Design und Optimierung eines Pre-Boosters für Automotive-Anwendungen (Teil 1)

Der Kaltstart-Prüfimpuls „severe“ gemäß LV 124

Wie bereits erwähnt, bricht die Bordnetzspannung mehr oder weniger stark ein, wenn der Anlasser aktiviert wird. Genaue Vorhersagen sind hier nicht möglich, da mehrere Faktoren eine Rolle spielen. Aus diesem Grund wurden unterschiedliche Standards eingeführt, die mehrere Szenarien zugrunde legen. Zu den aus Sicht der elektronischen Systeme anspruchsvollsten Arten von Kaltstart-Impulsen gehört der Kaltstartimpuls „severe“ (schwer) gemäß der Norm LV 124 (Bild 1).

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Die kritischste Stelle ist der Beginn des Impulses, wenn die Eingangsspannung von 11,0 auf 3,2 V abfällt, denn dies ist beinahe gleichbedeutend mit dem völligen Abklemmen der Schaltung von der Batterie. Die Spannung bleibt danach 19 ms bei 3,2 V, bevor sie auf 5,0 V ansteigt, wo sie eine vergleichsweise lange Zeit von 329 ms bleibt. Danach nimmt die Spannung weiter zu und nimmt mit einer Frequenz von 2 Hz einen sinusförmigen Verlauf zwischen 6,0 und 8,0 V. Dies dauert 10 s. Danach kehrt die Spannung wieder zu ihrem ursprünglichen Wert von 11,0 V zurück. Zum Prüfen eines Systems wird dieser Impuls zehnmal hintereinander angelegt – mit dazwischenliegenden Pausen von 2 s.

Dieser Impuls gibt den Verlauf der Batteriespannung wieder, wenn der Fahrmotor mithilfe des Anlassers gestartet wird. Als Anlasser kommen Gleichstrommotoren zum Einsatz, bei denen Erreger- und Ankerwicklung in Reihe geschaltet sind. Diese so genannten Reihenschlussmotoren erzeugen ein großes Anlaufdrehmoment, benötigen dafür aber einen hohen Anlaufstrom. Dieser hohe Strom sorgt in Verbindung mit dem Innenwiderstand der Starterbatterie für einen starken Abfall der Batteriespannung bis auf 3,2 V bei diesem Prüfimpuls. Ist der Strom (und damit der magnetische Fluss) ausreichend hoch, beginnt der Motor zu drehen und damit den Fahrmotor anzulassen. Diesen Punkt gibt der Beginn des sinusförmigen Verlaufs wieder.

Solange die Kompression der Zylinder gering ist, steigt die Batteriespannung auf 8,0 V an, während sie bei hoher Kompression auf 6,0 V fällt. Die Zeit, die der Motor bis zum Starten braucht, wird durch die zehnsekündige Dauer der Sinuswelle wiedergegeben. Nach dem Verstreichen dieser Zeit läuft der Fahrmotor, sodass die Batteriespannung wieder zu ihrem ursprünglichen Wert von rund 12 V zurückkehrt. Die größte Herausforderung für einen Pre-Booster besteht darin, das Einbrechen der Batteriespannung von 11,0 V auf 3,2 V innerhalb von 1 ms oder noch weniger zu verkraften. Wenn der Pre-Booster mit dieser Situation zurechtkommt, ist der Rest des Impulses kein Problem mehr, und auch andere Prüfimpulse sind dann leicht zu verkraften.

Die baumförmige Stromversorgungs-Struktur in einem Auto (Bild 2) stellt meist mehrere Versorgungsspannungen von beispielsweise 5,0 oder 3,3 V bereit, die von Buck-Wandlern erzeugt werden. Alle diese Spannungen sind höher als die im ungünstigsten Fall vom Bordnetz kommende Mindestspannung von 3,2 V. Da diese Systeme auch einen Verpolungsschutz enthalten, liegt die tatsächliche Eingangsspannung der Buck-Wandler sogar noch unter 3,2 V.

Die Aufgabe des Pre-Boosters besteht darin, den Buck-Wandlern eine Spannung zur Verfügung zu stellen, die stets höher ist als ihre Ausgangsspannung und darüber hinaus noch zusätzliche Reserven bietet. Im vorliegenden Design wird deshalb für den Pre-Booster eine Ausgangsspannung von 9,0 V gewählt. Da die Buck-Wandler somit stets eine zwischen 11,0 V und 9,0 V liegende Eingangsspannung vorfinden, können sie unbeeinflusst von etwaigen Einbrüchen der Bordnetzspannung eine stabile Ausgangsspannung bereitstellen. Selbstverständlich muss der Eingangsspannungsbereich der Buck-Wandler noch größer sein. Die Normen sehen Spannungsspitzen bis zu 40 V vor und verlangen die Fähigkeit zum Dauerbetrieb an 27 V Eingangsspannung für einen Zeitraum von einer Minute.

Der Boost-Wandler wird stets mit Strom versorgt und ist ununterbrochen aktiv. Er schaltet nicht, solange die Eingangsspannung – unter Einbeziehung aller Verluste wie etwa des Spannungsabfalls an den beiden Dioden (Verpolungsschutz- und Booster-Diode) und des Gleichstromwiderstands der Induktivität – höher ist als die Ausgangsspannung. Aus Einfachheitsgründen werden diese Verluste nicht berücksichtigt, und es wird stattdessen angenommen, dass der Booster nicht schaltet, solange die Eingangsspannung über 9,0 V liegt, während er bei Eingangsspannungen unter 9,0 V schaltet.

Wenn also die Bordnetzspannung unter 9,0 V sinkt, beginnt der Wandler automatisch zu schalten, um eine stabile Ausgangsspannung von 9,0 V bereitzustellen. Hierbei ergeben sich jedoch zwei Probleme:

• Erstens muss der Wandler zunächst zu schalten beginnen und es ist nicht möglich, sofort die volle Leistung am Ausgang bereitzustellen. Wie schnell er anläuft, hängt von seiner Bandbreite ab (hierzu später mehr).

• Zweitens bricht die Bordnetzspannung sehr schnell auf einen sehr niedrigen Wert ein. Während also der Wandler zu schalten beginnt, fällt die Eingangsspannung weiter ab, was die Situation schwieriger macht.

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