Gleichspannungswandler & Hochvolt-Booster

Lösungen für 800V Elektrofahrzeuge 

Die ersten Elektro-Fahrzeuge mit einer 800V Batterie stehen schon seit Ende des Jahres 2019 zum Verkauf.
Diese Hochleistungsaggregate machen E-Fahrzeuge besonders schnell – und das auch beim Laden. 

20 Minuten an einer 800V High Power Charge Ladesäule und ca. 80 Prozent der Batterie sind wieder aufgeladen. Dank des integrierten
Hochvolt-Boosters von Preh ist ein Aufladen aber auch an jeder 400V Schnellladesäule mit bis zu 150kW Leistung möglich – für ein extra
schnelles Laden, überall. Aus diesen 800V resultieren nicht nur hohe Fahrleistungen und kurze Ladezeiten, sondern mit dem Preh
Gleichspannungswandler können auch drei niedrigere Spannungen erzeugt werden, die wichtige Komponenten des Fahrzeugs versorgen.
Genau genommen ist es ein Multiwandler, der die 800V in drei Spannungen transformiert: in 400V (für den Klimakompressor)
sowie in eine bidirektionale 48V Spannung (für die Wankstabilisierung des Fahrwerks) und in 12V zur Bordnetzversorgung. Die 48V Spannung dient zur Versorgung der Wankstabilisierung des Fahrzeugs und arbeitet bidirektional. Durch Rekuperation kann die Spannung wieder von 48V in 800V zurückgewandelt werden.

Elektrofahrzeuge

Hochvolt–
Batteriemanagement

Unter- und Überspannung, Temperaturschwankungen oder unterschiedliche Fertigungstoleranzen können die Lebensdauer von Batteriezellen in Elektrofahrzeugen verkürzen. Deswegen überwachen Hochvolt-Batteriemanagementsysteme (BMS) von Preh stetig die Spannung und Temperatur jeder einzelnen Batteriezelle. 

Zudem erreicht ein nach ASIL C-Standard konzipierter hochgenauer Stromsensor bei 0,1 Prozent Anfangskalibrierung noch nach zehn Jahren eine Messgenauigkeit von 1,0 Prozent. Auftretende Ladungs- oder Temperaturunterschiede werden durch das BMS ausgeglichen, für eine optimale Batterie-Performance und längere Lebensdauer.

Ebenso kann die Restreichweite präzise ermittelt werden. Neben den für E-Fahrzeuge elementaren Aspekten der Performance, Lebensdauer und Restreichweite verfügen die Preh-Systeme auch über ein zweistufiges Sicherheitskonzept.

Hybrid-Fahrzeuge

48V-Batteriemanagementsystem 

Preh Batteriemanagement-Kompetenz findet sich auch in Hybridfahrzeugen. Auf Basis langjähriger Erfahrungen in der Entwicklung
und Herstellung von Batteriemanagementsystemen (BMS) für E-Fahrzeuge können mit einem 48V-BMS Batteriemanagementsystem
ähnliche Vorteile auch für Hybridfahrzeuge genutzt werden. Hierbei werden die Spannung und die Temperatur in den Zellen des
Batteriemoduls kontinuierlich überwacht und bei Abweichungen entsprechend ausbalanciert. Dies sorgt für eine längere
Lebensdauer und für eine optimale Leistungsfähigkeit der Batteriezellen.

Im Serieneinsatz ist diese Technologie in diversen Vierzylinder- und Sechszylindermodellen bei Mercedes-Benz.

Zuverlässig, sicher, modular

GENERIC On-Board Charger von Preh

Um den Strom aus der Steckdose oder Ladesäule in das E-Fahrzeug zu
bringen, bedarf es eines On-Board Chargers. Preh hat einen generischen einphasigen 3,5kW On-Board Charger entwickelt, der sich durch robustes Design, hohe Leistungsdichte, maximale Sicherheit und Zuverlässigkeit auszeichnet.

Nach Kundenspezifikation modifiziert, findet sich der OBC von Preh in verschiedenen Pkw und Nutzfahrzeugen in Serienproduktion.
Beispiele sind der Lynck & Co. von Geely sowie Busse von Volvo.
Durch seine modulare Auslegung kann der Preh OBC auch für höhere Leistungen modifiziert werden.

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Preh´s Produktportfolio für die Elektromobilität

Der Automobilzulieferer Preh bietet ein umfangreiches Produktportfolio für Elektrofahrzeuge. Die eigens vor 12 Jahren gegründeten Division „E-Mobility“ entwickelt und fertigt unter anderem…

Der Automobilzulieferer Preh bietet ein umfangreiches Produktportfolio für Elektrofahrzeuge. Die eigens vor 12 Jahren gegründeten Division „E-Mobility“ entwickelt und fertigt unter anderem Gleichspannungswandler (DC/DC Wandler), Hochvolt-Booster, OnBoard Charger (OBC) und auch Batteriemanagementsysteme. Im speziellen in-house Hochleistungs-Prüflabor, für Anwendungen bis zu 250 kW, können sämtliche Komponenten den mechanischen, elektrischen sowie Lebensdauerprüfungen unterzogen werden. Ebenso sind Umwelteinflusssimulationen möglich.

Eine der neuesten Entwicklungen, die in einem vollelektrischen 800V Sportwagen Verwendung findet, ist der DC/DC Wandler von Preh. Dieser Multiwandler transferiert eine Spannung von 800 Volt in 48V, 12V und 400V. Die 48V Spannung versorgt die Wankstabilisierung des Fahrzeuges und arbeitet dank Rekuperation bidirektional, die 48V können also in 800V zurückgewandelt werden. Die 12V Spannung dient der Bordnetz- und die 400V der Klimakompressorversorgung.

Der Preh Hochvolt-Booster setzt ebenfalls auf Spannungswandlung. Preh Booster mit wahlweise 50 kW bis zu 150 kW Leistung ermöglichen das Laden von 800V Fahrzeugen an 400V Schnellladesäulen. Dabei werden mittels Spannungswandlung die ausgegebenen 400V auf 800V „geboostet“. Somit steht für 800V Fahrzeuge die gesamte 400V Lade-Infrastruktur zur Verfügung.

Elektromobilitätslösungen bietet Preh für PKW wie auch für LKW. So werden Preh OnBoard Charger unter anderem in den PKW Modellen Lynk & Co 01 und Volvo XC40 eingesetzt sowie in Volvo Trucks und Bussen. Diese robusten generischen einphasigen OBCs mit 3,5 kW für PKW und 11 kW für Nutzfahrzeuge zeichnen sich durch maximale Sicherheit und Zuverlässigkeit aus und weisen eine hohe Leistungsdichte auf. Es ist zudem möglich, den modular ausgelegten 11kW OnBoard Charger auf Leistungen bis zu 44 kW zu erweitern.

Ein 11 kW OnBoard Charger mit bidirektionalen Lademöglichkeiten für vehicle to grid (V2G) und vehicle to load (V2L) Anwendungen ist Teil der elektromobilen Zukunft bei Preh. Ebenso werden „wireless charging“ Möglichkeiten mit 11 kW möglich sein. E-Fahrzeuge der nächsten Generation können von Preh auch mit Kombinationen von OnBoard Chargern und wireless power transfer (WPT) ausgestattet werden, ebenso mit Kombinationen von OnBoard Chargern und Gleichspannungswandlern.

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Die Anfänge der E-Mobility bei Preh

Die ersten Schritte in der Elektromobilität unternahm Preh im Jahr 2008. Bis 2015 konnte eine Vorreiterrolle in der Entwicklung von Batteriemanagement-Steuergeräten erreicht werden - sowohl in PKW und…

Die ersten Schritte in der Elektromobilität unternahm Preh im Jahr 2008. Bis 2015 konnte eine Vorreiterrolle in der Entwicklung von Batteriemanagement-Steuergeräten erreicht werden - sowohl in PKW und LKW als auch im Offroad-Bereich. Für das Batteriemanagement hat Preh eine neue Battery Control Unit (BMU) entwickelt, die einen äußerst genauen Stromsensor (lieferbar in den Versionen „Standard“ und „Hochgenau“) mit einem Steuergerät und zusätzlichen Bestandteilen kombiniert. Sowohl der Stromsensor wie auch das Steuergerät lassen sich auch separat anwenden. Der gemäß ASIL C Vorgabe hergestellte Stromsensor gilt in der Ausführung „Hochgenau“ als Benchmark in der Messgenauigkeit.

So lässt sich die verbleibende Reichweite von Fahrzeugen mit Batterieantrieb (ganz gleich ob PKW oder NFZ)
vier Mal präziser ermitteln als mit sonstigen Systemen. Nach über zehn Jahren Nutzung weist der anfänglich
auf 0,1 Prozent kalibrierte Stromsensor noch immer eine Messgenauigkeit von 0,35 Prozent auf.

Preh bietet seine Batteriemanagementsysteme in einer 48 Volt Variante und in einer Hochvolt-Variante an. Beispielsweise setzt der Kunde BMW in den Modellen i3 und i8 auf Batteriemanagement-Innovationen von Preh.

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Preh´s Batteriemanagement mit 48 Volt

Die 48 Volt Battery Control Unit (BCU) von Preh steht für die Reduktion von CO2 und den Zugewinn neuer Komfortfunktionen. Sie kann in der vom Kunden gewünschten Konfiguration ausgelegt werden. Zu den…

Die 48 Volt Battery Control Unit (BCU) von Preh steht für die Reduktion von CO2 und den Zugewinn neuer Komfortfunktionen. Sie kann in der vom Kunden gewünschten Konfiguration ausgelegt werden.

Zu den wesentlichen Aufgaben der BCU zählen die Überwachung der Batteriezellen-Temperatur und Spannung im Zusammenspiel mit einem höchst genauen Stromsensor. Dieser weist auch nach zehnjähriger Nutzungsdauer eine nur geringe Abweichung in der Messgenauigkeit auf: Auf ursprünglich 0,1 Prozent kalibriert, erreicht der Sensor nach diesen 10 Jahren immer noch 1,0 Prozent Messgenauigkeit. Sicherheitsrelevanten Gesichtspunkten wird mit dem Einsatz integrierter MOSFET Schalter zur allpoligen Batterietrennung Rechnung getragen.

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Effizientes Batteriemanagement

Wie lässt sich die Lebensdauer für Batterien bei Elektrofahrzeugen erhöhen und damit auch deren Reichweite?  Mit den von Preh entwickelten Steuergeräten BMU (Battery Management Unit) und den CSSUs…

Wie lässt sich die Lebensdauer für Batterien bei Elektrofahrzeugen erhöhen und damit auch deren Reichweite? 

Mit den von Preh entwickelten Steuergeräten BMU (Battery Management Unit) und den CSSUs (Cell Supervising Sensor Units) werden die Batteriezellen auf Temperatur und Spannung überwacht und die Restreichweite des Elektrofahrzeuges ermittelt. Kenntnisse über die Temperatur in den Batteriezellen sind wichtig, denn Überhitzung kann die Lebensdauer der Batteriezellen verkürzen. Durch das sogenannte passive Load-Balancing wird erreicht, dass die Batteriezellen homogen geladen werden. Der Vorteil eines aktiven Load-Balancing ist die komplette Synchronisation des Auf- und Entladens der jeweiligen Batteriezellen ohne Verlust von Energie. Damit bietet das aktive Load-Balancing im direkten Vergleich mit dem passiven Load-Balancing eine Erhöhung der Reichweite um
10-15%. Das Steuergerät BMU überwacht zusätzlich die Hochvolt-Sicherheit mittels eines Isolationswächters.
Dabei wird das Fahrzeug auf Kurzschluss zwischen Hochvoltsystem und Niedervoltsystem überwacht.
Nur ein Beispiel für den Einsatz der von Preh entwickelten BMU und der CSSU ist der BMW i3.
Aber nicht nur die Batterielebensdauer, sondern auch die Sicherheit von Batteriemanagementsystemen muss im Vordergrund stehen. Das Risikoklassifizierungsschema ASIL-C, festgelegt in der ISO Norm 26262, sieht für Steuergeräte im Batteriemanagement vor, dass ein zweiter Sicherheitspfad vorhanden sein muss. Bei Preh werden die Steuergeräte, die im Batteriemanagement zum Einsatz kommen, ausschließlich entsprechend dieser Norm entwickelt.

Spielt die Kenntnis der Unterspannung für die Berechnung der Reichweite eine Rolle, so ist die Überspannung ein ebenso wichtiges Thema, da sicherheitstechnisch relevant. Ein Aspekt hierbei ist die Steuerung der Energierückgewinnung – die sogenannte Rekuperation. Das Überhitzen einer Batteriezelle bei häufig aufeinanderfolgender Volllast einhergehend mit sehr hohen Außentemperaturen kann die Temperatur in der Hochvoltbatterie über das normale Maß hinaus erhöhen. In einem solchen Fall kommen die im ersten Sicherheitspfad festgelegten Maßnahmen zum Einsatz. Diese reichen von einer Reduzierung der Temperatur in der Hochvoltbatterie durch Öffnung des Kühlventils über eine Drosselung der Motorleistung des Fahrzeug bis hin zum Schalten in den sicheren Zustand, also dem Öffnen der Schütze. Im Falle einer Nichtauslösung dieser Maßnahmen greift der zweite Sicherheitspfad ein. 
 

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Steuergeräte von Preh im BMW i3

Die beiden Steuergeräte von Preh, die BMU (Battery Management Unit) und die CSSU (Cell Supervising Sensor Unit) sind essentielle Bestandteile des Batteriemanagementsystems im BMW i3. Mittels BMU und…

Die beiden Steuergeräte von Preh, die BMU (Battery Management Unit) und die CSSU (Cell Supervising Sensor Unit) sind essentielle Bestandteile des Batteriemanagementsystems im BMW i3. Mittels BMU und CSSU ist für eine maximale Batterieleistungsfähigkeit im BMW i3 gesorgt. Erreicht wird dies durch eine kontinuierliche Überwachung der Batteriezellen einerseits auf deren Temperatur, aber ebenso auf die dort vorherrschende Spannung.
Die BMU erfasst und bewertet diese Daten und balanciert unterschiedliche Zustände in der Ladung aus. Dies ist ein wichtiger Bestandteil eines effektiven Batteriemanagements, da Batteriezellen abhängig von Ihrem Alter oder durch Toleranzen in der Fertigung in ihrem Ladungsniveau differieren. 

Die Steuergeräte von Preh finden nicht nur im BMW i3, sondern auch in anderen BMW Vier- und Zweiradmodellen Anwendung, darunter im BMW ActiveE, dem ActiveHybrid 5 und im BMW C-evolution.

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Steuergeräte für ausbalanciertes Ladungsniveau

Die Lebensdauer von Batterien in Elektrofahrzeugen hängt unter anderem davon ab, dass ein gleichmäßiges Ladungsniveau gewährleistet ist. Die Steuergeräte von Preh, das BMU (Battery Management Unit)…

Die Lebensdauer von Batterien in Elektrofahrzeugen hängt unter anderem davon ab, dass ein gleichmäßiges Ladungsniveau gewährleistet ist. Die Steuergeräte von Preh, das BMU (Battery Management Unit) und die CSSU (Cell Supervising Sensor Unit) ermöglichen die Überwachung und Steuerung von Ladezustand und Temperatur jeder einzelnen Batteriezelle. Dieses sogenannte Passive Balancing sorgt somit für eine längere Lebensdauer der Batterie.

Mittels einer Elektronik für Schaltvorgänge sowie einer Steuerung des Kühlventils werden außerdem erhöhte thermische Belastungen vermieden und damit die Lebensdauer der Batteriezellen erhöht. Über das Passive Balancing hinaus, ermöglicht Preh auch den Einsatz des Active Balancing, welches die jeweiligen Batteriezellen komplett energetisch identisch (synchron) aufladen oder entladen kann. Der Vorteil des Active Balancing
gegenüber des Passive Balancing liegt in der vollständigen Ausnutzung der Energie innerhalb der Batteriezellen durch Umverteilung, wohingegen beim Passiven Balancing die Rest-Energie von besseren Batteriezellen beim Entladevorgang nicht genutzt werden kann.

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