Funktion des DC/DC-Wandler im Elektroauto
In Hybrid- wie auch in reinen Elektrofahrzeugen gibt es immer zwei Netze: das HV-Netz und das 12-V-Bordnetz. Beide müssen komplett voneinander getrennt werden. In der Regel ist aber auch bei Hybridfahrzeugen kein konventioneller 12-V-Generator mehr verbaut. Die Bordnetzbatterie muss also über die Drehfeldmaschine beziehungsweise die HV-Batterie geladen werden. Hier kommt ein DC/DC-Wandler ins Spiel. Er wandelt eine Gleichspannung in eine andere um.
Man unterscheidet zwischen unidirektionalen und bidirektionalen Wandlern. Ein unidirektionales Gerät kann die Spannung nur in eine Richtung wandeln, also von Hochvolt in Niedervolt oder von Niedervolt in Hochvolt. Ein bidirektionaler Wandler arbeitet in beide Richtungen.
Eine wesentliche Sicherheitsanforderung bei HV-Fahrzeugen ist die galvanische Trennung des Niedervoltnetzes vom Hochvoltnetz. Das erledigen Transformatoren. Ein Transformator benötigt allerdings eine Wechselspannung, um diese dann in eine andere Wechselspannung transformieren zu können. Damit eine Batterie damit geladen werden kann, muss die transformierte Spannung wieder gleichgerichtet werden.
Der unidirektionale DC/DC-Wandler besteht also zuerst aus einem kleinen Inverter, der die HV-Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt. Diese Wechselspannung wird mit einem Transformator in eine niedrigere Spannung übertragen und dabei noch galvanisch von der HV-Wechselspannung getrennt.
Es besteht also keine leitende Verbindung mehr zum HV-Netz. Die
Niedervolt-Wechselspannung wird nun mit einem herkömmlichen Gleichrichter inklusive Glättungskondensator in eine Gleichspannung umgewandelt. Mit dieser Niedervolt-Gleichspannung kann nun sowohl das 12-V-Bordnetz betrieben als auch die 12-V-Batterie geladen werden. Ein Steuergerät überwacht die Ausgangsspannung und taktet die IGBTs so, dass die 12-V-Batterie nicht überladen werden kann.
Ein bidirektionaler Wandler ist ähnlich aufgebaut und die Spannung kann sowohl in die eine als auch in die andere Richtung hoch- beziehungsweise heruntergesetzt werden.
Im Unterschied zum unidirektionalen ist beim bidirektionalen Wandler auf beiden Seiten des Transformators ein kleiner Inverter mit integriertem Gleichrichter verbaut. Zum Herabsetzen der HV-Spannung werden die linken IGBTs angesteuert und erzeugen so die Wechselspannung für den Transformator. Auf der rechten Seite des Trafos sind die IGBTs gesperrt, sodass nur die Dioden wirksam werden und die transformierte Wechselspannung wieder gleichrichten.
Hybridfahrzeuge verfügen oftmals nicht mehr über einen 12-V-Starter. Viele Hersteller verzichten darauf, weil der Verbrennungsmotor in der Regel auch mit der E-Maschine gestartet werden kann. Ist im Fahrzeug ein bidirektionaler Wandler verbaut, kann die 12-V-Batterie den Verbrennungsmotor starten. Dafür wird die 12-V-Bordnetz-Spannung einfach hochgewandelt und der Elektromotor über das HV-Netz angesteuert.
Unter diesen Umständen könnten – obwohl am Fahrzeug zum Freischalten die HV-Batterie unterbrochen wurde – trotzdem hohe Spannungen auftreten, wenn nämlich die Niedervoltseite versucht, den Verbrennungsmotor zu starten. Aus diesem Grund ist es geboten, dass beim Freischalten eines HV-Fahrzeugs mit bidirektionalem Wandler auch die 12-V-Batterie abgeklemmt wird.
Achtung: Zur Sicherheit sollte beim Freischalten immer auch die 12-V-Batterie
abgeklemmt werden.
Grundlagen Kfz-Hochvolttechnik
3. erweiterte Auflage 2018, von Martin Frei, 100 Seiten, zahlreiche Abbildungen, 39,95 Euro
Inhalt (Auszug)
- Gefahren des elektrischen Stroms
- Das Prinzip der Hochvoltbatterie
- Das Hochvoltnetz
- Spannungsfreischaltung eines HV-Systems
- Der Elektromotor, der Generator
- Inverterschaltungen, Leistungselektronik
- Qualifikationen zur Arbeit an HV-Systemen
- Neu: Die Brennstoffzelle, Das 48V-Bordnetz
Für wie viel Leistung sind DC/DC Wandler ausgelegt? Ist die Größenordnung auf Höhe von Lichtmaschinen?
Die Frage rührt von einer Diskussion um Starthilfe von einem EV für ein anderes Fahrzeug (auch z.B. Diesel) her, bei dem der Wandler naturgemäß über sein normales Maß hinaus beansprucht würde. Riskiert man so den Wandler?
Hallo Dirk.P, pauschal kann ich diese Frage nicht beantworten. Hier ein Beispiel für Leistungswerte eines Converters (3evo) von Bosch: 1,8 bis 3,6 kW Vorwärtsbetrieb; 1,5 kW im Rückwärtsbetrieb.Zum Thema Fremdstarten: Bei E-Autos geht es ja mehr ums überbrücken, um 12 Volt anlegen zu können. Etwa um die Schütze der HV-Anlage anzusteuern, damit dann die HV-Anlage arbeiten kann. Wenn die HV-Batterie leer ist, dann ist der Fall anders gelagert. Dann geht eh nix mehr.
Bei Hybriden kommt es darauf an. Wenn der Verbrenner nur über die HV-Batterie gestartet wird (z.B. Prius), dann geht mit herkömmlicher Starthilfe auch nichts. Zu Hybriden die einen 12-V-Starter haben, könnte ein Startbooster der etwa mit einiger hundert/tausend A in der Spitze und 12 V startet, tatsächlich zu einem Problem führen wohlgemerkt aber nur rein rechnerisch. Wie es tatschlich ist, kann ich an dieser Stelle nicht eindeutig beantworten. Wir wollten zum Thema mal recherchieren und haben von den OEMs aber leider keine eindeutigen Antworten bekommen. Oft hieß es, ins Bordbuch gucken.