Backup-DC/DC-Wandler

Der wachsende Markt für redundante Stromversorgungen 

Mit der zunehmenden Komplexität moderner Fahrzeuge steigen die Anforderungen an ihre Sicherheitssysteme und elektrische Architektur exponentiell. Die zunehmende Verbreitung fortschrittlicher Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und X-by-Wire-Funktionen veranlasst Automobilhersteller dazu, kritische Niederspannungslasten (LV) gemäß Automotive Safety Integrity Level (ASIL) einzubauen. Diese Systeme erfordern eine konsistente und zuverlässige Stromversorgung für verschiedene LV-Hilfsverbraucher, auch im Standby- oder Ruhemodus des Fahrzeugs.

Diese Anforderungen haben die Branche dazu veranlasst, redundante Bordnetze für die wichtigsten Sicherheitssysteme ihrer modernsten Fahrzeuge einzuführen. Diese werden dann zusammen mit den Technologien, die sie benötigen, auch im Rest ihres Portfolios eingesetzt.

Dadurch steht der Markt für redundante Stromversorgungen kurz vor einem erheblichen Wachstum und dürfte in den nächsten fünf Jahren die beeindruckende Marke von 500 Millionen US-Dollar überschreiten.¹

Längerfristige Prognosen deuten darauf hin, dass sich dieses Segment innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu einem Multimilliarden-Dollar-Markt entwickeln könnte, was eine dynamische Verschiebung der Nachfrage der Automobilbranche nach verbesserten Stromversorgungslösungen widerspiegelt.

Erste Konzepte bieten zwar eine vorübergehende Lösung, erfüllen aber nicht die sich entwickelnden und komplexeren Anforderungen an die robusteren elektrischen Systeme zukünftiger Fahrzeuge. Neben der Notwendigkeit einer verbesserten Teillasteffizienz sind die wachsenden Anforderungen an ASIL-konforme Leistungsverfügbarkeit, Packaging und Gewichtsoptimierung für die Entwicklung effektiver technischer Lösungen mit nachhaltiger Wirkung noch wichtiger geworden. Insbesondere die Kosten für Zusatzfunktionen müssen genau überwacht werden; jedes neue Fahrzeugkonzept muss innerhalb akzeptabler Kostenziele bleiben, um Marktfähigkeit und breite Akzeptanz zu gewährleisten.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickelte Flex proaktiv ein neues Konzept: einen HV-Backup-DC/DC-Wandler, der speziell auf die Anforderungen von Systemen mit redundanter Stromversorgung zugeschnitten ist. Dieser innovative Designansatz verbessert nicht nur die Stromverfügbarkeit, sondern nutzt auch signifikante Verbesserungen bei Verpackung und Gewichtsreduzierung – und erreicht eine beeindruckende Reduzierung von über 60% im Vergleich zu bestehenden, hochmodernen Lösungen. Diese Transformationen könnten erhebliche Kosteneinsparungen bringen und so Fahrzeugkonzepten der nächsten Generation zum Erfolg verhelfen.

1. Flex-Analyse basierend auf Daten von S&P Global Mobility, TechInsights und Kundengesprächen

Neue Technologien erweitern die Anforderungen an die Sicherheit im Automobilbereich 

Mit der Weiterentwicklung von softwaredefinierte Fahrzeugtechnologien Im Zuge der Einführung autonomer Fahrzeuge der Stufe 3 und der schrittweisen Einführung von X-by-Wire-Systemen wurden dem Niederspannungs-Bordnetz im Automobilbereich, das diese sicherheitskritischen Systeme versorgt, funktionale Sicherheitsanforderungen nach ASIL-D auferlegt.

Ein Beispiel für ein sicherheitskritisches System ist die Steer-by-Wire-Technik. Das System verfügt über keine mechanische Verbindung zum Lenkrad und damit auch über keine mechanische Sicherung, muss aber auch bei einem Ausfall der Hauptstromversorgung betriebsbereit bleiben und ist daher vollständig auf die elektrische Notstromversorgung angewiesen.

Ein weiteres Beispiel sind autonom fahrende Fahrzeuge. Auch hier muss im Falle eines Stromausfalls die Verfügbarkeit der wichtigsten ADAS-Steuergeräte, die die Verarbeitung wichtiger Sensordaten durchführen, für eine bestimmte Zeitspanne nach dem Ausfall sichergestellt werden, damit der menschliche Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug übernehmen kann.

Moderne Fahrzeuge mit Level 3 erfüllen die ASIL-D-Anforderungen an das Bordnetz durch den Einsatz von zwei unabhängigen, aber identischen Stromversorgungen und zwei unabhängigen Bordnetzen, um die damit verbundenen funktionalen Sicherheitsziele zu erreichen. Diese Art der Redundanz stellt sicher, dass bei einem Stromausfall kritische Fahrzeugfunktionen nicht beeinträchtigt werden und dem Fahrer genügend Zeit bleibt, die Kontrolle über das Fahrzeug zu übernehmen und ein Sicherheitsmanöver durchzuführen. Dies ist eine zuverlässige Strategie, doch frühere Ansätze behandelten die beiden Systeme als nahezu identisch und nicht als zwei maßgeschneiderte Systeme, die unter drastisch unterschiedlichen Betriebsparametern funktionieren.

Redundante LV-Bordnetze für L3 ADAS und Drive-by-Wire

Backup-DC/DC-Wandler
Unsere maßgeschneiderte Lösung

Verbindet das redundante LV-Bordnetz mit dem HV-Bordnetz über einen HV-Backup-DC/DC-Wandler

12V/12V DC/DC-Wandler + 2. Batterie
Die beste verfügbare Lösung heute

Verbindet das redundante LV-Bordnetz mit dem primären LV-Bordnetz über einen 12V/12V DC/DC-Wandler

Der heute führende Ansatz: Backup-Blei-Säure-Batterie + 12V/12V DC/DC-Wandler

Einige Level-3-Fahrzeuge auf dem Markt begegnen der ASIL-D-Herausforderung mit einer Backup-Blei-Säure-Batterie, die über einen 12-V/12-V-Abwärts-/Aufwärtswandler an ein sekundäres oder Backup-Bordnetz angeschlossen ist. Der Abwärts-/Aufwärtswandler erfüllt zwei wichtige Funktionen: Erstens liefert er unabhängig von der Spannung der Backup-Batterie eine stabile Ausgangsspannung und stellt so sicher, dass die sicherheitskritischen Verbraucher eine Nennspannung erhalten. Zweitens stellt er sicher, dass die Backup-Blei-Säure-Batterie ausreichend geladen ist und über genügend gespeicherte Energie (einschließlich einer Sicherheitsreserve) verfügt, um im Falle eines Ausfalls des primären Bordnetzes die Anforderungen des Einsatzprofils zu erfüllen.

Ein zusätzlicher Stromverteilungsschalter steuert bei Bedarf den Stromfluss vom primären zum sekundären Bordnetz und umgekehrt. Der Schalter selbst muss ebenfalls gemäß den Anforderungen der funktionalen Sicherheit nach ASIL-D ausgelegt sein.

Diese Lösung nutzt zwar bewährte Technologie, weist aber einige der Blei-Säure-Batterien innewohnende Nachteile auf. Blei-Säure-Batterien haben aufgrund ihrer geringen Anzahl an Entladezyklen eine bekanntermaßen kurze Lebensdauer (ca. 3–5 Jahre). Diese kurze Lebensdauer ist nicht ideal für sicherheitskritische Systeme, bei denen eine unterbrechungsfreie Stromversorgung unerlässlich ist. Infolgedessen muss der Fahrzeughalter die Backup-Blei-Säure-Batterie während der erwarteten 15-jährigen Betriebsdauer des Fahrzeugs möglicherweise drei- bis fünfmal austauschen, was die Gesamtbetriebskosten der Lösung erhöht. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist die geringe Leistungsdichte, die sowohl auf die Größe als auch auf das Gewicht der Blei-Säure-Batterie zurückzuführen ist.

Eine maßgeschneiderte Lösung: HV/LV-Backup-DC/DC-Wandler

Eine alternative Lösung, die in der Automobilbranche zunehmend an Bedeutung gewinnt, um die funktionalen Sicherheitsanforderungen von Niedervolt-Bordnetzen zu erfüllen – insbesondere bei PHEVs und BEVs, bei denen ein zusätzlicher Energiespeicher auf der HV-Seite bereits vorhanden ist – ist die Verwendung eines Hochvolt-Niedervolt-Backup-DC/DC-Wandlers, der direkt an den Hauptakkumulator angeschlossen ist. Diese Konfiguration verfügt zusätzlich über ein sekundäres Backup-Bordnetz mit eigenem Stromverteilungsnetz und Leistungsschaltern.

Diese Lösung überwindet die Einschränkungen des zuvor diskutierten Ansatzes und bietet gleichzeitig mehrere entscheidende Vorteile. Ihr größter Vorteil ist die verlängerte Betriebslebensdauer von bis zu 15 Jahren im Vergleich zur 3–5-jährigen Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien. Dadurch eignet sie sich hervorragend für sicherheitskritische Systeme, die langfristige Zuverlässigkeit erfordern. Darüber hinaus ist ihre Leistung im Allgemeinen unabhängig von Umgebungstemperatur und Ladezustand – Faktoren, die bei batteriebasierten Lösungen oft eine Herausforderung darstellen.

Effektives Wärmemanagement bei Spitzenlast

Die höhere Leistungsdichte des Backup-DC/DC-Wandlers führt zu einer kompakten Größe und einem geringen Gewicht und bietet OEMs mehr Flexibilität bei der Entscheidung, wo das Modul im Fahrzeug platziert werden soll.

Abhängig von den Anforderungen an die Stromanstiegsgeschwindigkeit der angegebenen Lastprofile kann ein kleinerer Backup-Superkondensator oder ein Batteriemodul erforderlich sein, um steile Stromspitzen zu bewältigen und die Spannung innerhalb der vorgegebenen Grenzen zu halten. So wird eine Unterspannung im Bordnetz im Fehlerfall vermieden. Da das Backup-Energiespeichermodul nur kurze Stromstöße bereitstellen muss, um die großen, aber kurzen Lastspitzen zu bewältigen, muss es keine nennenswerten Energiemengen speichern. Dies macht es kompakter und kostengünstiger als die erste Lösung.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist der Normalbetrieb eines Geräts wie eines Backup-DC/DC-Wandlers. Typischerweise erfordern die Einsatz- oder Lastprofile eine kontinuierliche Ausgangsleistung im Bereich von 300 W bis 500 W, wobei Spitzenstromimpulse von bis zu 100 A mehrere Sekunden andauern. Ein Backup-Board-Netz funktioniert jedoch unter diesen Profilen selten und verbringt den Großteil seiner Lebensdauer in einer Umgebung mit sehr geringer Leistung und geringer Last. Daher muss die Verbesserung der Effizienz bei geringer Last ein zentrales Kriterium für einen Backup-DC/DC-Wandler sein; er muss in kritischen, lebensrettenden Momenten effektiv sein und gleichzeitig zwischen diesen Momenten so effizient wie möglich bleiben.

Greifbare Vorteile, die über den Marktstandard hinausgehen 

Der Backup-DC/DC-Wandler von Flex wurde erfolgreich in einer BEV-Plattform der nächsten Generation für einen großen globalen Automobilhersteller mit den folgenden Gerätespezifikationen implementiert: 

• Unterstützung für 400-V- und 800-V-Plattformen 
• >300 W Dauerleistung, >1 kW/L (Spitzen-)Leistungsdichte 
• Spitzeneffizienz ~94% 
• Standby-Leistungsverluste von 2W 
• Luftgekühlte Lösung 
• Betriebsdauer von 15 Jahren 

Der Backup-DC/DC-Wandler des Flex ist auf hohe Effizienz, hohe Leistungsdichte und Zuverlässigkeit ausgelegt. Er verwendet eine Shifted-Phase-Bridge-Topologie mit Nullspannungsschaltung und dynamischer Schaltfrequenz. Dadurch kann sich der Wandler an unterschiedliche Lasten anpassen, wodurch Schaltverluste minimiert und der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von SiC-MOSFETs auf der Hochspannungsstufe werden sowohl Leitungs- als auch Schaltverluste weiter reduziert. 

Aufgrund seiner hohen Effizienz und des Burst-Missionsprofils wird der Backup-DC/DC-Wandler des Flex passiv luftgekühlt, wodurch kein Flüssigkeitskühlsystem erforderlich ist und die Systemkosten sowie die Designkomplexität weiter reduziert werden. 

Die erste Generation dieser fortschrittlichen Designs soll 2026 in Produktion gehen und weckt in der Branche große Erwartungen. Darüber hinaus zielen die Pläne für nachfolgende Generationen, deren Produktion voraussichtlich ab 2028 beginnt, auf eine weitere Reduzierung der Leistungsdichte und der Kosten ab. Diese Entwicklungen läuten eine neue Ära redundanter Stromversorgungslösungen ein und ermöglichen es Automobilherstellern, strenge Sicherheitsvorschriften einzuhalten und gleichzeitig die Effizienz und Leistung zu gewährleisten, die moderne Verbraucher erwarten.

Gen2 in Entwicklung mit erheblichen Verbesserungen 

2x

höhere Leistungsdichte

50%

kleineres Volumen

20%

reduzierte Stückliste

NEU

Flüssigkeitskühlungsoption

NEU

IP6k9k-Wasserdichtigkeit