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
