Warum Elektroautos immer noch herkömmliche 12-Volt-Batterien verwenden

Die Hersteller investieren enorme Summen in die Batterietechnologie, um die Reichweite und Leistung neuer Elektroautos zu maximieren. Wenn Sie jedoch die Motorhaube eines modernen Elektroautos öffnen, finden Sie vielleicht eine ganz normale alte 12-Volt-Autobatterie. Das kann verwirrend sein, aber keine Angst – wir werden herausfinden, warum das so ist, und dabei die Geheimnisse der 12-Volt-Systeme eines Elektroautos lüften.

The 12V battery nestled in a Tesla Model 3. These batteries often fail in EVs, as they don’t draw high current from the lead-acid battery on starting like an ICE does. It’s believed this high current draw regularly breaks up deposits that build up on the plates of the battery, helping it last longer. EVs don’t do this, and 12V battery failures are common.

Die meisten Elektroautos fahren mit einem einzigen großen Hochspannungsakku voller wiederaufladbarer Lithiumzellen, die den Motor antreiben. Aber Elektroautos haben auch eine ganz normale 12-Volt-Blei-Säure-Batterie, genau wie die in Ihrem mit fossilen Brennstoffen betriebenen Auto. Das mag seltsam oder überflüssig erscheinen, aber die herkömmliche Batterie erfüllt mehrere wichtige Funktionen. Eines der Probleme mit einer großen Hochspannungsbatterie ist, dass sie ziemlich gefährlich sein kann. Es ist wichtig, die Batterie vom Rest der Fahrzeugelektronik zu isolieren. Um dies zu erreichen, verwenden Elektroautos ein Schütz.

Das Schütz: Es geht um die Sicherheit

Mit dem Schütz kann die Hauptbatterie des Fahrzeugs abgeschaltet werden, wenn das Auto in einen Unfall verwickelt ist, an ihm gearbeitet wird oder es einfach nicht gefahren wird. Es handelt sich um eine wichtige Sicherheitsmaßnahme, die dazu beiträgt, elektrische Brände und/oder Stromschläge zu verhindern, und die es ermöglicht, die Hauptelektronik des Fahrzeugs stromlos zu machen, wenn es nicht benutzt wird. Schütz ist ein schickes Wort für einen großen Schalter, der den Stromfluss von der Batterie steuert. Ein Schütz wird eingeschaltet, indem Spannung an eine Spule angelegt wird. Diese Spule wirkt wie ein Elektromagnet, der einen größeren Satz von Kontakten bewegt, wodurch Strom aus der Hochspannungsbatterie fließen kann. Schaltet man die Spule wieder aus, springen die Kontakte auseinander, unterbrechen den Stromkreis und schalten die Batterie ab. Im Grunde ist es wie ein großes Relais.

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Die Notwendigkeit eines solchen Geräts wirft ein Problem auf: Wie schaltet man dieses Schütz ein, um die Hauptantriebsbatterie mit der restlichen Elektronik des Fahrzeugs zu verbinden? Eine einfache Möglichkeit ist die Verwendung einer schönen, zuverlässigen 12-Volt-Batterie. Es gäbe auch ausgefallenere Lösungen, wie z. B. moderne 12-Volt-Li-Ionen-Batterien, die bereits in einigen Fahrzeugen eingesetzt werden. Aber warum sollte man das Rad neu erfinden, wenn sich Blei-Säure-Autobatterien bereits bewährt haben und in der ganzen Welt erhältlich sind? Oder die Batterie, für die matter.

Der andere wichtige Bereich, in dem die 12-Volt-Batterie hilfreich ist, sind alle Zusatzsysteme in einem modernen Auto. Dinge wie Gebläse, elektrische Fensterheber, Scheinwerfer und Infotainmentsysteme werden seit jeher mit 12 Volt betrieben. Sie alle funktionieren so, wie sie sind. Die Entwicklung eines elektrischen Antriebsstrangs ist schon anstrengend genug, daher ist es aus Kosten- und Haltbarkeitsgründen sinnvoll, bestehende, bewährte Designs für Systeme zu verwenden, die weitgehend übernommen werden können.

Elektroautos verwenden große Spannungen für ihre Hauptantriebsbatterien – von 300 bis über 800 Volt. Höhere Spannungen ermöglichen niedrigere Ströme bei einer bestimmten Leistung, und niedrigere Ströme verringern die Widerstandsverluste in den Hauptstromkreisen. Für andere Anwendungen sind hohe Spannungen jedoch unerwünscht, da sie mehr Sorgfalt bei der Isolierung und beim Schutz der Kabel vor Beschädigungen erfordern. Diese hohen Spannungen sind für Menschen und andere Geräte gefährlich, daher müssen solche Kabel nach hohen Standards hergestellt und ordnungsgemäß isoliert werden, um Probleme zu vermeiden.

Außerdem ist es schwierig, hohe Spannungen zu schalten; insbesondere bei Gleichstrom aus Batterien neigen Schalter dazu, beim Umlegen Lichtbögen zu erzeugen und beschädigt zu werden, und Halbleiter, die für höhere Spannungen geeignet sind, kosten naturgemäß mehr. Es gibt vage Pläne, in Zukunft mehr Fahrzeuge auf 24-V- oder 48-V-Systeme umzustellen, aber diese Spannungen sind immer noch viel niedriger und sicherer als moderne Hochspannungsbatterien für den normalen Gebrauch. Im Moment sind jedoch 12-Volt-Zubehörteile die Norm.

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Für weitere Informationen über das Vorhandensein von 12-Volt-Batterien in E-Fahrzeugen haben wir uns an einen Ingenieur eines großen OEM gewandt. Er hat es aufgeschlüsselt und gesagt:

Wenn wir das EV-Thema mal beiseite lassen, werden 12-Volt-Systeme in Fahrzeugen verwendet, um verschiedene Module und Zubehörteile mit Strom zu versorgen, die wir in Autos finden. 12-V-Systeme waren nicht immer die Lösung, wenn wir zurückblicken, waren 6 V die Lösung, viele militärische Anwendungen verwenden 24 V, und 48 V beginnen sich einzuschleichen, aber im Moment ist 12 V am weitesten verbreitet. Unabhängig von der Spannung brauchen wir eine Art von Stromversorgung, um unsere Module zu betreiben, und es gibt eine Menge 12-V-Teile, die herumliegen, und die Automobilindustrie liebt es, Teile wiederzuverwenden.

Ja, man könnte ein Radio haben, das mit 350V versorgt wird, aber das ist teuer, und wie ich bereits erwähnt habe, gibt es eine Menge 12V-Designs, die man einfach einbauen kann.

In einem EV gibt es keine Lichtmaschine, sondern einen DC-DC-Wandler

A power module from a Renault Zoe, containing charging circuitry as well as the DC/DC converter. These go by different names depending on the car and manufacturer. Note the water cooling inlet on the right.

Daher ist eine 12-Volt-Stromquelle für all dieses Zubehör ein Muss. Jeder, der schon einmal eine kaputte Lichtmaschine hatte, weiß jedoch, dass man mit einer normalen Autobatterie nicht lange durchhalten kann. Elektroautos brauchen eine Möglichkeit, ihre 12-Volt-Batterie geladen zu halten und alle Zubehörteile mit Strom zu versorgen, wenn sie in Betrieb sind. EV-Batterien geben Gleichstrom (DC) ab, so dass einfache Wechselstromtransformatoren nicht in Frage kommen, um die Spannung der Hauptbatterie zum Laden der 12-Volt-Batterie herunterzuregeln. Stattdessen fällt diese Aufgabe dem DC/DC-Wandler zu.onverter.

Sie fragen sich vielleicht: Können wir nicht einfach einen DC/DC-Wandler verwenden, um alles zu betreiben und die 12-V-Autobatterie ganz vergessen? Nun, nein. Sie brauchen immer noch die 12-V-Batterie, um das Schütz einzuschalten, das die Hochspannungsbatterie mit dem Rest des Fahrzeugs verbindet. Darüber hinaus sind die Vorschriften auch nicht ganz einfach. Unser technischer Kontakt merkt an:

Man könnte nur einen DC-DC-Wandler einsetzen, der immer eingeschaltet ist, um die verschiedenen Module mit Strom zu versorgen, aber da er immer eingeschaltet ist, würde sich die Hochspannungsbatterie mit der Zeit langsam entladen. Das ist aus Sicht der Speicherung nicht ideal, und dann gibt es noch einige Vorschriften (ECE-R-100 und FMVSS-305), die besagen, dass im Falle eines Unfalls der HV-Bus in einer bestimmten Zeit entladen und die HV-Batterie vom Rest des Fahrzeugs getrennt werden muss. Es gibt also wieder einige Situationen, in denen wir Systeme mit Strom versorgen wollen, während das Fahrzeug “aus” ist, und hier kommt die 12-V-Batterie ins Spiel.

Ich bin ein Elektronikfanatiker, seit ich nur ein paar Meter groß war. Es hat mir gut getan, mir die grundlegenden Konzepte anzueignen, denn moderne Autos sind ebenso sehr auf Elektronik wie auf mechanische Prinzipien angewiesen. Das hat mich auch bei allen beliebt gemacht, die Hilfe bei der Installation eines Autoradios brauchten. Ich möchte Ihnen die Grundlagen der Funktionsweise von DC-DC-Wandlern erläutern, damit Sie besser verstehen, was unter der Motorhaube Ihres gewöhnlichen Elektroautos vor sich geht.

Wie DC/DC-Wandler funktionieren: Es geht um das Schalten

Es gibt eine Vielzahl von DC/DC-Wandlerdesigns, von denen einige in der Lage sind, eine kleine Spannung in eine größere umzuwandeln (Boost-Wandler), eine große Spannung in eine kleinere umzuwandeln (Buck-Wandler) oder beides zu tun (erstaunlicherweise werden sie Buck-Boost-Wandler genannt). Bei Elektrofahrzeugen ist ein Abwärtswandler das richtige Bauteil für diese Aufgabe, da er Hunderte von Volt von der Hauptbatterie auf die nominellen 12-14 Volt heruntertransformiert, die zum Laden der 12-V-Batterie und zum Betrieb von Zubehör benötigt werden.

Einige Hersteller verwenden bidirektionale Abwärtswandler in dieser Anwendung für Nischenanwendungen. Bei der Reduzierung der hohen Spannung der Antriebsbatterie auf 12 Volt für das Zubehörteilsystem ist die Funktionsweise jedoch im Großen und Ganzen identisch mit der eines normalen Abwärtswandlers.

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Image for article titled Why Electric Cars Still Use Ordinary 12-Volt Batteries

Grafik: Jason Torchinsky

Ein Abwärtswandler nimmt eine Gleichstromversorgung am Eingang auf und gibt eine niedrigere Gleichspannung an die Ausgangslast ab. In unserem Fall ist die Gleichstromversorgung die Spannung der Hauptbatterie, die bei mehreren hundert Volt liegt. Unsere Ausgangslast ist unser 12-Volt-Zubehörsystem. Der Abwärtswandler reduziert die Spannung mit Hilfe einer Diode, einer Induktivität, eines Kondensators und eines Transistors, der von einem zusätzlichen Schaltkreis geschaltet wird. Für diejenigen, die damit nicht vertraut sind: Ein Transistor ist ein spezieller elektronischer Schalter, der eingeschaltet werden kann, um den Stromfluss zu ermöglichen, oder ausgeschaltet werden kann, um ihn zu stoppen. In dieser Hinsicht ähnelt er einem Schütz, ist aber elektronisch und nicht elektromechanisch, schaltet viel schneller und funktioniert bei viel niedrigeren Spannungen und Strömen.

Die Diode ist ein Teil, das Strom nur in eine Richtung fließen lässt. Die Induktivität und der Kondensator sind Geräte, die elektrische Energie in Magnetfeldern bzw. elektrischen Feldern speichern. Aus Gründen, die sich am besten mit komplexer Physik erklären lassen, die den Rahmen dieses Artikels bei weitem sprengen würdeWie im Artikel beschrieben, wirken Induktivitäten eher Stromänderungen entgegen, während Kondensatoren Spannungsänderungen entgegenwirken.

Wie funktioniert also der Abwärtswandler? Wenn der Transistor zum ersten Mal eingeschaltet wird, beginnt der Strom von der höheren Gleichspannungsversorgung (in unserem Fall die Batterie) zu fließen. Die positive Spannung liegt an der Kathode der Diode an und verhindert, dass diese leitet, so dass sie zu diesem Zeitpunkt keine Auswirkungen auf den Stromkreis hat. Der Strom aus der Batterie fließt auch in die Drosselspule. Die Induktivität beginnt, einen Teil dieser Energie zu speichern, und der Strom beginnt, durch die Induktivität zur Last und zum Kondensator zu fließen. Da die Drosselspule sofortigen Änderungen des Stromflusses widersteht, lädt sich der Kondensator allmählich und nicht auf einmal auf, so dass die Spannung mit der Zeit steigt. Da der Kondensator parallel zum Ausgang geschaltet ist, steigt die Ausgangsspannung langsam an.

Nach einer bestimmten Zeit wird der Transistor ausgeschaltet, wodurch die Verbindung zur Hochspannungs-Gleichstromversorgung unterbrochen wird. Die Seite der Induktivität, die zuvor positive Ladung von der Batterie erhielt, ist nun leer. Die Induktivität möchte jedoch den Stromfluss aufrechterhalten. Daher wechselt sie von der Speicherung von Energie aus der Batterie zur eigenen Energieversorgung. So entwickelt sie eine negative Ladung an ihrer Eingangsseite und eine positive Ladung an der Ausgangsklemme, damit der Strom weiterhin in dieselbe Richtung fließt. Die negative Ladung an der Eingangsseite ist auch mit der Diode verbunden, so dass sie nun leitet. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, hält die zuvor im Magnetfeld der Spule gespeicherte Energie den Stromfluss aufrecht und verhindert, dass die Spannung einfach auf Null fällt.

Nach einer gewissen Zeit wird der Transistor wieder eingeschaltet, und die Induktivität und der Kondensator laden sich wieder auf. Der Zeitpunkt des Schaltvorgangs – auch als Tastverhältnis bezeichnet – ist entscheidend dafür, wie stark die Ausgangsspannung abgesenkt wird. Dies ist das Verhältnis zwischen der Zeit, in der der Transistor eingeschaltet ist, und der Zeit, in der er ausgeschaltet ist. Wäre der Transistor 100 % der Zeit eingeschaltet, würde die Ausgangsspannung auf die Eingangsspannung ansteigen, sobald der Kondensator vollständig geladen ist, und dort bleiben. Wenn der Transistor die ganze Zeit ausgeschaltet ist, wäre die Ausgangsspannung gleich Null. Die Ausgangsspannung ist in einem perfekten Abwärtswandler direkt proportional zum Tastverhältnis. Somit ist das gewünschte Tastverhältnis gleich der gewünschten Ausgangsspannung geteilt durch die Eingangsspannung. Das bedeutet, dass wir, um 400 V von einer Traktionsbatterie auf 12 V herunterzuregeln, ein Tastverhältnis von 0,03 erhalten. Das bedeutet, dass wir den Transistor 3 Prozent der Zeit einschalten und 97 Prozent der Zeit ausschalten.

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Wenn ein Abwärtswandler mit einem so großen Abwärtsschritt arbeitet, ist die Aus-Periode sehr lang – wie wir in unserem Beispiel gesehen haben. Unter diesen Bedingungen kann der Induktivität die magnetische Energie ausgehen, um den Stromkreis am Laufen zu halten. Wenn dies geschieht, beginnt auch der Kondensator, Energie abzubauen, so dass der Stromfluss aufrechterhalten wird, bis der Transistor wieder eingeschaltet wird. Dies wird als diskontinuierlicher Betrieb bezeichnet , obwohl Abwärtswandler auch problemlos mit gleichmäßigeren Arbeitszyklen arbeiten können.

Die grundlegende Theorie des Abwärtswandlers muss man sich erst einmal zu Gemüte führen, aber die tatsächliche Funktionsweise ist noch viel komplizierter. Es gibt Probleme mit elektromagnetischem Rauschen und thermischen Problemen, und auch der Wirkungsgrad muss beachtet werden. Ingenieure optimieren alle Teile des Betriebs mit Techniken wie dem Schalten des Transistorsoder mit hoher Geschwindigkeit ein- und ausgeschaltet werden – oft im Bereich von zehn oder hundert Kilohertz. Dies hat auch den Vorteil, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung beim Auf- und Abladen des Kondensators und der Spule verringert wird.

Dioden können auch durch Transistoren ersetzt werden, die von einem externen Schaltkreis geschaltet werden, um den Einweg-Ventilbetrieb einer Diode zu imitieren. Dies ist auf den relativ hohen Spannungsabfall von Dioden in der realen Welt zurückzuführen – in der Regel 0,3-0,6 Volt -, der in einer Hochstromanwendung enorme Mengen an Strom verschwenden kann. Transistoren können einen Spannungsabfall von deutlich unter 0,05 Volt aufweisen, wodurch Energie gespart wird und sie zudem kühler laufen.

Es gibt zahlreiche, komplizierte Möglichkeiten, einen Abwärtswandler zu verbessern, und zahlreiche Möglichkeiten, ihn so zu konfigurieren, dass er auch in umgekehrter Richtung läuft, aber das alles würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Das Grundkonzept bleibt jedoch dasselbe: Das Ein- und Ausschalten einer Spannung an einen Energiespeicher mit einem bestimmten Tastverhältnis senkt die Spannung am Ausgang.

The inside of a Renault Zoe DC/DC converter & charge module. Next to Mike’s finger is a large capacitor in orange, and the two vaguely rectangular metal objects in between the two green circuit boards are inductors - almost the size of your fist.

Mike vom YouTube-Kanal mikeselectricstuff hat letztes Jahr eine relativ leistungsschwache Einheit aus einem Renault Zoe zerlegt und dabei festgestellt, dass es sich um ein dicht gepacktes und ungemein kompliziertes Gerät handelt. Er weist auf die offensichtlichen Merkmale hin – die großen Kondensatoren und Induktoren aus dicken Kupferstäben, die zu Spulen gebogen sind. Das Video zeigt auch die Sicherheitsvorkehrungen, die in die Hardware eingebaut sind, wie z. B. die speziellen Hochspannungsstecker mit zusätzlichen Stiften, um zu überprüfen, ob sie richtig angeschlossen sind.

Das sind auch keine billigen Komponenten. Die durchschnittliche Lichtmaschine in einem modernen ICE-Auto kann bis zu 150 Ampere leisten. Da Elektroautos in diesem Bereich einen ähnlichen Strombedarf haben wie ihre ICE-Vorgänger, muss der DC/DC-Wandler in der Lage sein, eine ähnliche Strommenge zu liefern. Das bedeutet, dass viele dicke Leiter erforderlich sind, um den Strom zu übertragen, und dass Hochleistungstransistoren der Schlüssel sind. Dabei handelt es sich oft um schwere IGBT- oder MOSFET-Bauteile, deren nackte Siliziumchips direkt auf speziellen wärmeleitenden Platten montiert sind.

Dies trägt dazu bei, die thermischen Isolierungseffekte von Kunststoffgehäusen auf den einzelnen Komponenten zu reduzieren und verringert auch die Verluste durch lange Komponentenkabel. Der DC/DC-Wandler ist oft in ein einziges Modul mit der Ladehardware integriert, da beide direkt an die Hochspannungsbatterie angeschlossen werden müssen und beide von der Wasserkühlung ihrer heißen Elektronik profitieren.

Renault sourced the DC/DC converter for the early Zoe models from Continental. The yellow rectangles are semiconductors - likely IGBT transistors - for the buck converter. They’re glued directly to a special, thermally conductive circuit board for optimum cooling.The silver bond wires are visible, connecting the silicon to the traces of the board.

Die einfache 12-Volt-Bleisäurebatterie ist daher nach wie vor ein wichtiger Bestandteil fast aller modernen Elektroautos, die in Verbindung mit einem leistungsstarken DC/DC-Wandler und 12-Volt-Zubehör alle üblichen Annehmlichkeiten bieten, die man von einem modernen Auto erwartet. Die Technologie wirdie Entwicklung geht weiter, und es kann sein, dass sich die Normen zu höheren Spannungen oder neuen Batterietypen ändern. Wir werden jedoch auf absehbare Zeit auf Niederspannungs-Subsysteme angewiesen sein, und jetzt wissen Sie, wie sie funktionieren!