Versorgung eines elektrischen OHV-Niederenergienetzes aus der Traktionsbatterie

Die Welt ist fasziniert von den Elektrofahrzeugen (EVs), die von den großen Herstellern von Automobiltechnik eingeführt werden. Das liegt zum Teil an der geschickten Werbung, aber auch daran, dass die Autos beeindruckende Beispiele für moderne Technik sind. In der Zwischenzeit verrichtet eine riesige globale Flotte unbesungener Elektrohelden still und leise ihre Arbeit.

Sogenannte Off-Highway-Fahrzeuge (OHVs) stützen die Weltwirtschaft, indem sie durch Lagerhäuser, Fabriken, Flughäfen, Docks und viele andere Orte fahren, an denen Waren, Gepäck und Menschen transportiert werden müssen. Ein staubiger Elektrostapler, der in den dunkelsten Ecken eines Lagers arbeitet, ist zwar nicht ganz so glamourös wie ein schnittiger und sportlicher Elektrostapler, der über die Autobahn rast, erfüllt aber eine ebenso wichtige Aufgabe (Abbildung 1). Und die Herausforderungen bei der Konstruktion von OHVs sind genauso groß, wenn nicht sogar größer, als bei der Entwicklung von Straßenfahrzeugen.

Abbildung 1: Elektrische OHVs, wie z. B. Gabelstapler, stellen hohe Anforderungen an die Konstruktion. (Bildquelle: Komatsu)

Es gibt keine allgemeine Lösung

Ein wichtiger Trend im Bereich der straßentauglichen Elektrofahrzeuge ist die Abkehr von 400-Volt-Traktionsbatterien hin zu 800-Volt-Systemen. Dies ist eine sinnvolle technische Entscheidung, da die höhere Spannung den Strombedarf für die gleiche Leistung der Fahrmotoren reduziert. Dies wiederum senkt die Verlustleistung und ermöglicht die Verwendung leichterer Kabel und kleinerer Motoren bei gleichbleibender Leistung. Es gibt einige Kompromisse, wie z. B. höhere Anforderungen an die Spannungsisolierung, aber die Umstellung auf 800 Volt ist insgesamt sinnvoll.

800 Volt sind zwar ideal, um vier Personen über Hunderte von Kilometern bei Autobahngeschwindigkeit zu befördern, aber für einen elektrischen Gabelstapler, der nur wenige Stunden am Tag in einem Lagerhaus herumfährt, oder für einen Gepäckwagen, der das Gepäck von Reisenden im Flugzeug transportiert, wird er kaum benötigt. Dies ist eine gute Nachricht für die Entwicklung von Elektro-OHVs, denn es wäre eine Herausforderung, in einem kompakten Fahrzeug Platz für die 200 Lithium-Ionen-Zellen zu finden, aus denen eine 800-Volt-Batterie besteht.

Stattdessen verwenden elektrische OHVs kleinere Antriebsbatterien. Je nach Anwendung sind für OHVs die Spannungen 24, 36, 48, 80, 96 oder 120 Volt üblich. Die Antriebsspannungen können zwar variieren, doch den meisten OHVs ist ein 12-Volt-Niederspannungsnetz gemeinsam, das z. B. die Beleuchtung, die Scheibenwischer, die Hupe und die Lüftungsgebläse des OHVs versorgt.

Eliminierung der 12V-Batterie

Im Straßenverkehr eingesetzte E-Fahrzeuge verfügen in der Regel über eine herkömmliche 12-Volt-Blei-Säure-Batterie zur Versorgung des Niederspannungsnetzes, aber auch 48-Volt-Batterien werden immer beliebter. Dies ist sinnvoll, da so die Hochspannungsseite der Traktion vom Niederspannungsnetz physisch getrennt werden kann. Das bedeutet auch, dass Zusatzfunktionen wie die elektrische Lenkung oder die Sitzheizung nicht direkt aus der Antriebsbatterie gespeist werden müssen und somit die Reichweite nicht beeinträchtigen, da die Niederspannungsbatterie durch regeneratives Bremsen geladen wird.

Der Einbau einer 12-Volt-Batterie in einen OHV ist zwar möglich, aber in vielen Fällen nicht die beste Lösung. Die Batterie braucht Platz, ist schwer, teuer und komplex, und bei OHV-Anwendungen gibt es oft nur minimale regenerative Bremsen, um die Batterie aufzuladen. In vielen Fällen entscheiden sich die Entwicklungsteams dafür, das Niederspannungsnetz direkt von der Antriebsbatterie des OHV zu versorgen. Und da die Reichweite dieser Arbeitspferde im Vergleich zu straßentauglichen E-Fahrzeugen weniger ins Gewicht fällt, ist auch der Stromverbrauch der Antriebsbatterie nicht so problematisch.

Außerdem sind bei OHVs aufgrund der niedrigeren Spannungen der Antriebsbatterie die Vorschriften für die Trennung zwischen Antriebs- und Stromkreisen mit geringer Leistung weniger streng.

Robuste DC/DC-Module machen's möglich

Die Versorgung eines Niederspannungsnetzes über die Antriebsbatterie erfordert einen Gleichspannungswandler, der die Spannung auf 12 Volt absenkt. Der Umrichter muss effizient sein, um die Belastung der Antriebsbatterie zu minimieren und das Wärmemanagement zu erleichtern, er muss kompakt genug sein, um in einen kleinen OHV zu passen, und er muss robust genug sein, um unter schwierigen Bedingungen zuverlässig zu arbeiten.

Die handelsüblichen Leistungsmodule der RMOD-Serie von RECOM sind eine gute Lösung (Abbildung 2). Die Module sind so konzipiert, dass sie eine niedrige Spannung aus der Antriebsbatterie eines Fahrzeugs erzeugen und sind in Versionen mit einer Leistung von 400 Watt und 600 Watt erhältlich. Die Module sind nach IP69K gegen das Eindringen von Staub und Wasser abgedichtet und nach EN60068 für die Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen, Stöße und Ausdauer, Feuchtigkeit/Hitze, Vibrationen, mechanische Stöße und Salznebel zertifiziert. Sie sind außerdem bis 2,5 Kilovolt (kV) DC isoliert und nach IEC/EN/UL/CSA 62368-1 zertifiziert.

Abbildung 2: Die RMOD-DC/DC-Module von RECOM sind robuste Lösungen für die Stromversorgung von Niederspannungsnetzen aus Traktionsbatterien. (Bildquelle: RECOM)

Das Modul RMOD400-28-13SW aus der 400-Watt-Reihe kann eine Gleichstrom-Eingangsspannung von 16,8 bis 56 Volt aufnehmen und 30,8 Ampere (A) bei 13 Volt abgeben. Es misst 8 x 4,53 x 2,4 Zoll und hat einen Wirkungsgrad von 85 %. Abbildung 3 zeigt die Wirkungsgradkurven des Moduls für eine Reihe von Spannungen. Eine Version mit einen 24-Volt-Ausgang (RMOD400-60-24SW) ist ebenfalls erhältlich.

Abbildung 3: Dargestellt sind die Wirkungsgradkurven für das DC/DC-Modul RMOD400-28-13SW über einen Bereich von Eingangsspannungen. (Bildquelle: RECOM)

Das 600-Watt-Modul RMOD600-80-13SEW hat einen DC-Eingangsspannungsbereich von 33,6 bis 125 Volt und leistet 46,2 A bei 13 Volt. Das Modul hat die gleiche Größe und Effizienz wie die 400-Watt-Version. Abbildung 4 zeigt die Verlustleistung des Moduls in Abhängigkeit von der Last. Das Modul benötigt ein geeignetes Wärmemanagement, um seine Temperatur bei hohen Ausgangslasten zu regulieren.

Abbildung 4: Abgebildet sind die Verlustleistungskurven für das DC/DC-Modul RMOD600-80-13SEW. (Bildquelle: RECOM)

Abführung der Hitze

Dank der wasser- und staubdichten Gehäusekonstruktion können die Module mit dem Chassis des OHV verbunden werden und arbeiten zuverlässig auch unter widrigsten Bedingungen. Die Module müssen auf einer Wärmeleitfolie und dann auf einem Gehäuseteil montiert werden, das als Kühlkörper dienen kann. Das Modul kann in geschlossenen Anwendungen mit voller Last eingesetzt werden, sofern die Kühlung ausreicht, um die Temperatur der Grundplatte unter 70°C zu halten.

Mehrere Module können parallel betrieben werden, sofern sie die gleiche Nennausgangsspannung haben. Da es jedoch keine aktive Stromverteilung gibt, muss man sich darüber im Klaren sein, dass parallel geschaltete Module unterschiedlich viel zum Gesamtlaststrom beitragen können (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der Parallelbetrieb der RMOD-DC/DC-Wandler von RECOM ist möglich, sofern sie die gleiche Nennausgangsspannung haben. (Bildquelle: RECOM)

Fazit

Entwicklungsteams von OHVs können auf eine zusätzliche Niederspannungsbatterie verzichten, indem sie das Niederspannungsnetz für die Hilfssysteme des Fahrzeugs über die Antriebsbatterie versorgen. Die RMOD-DC/DC-Module von RECOM bieten eine Plug&Play-Lösung speziell für diesen Zweck. Die Module akzeptieren eine Reihe von Traktionsbatteriespannungseingängen und liefern gleichzeitig geregelte 13-Volt-Ausgänge mit geringer Restwelligkeit für die Hilfssysteme.