800V Fahrzeuge laden

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 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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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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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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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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