Die Zukunft neuer Fahrzeug-Generationen ist nachhaltig, vernetzt und elektrifiziert. „Wir definieren den Begriff „Design Service“ in der Distribution neu, indem wir Referenzprodukte entwickeln und Dienstleistungen anbieten, die den zukünftigen Anforderungen kommender Plattformen von Elektrofahrzeugen entsprechen“, sagt Uwe Rahn, Director Automotive Business Unit bei Rutronik.
Elektrofahrzeuge der nächsten Generation werden über bis zu drei verschiedene Spannungsebenen verfügen:
12-V-Bordnetz für kleine Aktuatoren und sämtliche Steuergeräte
48-V-Bordnetz für größere Stromverbraucher wie Wasserpumpen, EPS oder Kühlerlüfter
400- bis 800-V-Bordnetz, welches das Batteriepack und die größten Verbraucher enthält
Zusammensetzung und Funktionsweise
Schaltungstechnisch besteht der HV-Trennschalter aus einer isolierten 800-V-Powerstage mit einer 12-V-Mess- und Auswerteelektronik und einem AURIX-TC375-Lite-Kit. Realisiert wird das Konzept des HV-Trennschalters in der Schaltstufe mit Hochleistungshalbleitern der neuesten SiC Generation von Rohm, einer galvanischen Trennung der Messkanäle, hochpräzisen Shunts, neuen Optokopplern und sämtlichen Schutzbauteilen von Vishay. Dazu kommt die Ansteuerung über einen AURIX Microcontroller der zweiten Generation von Infineon.
Mit den 1200-V-SiC-MOSFETs der vierten Generation im SMD-Gehäuse und einer abgestimmten Ansteuerung über einen SiC-Gatetreiber ist der HV-Trennschalter in der Lage Leistungen von bis zu 40 kW zu schalten. Die dabei entstehende Verlustleistung erreicht circa 16 W. Die dadurch entstehende Wärme kann bei Raumtemperatur passiv abgeleitet werden. Damit übertrifft das neue Konzept die Anforderungen von Premium OEMs.
Der HV-Trennschalter verfügt über einen Vorladepfad, mit dem kapazitive Lasten über einen SiC-MOSFET, in Reihe geschaltete Vorladewiderstände und zwei implementierten Pre-Charge-Modi (13 ms und 130 ms) vorgeladen werden können, um somit einen möglichen Überstrom beim Einschalten zu verhindern. Die Ansteuerung der Haupt-MOSFETs ist über einen galvanisch getrennten SiC-Treiber möglich, der über einen neuen Polymer-Tantal-Kondensator gepuffert wird. Der Vorlade-MOSFET wird über einen galvanisch-getrennten Optokoppler mit Phototransistorausgang angesteuert. Der maximale Laststrom des Trennschalters kann entweder über den Microcontroller oder im Stand-Alone-Betrieb individuell über ein Potentiometer eingestellt werden.
Die Powerstage verfügt über Shunts von Vishay, welche sich durch ihre bi-direktionale Messung des Batteriestroms auszeichnen. Signale der Strom-/Spannungsmessung werden galvanisch getrennt übertragen, durch Messsignalverstärker aufbereitet und an den Microcontroller weitergegeben. Die galvanische Trennung zur 12-V-Seite übernehmen die neuen, linearen automotive Optokoppler VOA300.
Je zwei in Reihe geschaltete Hochspannungs-MLCCs realisieren die galvanisch getrennte Spannungsversorgung der Komponenten auf der HV-Seite wie den OpAmps. Diese Versorgung beinhaltet eine Push-Pull Treiberstufe mit 50 kHz.
Das AURIX Board wird über eine Kabelverbindung angeschlossen und kann nach erfolgreicher Verbindung über eine bereits implementierte Software die aufbereiteten Messwerte ausgeben. Die Konfiguration und das Auslesen von Messwerten der eFuse mit AURIX-Steuerung erfolgt mittels einer vorhandenen CAN-Schnittstelle.
Geignet auch für spezielle Anforderungen
Neben den präzisen Strom- und Spannungsmessungen verfügt das Konzept zusätzlich über eine Diagnosefunktion und weiteren Schutzmaßnahmen, wie die Over-Current-Detection mit einstellbarem Threshold, In- & Output Transientenschutz sowie zusätzlichen TVS-Dioden für die Sicherung der Stromversorgung. Die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannung erfolgt über ratiometrische Schwellwerte, die somit auch eine Benutzung für 400-V-Systeme ermöglicht. Außerdem verfügt das Referenzdesign über eine Status-Anzeige mit LEDs sowie zwei Taster zum manuellen Steuern. Ausgestattet mit einem Gehäuse, das den Zugang zu allen Messpunkten erlaubt, ist auch der Berührungsschutz gewährleistet.
Das Referenzdesign stellt Rutronik ausgewählten Kunden mit überdurchschnittlichen Anforderungen zur Verfügung und ermöglicht damit die schnelle und qualitativ hochwertige Umsetzung eines hochmodernen Schaltungskonzepts bei zukünftigen Projekten.
