Kapazität von 330 μF. Parallel dazu werden TDK Mega Cap CKG57NX7R2J474MT geschaltet, die den ESR verringern. Nur so ist es möglich, den Zwischenkreis trotz hoher Leistungsdichte sehr kompakt zu halten.

Spezielles PFC-Konzept steigert den Wirkungsgrad
Bei der Entwicklung wurde besonderes Augenmerk auf einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Ladegeräts gelegt. Um die maximal mögliche Leistung aus dem Netz zu entnehmen, muss das Gerät eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC, Power Factor Correction) besitzen. Sie richtet zum einen die Wechselspannung aus dem Netz gleich und erzeugt einen internen Zwischenkreis von 400 V DC, der die eigentliche Ladeschaltung versorgt. Zum verbreiteten Stand der Technik gehören hier PFC-Schaltungen, die auf dem Hochsetzsteller-Prinzip basieren.

Quellen für Verluste bei der Umwandlung der Netzspannung in den 400-V-Zwischenkreis sind:

  • EMI-Filter (Kupferverluste)
  • Brückengleichrichter
  • PFC-Drossel
  • Leistungsschalter (MOSFET)
  • PFC-Diode
  • Sonstige Verluste etwa durch Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren im Zwischenkreis, den Shunt etc.

Mit der konventionellen Lösung ergibt sich bei einer Eingangsspannung von 230 V AC je nach Auslegung und Optimierung ein Wirkungsgrad zwischen 96 Prozent und 97 Prozent. Bei einer aufgenommenen Leistung von 3,65 kW bedeutet dies, dass zwischen 110 W und 146 W der zugeführten Leistung in Verlustwärme umgewandelt werden, bevor sie am Zwischenkreis zur Verfügung steht. Um diese Nachteile möglichst zu eliminieren, nutzt Finepower das synchrone Interleaved-PFC-Verfahren (Abbildung 1).

Abbildung 1: PFC-Stufe nach dem Interleaved-Verfahren

Durch die Parallelschaltung zweier PFC-Zweige mit entsprechenden EPCOS PFC-Drosseln wird die hohe Ripple-Strombelastung aufgeteilt. Dies steigert den Wirkungsgrad und verbessert die EMV.

Diese Topologie arbeitet mit zwei PFC-Stufen, die parallel auf den gemeinsamen Ausgang geschaltet werden. Damit kann der nachteilige Effekt, wenn nur eine PFC-Drossel den vollen Last- und damit auch Ripple-Strom trägt, bereits halbiert werden. Zwar werden im Interleaved-Verfahren zwei Drosseln benötigt, aber sie können für jeweils den halben Strom (8 ARMS bzw. 22 APK) dimensioniert werden. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung. Angewendet wird dabei ein sehr kompaktes Design aus der neu entwickelten EPCOS E-Mobility-Plattform von PFC-Drosseln (Abbildung 2).

Abbildung 2: PFC-Drossel aus der neuen EPCOS E-Mobility-Plattform
Trotz ihrer Kompaktheit sind die Drosseln für Spitzenströme von bis zu 22 A ausgelegt.

Die EPCOS PFC-Drosseln eignen sich hervorragend für diese Applikation, da durch das geringe Volumen, spezielles Kernmaterial und den Einsatz einer HF-Litze als Wicklung nur geringe Verluste entstehen. Abbildung 3 zeigt das Prinzip der Überlagerung beider Drosselströme.

Abbildung 3: Überlagerte Drosselströme


Durch überlagerte Drosselströme ergibt sich eine annähernd sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz.

Messungen am 230 V-Netz zeigen: Bei 40 Prozent bis 85 Prozent der Nennlast (1,3 kW bis 2,8 kW) liegt der Wirkungsgrad der PFC-Stufe oberhalb von 98 Prozent und er erreicht bei Volllast (3,3 kW) noch 97,5 Prozent. Gegenüber einer konventionellen PFC-Stufe werden somit allein in dieser ersten Stufe des OBC zwischen 35 W und 70 W Verlustleistung eingespart.

DC/DC-Wandler mit hohem Wirkungsgrad
Gespeist mit der geregelten und stabilisierten Zwischenkreisspannung von 400 V DC muss der DC/DC-Wandler die Ladespannung für die Batterie mit sicherer galvanischer Trennung vom Netz zur Verfügung stellen. Je nach Ausführung und Ladezustand der Batterie ist der Bereich für die mögliche Ausgangsspannung des OBC auf 200 V DC bis 420 V DC festgelegt. Sowohl der Ladestrom als auch die Ladeschlussspannung müssen sich über die Kommunikationsschnittstelle des Geräts (CAN-Bus) programmieren und kontrollieren lassen.

Um die Gesamtverluste des OBC zu minimieren, muss auch der DC/DC-Wandler einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen. Wegen der notwendigen sicheren galvanischen Trennung in dieser Schaltstufe kann deren Wirkungsgrad nicht ganz so hoch ausfallen wie bei der PFC-Stufe. Nach heutigem Stand der Technik werden die höchsten Wirkungsgrade bei isolierten DC/DC-Wandlern mit resonanten Brückentopologien erreicht. Im Wesentlichen kommen hier Phase Shifting Converter oder sogenannte LLC-Schaltungen in Frage. Bei beiden Verfahren werden die Transistoren immer dann eingeschaltet, wenn die Drain-Source-Spannung Null geworden ist und damit die Verluste in den Halbleitern sehr gering sind.

LLC-Converter (Abbildung 4) profitieren davon, dass bei dieser vollresonanten Topologie immer genug Energie im Lastkreis gespeichert ist, um ein eigenständiges Umschwingen der Brückenknoten sicherzustellen.

Abbildung 4: Vollbrücken LLC-Converter

Finepower setzt im Vollbrücken-Wandler auf Induktivitäten der EPCOS E-Mobility-Plattform. Das gilt sowohl für die Resonanz-Induktivität (LR) als auch den Übertrager (TF).

Eingesetzt werden auch im Vollbrücken-LLC-Converter Induktivitäten aus der EPCOS E-Mobility-Plattform. Die maximale Ausgangsspannung liegt mit 420 V DC im gleichen Bereich wie die Eingangsspannung in Höhe von 400 V DC. Die Übertragungsfunktion eines LLC-Wandlers erlaubt es, die Spannung sowohl zu erhöhen als auch herabsetzen zu können. Es bietet sich an, mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 im Übertrager zu arbeiten, was dessen Verluste minimiert. Der Übertrager auf der Primärseite wird durch die Vollbrücke mit ±400 V betrieben, die sich nach der Brückengleichrichtung auf der Sekundärseite wieder in 400 V DC umwandeln.

Neben dem Laststrom muss beim LLC-Verfahren auch noch ein wesentlicher Anteil an resonantem Strom übertragen werden, der zu zusätzlichen Leitungsverlusten in Halbleitern, aber auch im Kupfer (Leiterplatte, Resonanzinduktivität, Übertrager) führt. Wird durch eine Vollbrückenschaltung die Spannung auf der Primärseite des Trafos gegenüber einer Halbbrücke verdoppelt, so halbiert sich der Strom. Durch das gestiegene Übersetzungsverhältnis erhöht sich der Kupferwiderstand (linear) und die Halbleiterstrecken weisen den doppelten RDS(on) auf. Weil die Leitungsverluste quadratisch vom Strom abhängen (PD=I2R) wird unnötige Verlustleistung vermieden.

Mit dem Vollbrücken-LLC-Konzept wird im Nennbetrieb (1,2 kW bis 3,3 kW) ein Wirkungsgrad erreicht, der trotz der sicheren Netztrennung durchgängig oberhalb von 97 Prozent liegt. Gleichzeitig werden durch das quasiresonante Vollbrückenprinzip die EMV-Eigenschaften verbessert.

Tabelle: EPCOS und TDK Bauelemente im On-Board Charger von Finepower

TypBestellnummer
VaristorEPCOSB72220F0271K101
ICLEPCOSB57364S1509M
X-KondensatorenEPCOSB32936C3565M
X-KondensatorenEPCOSB32933C3155M
Y-KondensatorenEPCOSB81123C1682M
Aluminium-Elektrolyt-KondensatorenEPCOSB43504B5337M
MLCCTDKCKG57NX7R2J474MT
Gate Drive TransformerEPCOSB82801C2245A200
PFC-DrosselEPCOSB78547P2176A005
Resonanz-InduktivitätEPCOSB78547P2175A005
LeistungsübertragerEPCOSB78547P2177A005


Kontakt für Informationen über Referenzdesigns oder spezielle Applikationen:

design-solutions@epcos.com

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