La cooperazione tra gli specialisti di e-mobility della Automotive Business Unit (ABU) di Rutronik e la divisione Automotive di Vishay ha realizzato un nuovo progetto di riferimento per un circuit breaker ad alta tensione (HV) con una capacità massima di rottura di 40 kW.
Questo sostituisce le precedenti opzioni che utilizzavano relè meccanici con una soluzione a semiconduttore intelligente, ripristinabile e a basse perdite. Gli switches HV sono un collegamento indispensabile all'interno di un'architettura HV dei moderni Battery Electric Vehicles (BEV). Sono utilizzati per separare in modo sicuro e inequivocabile le unità ausiliarie dal resto dell'architettura elettrica del veicolo sul lato dell'alta tensione (lato 400/800V) - a seconda dell'architettura della piattaforma - e quindi prevenire gravi danni.
"Stiamo ridefinendo il termine 'servizio di progettazione' nella distribuzione sviluppando prodotti di riferimento e offrendo servizi che soddisfano i requisiti futuri delle prossime piattaforme di veicoli elettrici", afferma Uwe Rahn, direttore ABU di Rutronik.
I veicoli elettrici di prossima generazione avranno fino a tre diversi livelli di tensione:
- Un sistema elettrico a 12 V per piccoli attuatori e tutte le unità di controllo
- Un sistema elettrico a 48V per i grandi consumatori di energia come le pompe dell'acqua, l'EPS o le ventole del radiatore
- Un sistema elettrico da 400 a 800V che contiene il pacco batterie e le maggiori utenze come l'inverter, il riscaldatore ad alta tensione, l'OBC, il DCDC HV/LV e l'HVAC.
Tecnologie per il BEV del futuro
In termini di circuiteria, il sezionatore HV consiste in uno stadio di potenza isolato a 800V con elettronica di misurazione e valutazione a 12V e un AURIX TC375 Lite Kit. Il concetto del sezionatore HV è realizzato nello stadio di commutazione con semiconduttori ad alte prestazioni dell'ultima generazione SiC di ROHM, isolamento galvanico dei canali di misura, shunt di alta precisione, nuovi optoaccoppiatori e tutti i componenti di protezione di Vishay. Inoltre, un microcontrollore AURIX di seconda generazione della Infineon controlla il dispositivo.
Innovazione per le esigenze più elevate
Con i MOSFET SiC da 1200V della quarta generazione in alloggiamento SMD e un controllo regolato con precisione tramite un gate driver SiC, il sezionatore HV è in grado di commutare potenze fino a 40kW. La perdita di potenza risultante raggiunge circa 16W. Il calore risultante può essere dissipato passivamente a temperatura ambiente (25°C). Così, il nuovo concetto supera i requisiti degli OEM premium.
Il sezionatore HV ha un percorso di precarica con cui i carichi capacitivi possono essere precaricati tramite un MOSFET SiC, una resistenza di precarica e due modalità di precarica implementate (13ms o 130ms), evitando così la sovracorrente all'accensione. Un driver SiC isolato galvanicamente pilota i MOSFET principali. Il MOSFET di precarica è controllato da un fototransistor isolato galvanicamente. La corrente di carico massima del sezionatore può essere impostata sia tramite il microcontrollore che individualmente tramite un potenziometro in modalità stand-alone. Con i MOSFET SiC da 1200V della quarta generazione in alloggiamento SMD e un controllo regolato con precisione tramite un gate driver SiC, il sezionatore HV è in grado di commutare potenze fino a 40kW. La perdita di potenza risultante raggiunge circa 16W. Il calore risultante può essere dissipato passivamente a temperatura ambiente (25°C). Pertanto, il nuovo concetto supera i requisiti degli OEM premium.
Il Powerstage è dotato di shunt ad alta precisione di Vishay, che si caratterizzano per la loro misurazione bidirezionale estremamente accurata della corrente della batteria. I segnali di misurazione della corrente e della tensione vengono trasmessi galvanicamente isolati (misurazione flottante),e laborati dagli amplificatori dei segnali di misurazione e trasmessi al microcontrollore. I nuovi optoaccoppiatori lineari VOA300 di Vishay forniscono un isolamento galvanico dal lato 12V. Due MLCC ad alta tensione collegati in serie da Vishay forniscono l'alimentazione galvanicamente isolata degli op-amp.
Questa alimentazione include uno stadio driver push-pull con 50 kHz. La scheda AURIX è collegata tramite un cavo e, dopo una connessione riuscita, può emettere i valori misurati elaborati tramite un software già implementato. La configurazione e la lettura dei valori misurati dell'eFuse con controllo AURIX viene effettuata tramite un'interfaccia CAN esistente.
Misurazioni precise, funzione diagnostica e misure di protezione
Oltre alle misurazioni precise della corrente e della tensione, il concetto ha anche una funzione diagnostica e ulteriori misure di protezione, come il rilevamento di sovracorrente con soglia regolabile, la protezione dei transitori in entrata e in uscita e i diodi TVS aggiuntivi per la protezione dell'alimentazione. La tensione d'ingresso e d'uscita è monitorata tramite soglie raziometriche, il che permette anche l'uso per sistemi a 400V. Inoltre, il progetto di riferimento ha un display di stato con LED e due pulsanti per il controllo manuale. Dotato di una custodia che consente l'accesso a tutti i punti di misura, è garantita anche la protezione contro i contatti accidentali.
