Hochspannungswandler – Elektrifizierung von Fahrzeugen

DC/DC Hochspannungswandler spielen eine zentrale Rolle bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen aller Art. In diesem Beitrag betrachten wir einige Besonderheiten, welche beim Betrieb von einem Gleichspannungswandler in Kombination mit einer Niedervoltbatterie berücksichtigt werden sollten.

Hochvolt Bordnetz

Im Zuge der Elektrifizierung der PKW- und LKW-Sparte werden viele bestehende Komponenten obsolet oder müssen durch alternative Lösungen ersetzt werden. Dies betrifft nicht nur den Verbrennungsmotor, sondern unter anderem auch die Lichtmaschine, welche als Generator für die Versorgung des 12 VDC bzw. 24 VDC Bordnetzes notwendig war. Diese Aufgabe übernimmt in elektrisch betriebenen Fahrzeugen ein Hochspannungswandler der die Energie aus einer Hochvoltbatterie entnimmt und auf die jeweilige Niedervoltspannung transformiert.

Um einen Einbruch des Bordnetzes bei deaktiviertem Wandler zu verhindern, wird, ähnlich wie bei KFZ mit Verbrennungsmotoren, eine 12 VDC bzw. 24 VDC Bleibatterie verbaut. Somit kommt einem verbautem Hochspannungswandler nicht nur die Aufgabe der Versorgung des Niedervoltbordnetzes zu, sondern auch die Ladung der dort verbauten Akkus. Die Ladung ist ein komplexer Prozess, welcher durch Wahl ungeeigneter Parameter zu einer erhöhten Alterung oder Zerstörung der Batterie führen kann.

Robuste Hochspannungswandler für Elektrofahrzeuge

Bei der Versorgung eines Pb-Akkumulators mit einer fixen sekundärseitigen Spannung am Hochspannungswandler kann es zu verschiedenen ungewollten Reaktionen innerhalb der Batterie kommen:

– Sulfatierung

Unter Sulfatierung versteht man die Bildung schwerlöslicher Bleisulfat-Kristalle vornehmlich an den negativen Platten der Batterie was zu einer Verminderung der verfügbaren Kapazität des Akkus führt. Ein Grund für die Sulfatierung kann eine zu niedrig gewählte Versorgungsspannung am Hochspannungswandler sein.

– Säureschichtung

Durch eine zu hoch gewählte Ladespannung ohne Strombegrenzung können hohe Ladeströme auftreten. Dabei kommt es aufgrund eines Widerstandsgradienten über die Elektrodenbereiche zu einem entsprechenden Reaktionsgradienten der verdünnten Schwefelsäure, welche als Elektrolyt in der Batterie dient. Dies hat zur Folge, dass ein Dichtegefälle der Säure innerhalb der Batterie auftritt, was weitere ungewollte Reaktionen beschleunigt.

– Gasung

Durch eine zu hohe dauerhaft anliegende Ladespannung kommt es zu einer Überladung der Batterie. Hierbei kommt es zu einer elektrolytischen Zersetzung des in der verdünnten Schwefelsäure enthaltenen Wassers, was zu einer beschleunigten Alterung der Batterie aufgrund von Zellunsymmetrien führen kann. Außerdem besteht die Gefahr der Korrosion der positiven Elektroden.

Aufgrund dieser Tatsachen sollte ein Hochspannungswandler in der Lage sein, die Ausgangsspannung den Batteriegegebenheiten anzupassen, und somit die Alterungseffekte eines Akkus zu minimieren. Gleichzeitig darf die Versorgung des Bordnetzes nicht durch den Ladeprozess beeinträchtigt werden, was eine Anpassung der Ladeparameter an die jeweiligen Fahrzeuganforderungen notwendig macht.

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