Elektromobilität Pyrosicherungs- und Schütztreiber verbessern Sicherheit von EV-Batterie-Trennsystemen

Die Stromverteilung in Batteriemanagement-Systemen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge versorgt nicht nur zentrale Funktionen des Fahrzeugs mit elektrischer Energie, sondern enthält gleichzeitig Mechanismen zur sicheren Unterbrechung hoher Spannungen oder Ströme. Der vorliegende Artikel befasst sich mit zukünftigen Technologien im Bereich der Schütz- und Trennsicherungs-Treiber. Diese tragen dazu bei, BMS-Lösungen intelligenter, sicherer und effizienter zu machen.

Die Stromverteilung in Batteriemanagement-Systemen (BMS) für Hybrid- und Elektrofahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles, HEVs; Battery-Electric Vehicles, BEVs) versorgt zentrale Funktionen des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und enthält gleichzeitig Mechanismen zur sicheren Unterbrechung hoher Spannungen oder Ströme. Bei zwei entscheidenden Bauteilen des Stromverteilungs-Systems, nämlich den Hochspannungs-Relais und den Trennsicherungen, ergeben sich beim Design zunehmende Herausforderungen aus dem wachsenden Bedarf, höhere Spannungen und Ströme zu verkraften und ein Plus an Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen. In Bild 1 ist die Anordnung der Hochspannungs-Relais und Trennsicherungen erkennbar.

Die nicht rückstellbare Batterie-Trennsicherung wird in Notsituationen aktiviert, um die Verbindung zwischen der Batterie und dem übrigen Fahrzeug zu kappen. Hochspannungs-Relais oder Schütze kommen an verschiedenen Stellen eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs zum Verbinden und Trennen von Stromversorgungs-Leitungen zum Einsatz.

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Zuverlässiges Batterietrennsystem umsetzen

Im Fall einer Kollision ist es notwendig, die verschiedenen Systeme von der Stromversorgung zu trennen, um weitere Komplikationen oder Schäden abzuwenden. Schmelzsicherungen reagieren auf die thermischen Bedingungen bei einem Überstrom-Ereignis und sind werksseitig für einen bestimmten Grenzstrom ausgelegt. Pyrosicherungen dagegen sind auf einen elektronischen Treiber angewiesen, der das Signal zum Trennen der Verbindung gibt. Hauptsächlich werden sie durch diskrete Schaltungen oder Airbag-Zündertreiber früherer Art angesteuert. Angesichts des zunehmenden Leistungsniveaus von HEV- und EV-Systemen ist mit Pyrosicherungen eine höhere Zuverlässigkeit erzielbar, und auch die Auslösezeiten werden kürzer. Übliche Lösungen zum Ansteuern von Pyrosicherungen werden allerdings rasch recht komplex, wenn man versucht, die Ansprechzeiten zu reduzieren. Noch mehr Komplexität resultiert außerdem aus der Notwendigkeit, die Anforderungen der ISO-Norm 26262 zu erfüllen.

Um eine kürzere Reaktionszeit zu erreichen, implementiert der Pyrosicherungs-Treiber DRV3901-Q1 eine direkte, zweiadrige Hardware-Schnittstelle unter Umgehung des Serial Peripheral Interface (SPI). Außerdem lässt sich der DRV3901-Q1 mit einem Spannungs-, Strom- und Widerstandssensor (UIR) kombinieren, um die Ansprechzeit weiter zu verringern. Ein UIR-Sensor in der Art des BQ79631-Q1 kann über die Hardware-Pins direkt mit dem Treiber kommunizieren, sodass kein gesonderter Mikrocontroller notwendig ist.

Zu den kritischsten Funktionen einer Pyrosicherung gehört das Trennen der Batterie vom übrigen System, wenn es zu einem Unfall oder einem anderen kritischen Vorfall kommt. Systemdesigner müssen die Verfügbarkeit der Pyrosicherungs-Funktion sicherstellen, damit diese zuverlässig anspricht. Eingebaute Diagnosefunktionen der Komponente überwachen deshalb den Status des Treibers, den einwandfreien Zustand der Pyrosicherung und die Verfügbarkeit der Backup-Stromversorgung. Um die Verfügbarkeit der Hilfsstromversorgung zu überwachen, wird der Speicherkondensator gemessen. Dieser fungiert als Reserve-Energiequelle für das Pyrosicherungs-System in Situationen, in denen die Hauptstromversorgung durch die Batterie nicht mehr verfügbar ist. Durch periodisches Überprüfen der Entladespannung dieses Kondensators können der Treiber DRV3901-Q1 und der Mikrocontroller einen Ausfall dieser Hilfsstromversorgung erkennen, bevor sie benötigt wird, und eine entsprechende Warnmeldung im Fahrzeug erzeugen.

Die Sicherung muss bei Bedarf ansprechen – aber, ebenso kommt es aber darauf an, jegliches ungewollte Auslösen zu unterbinden. Der Treiberbaustein DRV3901-Q1 ist aus diesem Grund mit integrierten Diagnosefunktionen ausgestattet, die ein ungewolltes Aktivieren der Pyrosicherung verhindern. Erreicht wird das mithilfe verschiedener Funktionen, zu denen separate High- und Low-seitige Treiber, redundante Pins für das direkte Zünden per Hardware und eine CRC-Funktion (Cyclic Redundancy Check) an der SPI-Schnittstelle gehören.

Stromverteilung im Fahrzeug optimieren

Die wichtigsten Verbindungen in den Stromversorgungs-Leitungen eines HEV oder EV sind die Hauptschütze, die die Hochspannungs-Batterie mit dem Traktionswechselrichter verbinden. Es können allerdings noch weitere Stromversorgungs-Leitungen hinzukommen, wie etwa die DC- und AC-Ladeschütze zur Verbindung der Ladestation mit der Batterie sowie Hilfsschütze, die die Verbindung zu anderen elektrischen Verbrauchern wie etwa der Innenbeleuchtung oder zu Heizgeräten herstellen.

Ein Schütz besteht aus einer Niederspannungs-Spule, die mechanische, für hohe Spannungen und/oder Ströme ausgelegte Kontakte betätigt. Bei den Schützen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge vollzieht sich eine Weiterentwicklung, um die Anforderungen von Systemen mit höherer Leistung zu erfüllen. Die Niederspannungs-Spule des Schützes wird oftmals durch eine Schaltung angesteuert, die als „Economizer“ bezeichnet wird. Diese hat an Bedeutung und Komplexität stetig zugenommen, um den gestiegenen Forderungen nach Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit gerecht zu werden und die Energieeffizienz in Szenarien mit hoher Leistung zu verbessern. Diese Schaltungen, die entweder extern implementiert oder direkt in das Schütz integriert werden, helfen bei der Reduzierung des Stroms, der notwendig ist, um das Schütz im geschlossenen Zustand zu halten. Schütze, die einen externen Economizer benötigen, können allerdings beim Versuch, die Sicherheitsvorgaben auf Systemebene zu erfüllen, rasch ziemlich komplex werden.

Komplexe Economizer-Designs ersetzen

Ersetzen lassen sich komplexe Economizer-Designs durch einen vollintegrierten Hochleistungs-Schütztreiber wie den DRV3946-Q1, der für ein effizientes Einschalten und ein sicheres Ausschalten des Schützes sorgt. Um ein effizienteres Einschalten zu bewirken, besitzt der DRV3946-Q1 eine programmierbare Spitzen- und Haltestromregelung, deren Funktionsweise aus Bild 2 hervorgeht. Zum anfänglichen Herstellen der Verbindung kann beim Einschalten ein höherer Spitzenstrom eingestellt werden, während der Strom für die anschließende Haltephase auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt wird. Die Möglichkeit zum Programmieren der integrierten Spitzen- und Haltestromphasen schafft die Voraussetzungen für einen robusteren und effizienteren Betrieb des Schützes.

Kritisch ist ebenfalls das Abschalten des Schützes. Wenn es gelingt, ein Schütz schnell abzuschalten, wirkt das nicht nur dem Verschweißen der Kontakte entgegen, sondern es wird auch eine erste Verteidigungslinie für die übrigen Systeme des Fahrzeugs geschaffen, wenn es zu einer Störung kommt. Bisherige Ansätze, die Spitzen- und Haltestromregelung mit einer Schnellentladefunktion zu kombinieren, resultierten in komplexen Schaltungen. Der Treiber DRV3946-Q1 dagegen kombiniert beide Funktionen in einem Chip, um die Systemkomplexität zu verringern, während sich die Sicherheit und die Effizienz gleichzeitig verbessern.  (se)

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* Jennifer Jordan arbeitet als Product Marketing Engineer bei Texas Instruments.

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