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Forum: Fahrzeugelektronik Schaltungen um den Einschaltstrom zu begrenzen?


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Autor: Roman R. (no0b4tw0rk)
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Hallo zusammen,
ich habe ein Anliegen welches zu Mikrocontroller nicht mehr wirklich 
passt, aber ich habe mit diesem Forum einfach die beste Erfahrung 
gemacht.

Es geht um einen Speicher mit ca. 450V. Dieser wird vom restlichen 
System mittels zwei Schütze (+ und -) abgeschaltet. Das Problem dabei, 
beim Einschalten entsteht eine sehr hohe Stromspitze aufgrund der 
Kapazitäten im restlichen System. Um dies Vorzubeugen wird aktuell ein 
Vorwiderstand benutzt um den Strom zu begrenzen.

Jetzt habe ich mich daran versucht eine Alternative zu finden wie man 
mittels Leistungselektronik den Vorwiderstand ersetzen kann.

Das erste was mir einfiel war eine PWM Steuerung um das System 
vorzuladen. Das Problem ist nur, die Induktivität im Akku induziert bei 
jedem Abschalten des IGBTs eine Spannungsspitze. Diese würde dann für 
eine Zerstörung der Leistungselektronik führen.

Die Frage ist nun ob und wie kann man eine Schaltung aufbauen, dass man 
mittels PWM das Vorladen umsetzen kann? Oder alternativ dazu 
irgendwelche Ideen wie man das sonst lösen könnte?

Ich bedanke mich schonmal =)

Beste Grüße
Roman

Autor: Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Es gibt zwei Möglichkeiten:

1. "PWM-Betrieb" mit zusätzlicher Längsdrossel und Diode gegen Masse. 
Das ganze ist auch unter dem Namen Tiefsetzsteller oder Buck Converter 
bekannt, jedoch eben ohne Regelung.

2. Ladewiderstand, der mittels MOSFET überbrückt werden kann. Aus 
praktischen Gründen bietet es sich an, diesen Widerstand in das 
Masseleitung zu legen.

Autor: Sebastian S. (amateur)
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Millionenfach werden zwei einfache Lösungen angewandt:
1. Ein NTC in Reihe zum Verbraucher
2. Ein Widerstand, der mittels Relais, nach kurzer Zeit, überbrückt 
wird.

Mit ein bisschen gutem Wilhelm hättest Du das sowohl hier im Forum als 
auch beim Gurgeln finden können.
Auf Auswärts läuft das unter: Inrush

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Andreas S. schrieb:
> 2. Ladewiderstand, der mittels MOSFET überbrückt werden kann. Aus
> praktischen Gründen bietet es sich an, diesen Widerstand in das
> Masseleitung zu legen.

Bei 450V und falls auch entsprechend Strom fliesst könnte man auch ein 
Schütz dafür nehmen.
Zumal der TO schon Schütze hat.

Autor: Roman R. (no0b4tw0rk)
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Andreas S. schrieb:
> Es gibt zwei Möglichkeiten:
>
> 1. "PWM-Betrieb" mit zusätzlicher Längsdrossel und Diode gegen Masse.
> Das ganze ist auch unter dem Namen Tiefsetzsteller oder Buck Converter
> bekannt, jedoch eben ohne Regelung.

An den Buck Converter habe ich nicht gedacht. Werde ich mir gleich mal 
in LTSpice angucken =)


Sebastian S. schrieb:
> Millionenfach werden zwei einfache Lösungen angewandt:
> 1. Ein NTC in Reihe zum Verbraucher
> 2. Ein Widerstand, der mittels Relais, nach kurzer Zeit, überbrückt
> wird.
>
> Mit ein bisschen gutem Wilhelm hättest Du das sowohl hier im Forum als
> auch beim Gurgeln finden können.
> Auf Auswärts läuft das unter: Inrush

Ja Millionenfach eingesetzt und leider beide nicht passend.
Ein NTC in Reihe würde hohe Verlustleistung mit sich bringen. Die Rede 
ist von 450V mit bis zu 1,2kA unter Last. Die Verluste wäre ziemlich 
hoch und zusätzlich würde die Wärme eine weitere Sorge bereiten.

Und die Option 2, wie eingangs erwähnt wird aktuell auch eingesetzt. 
Eine Vorladung über den Widerstand und danach wird das Schütz 
geschlossen.

Es geht eben darum, dafür eine Alternative zu finden, daher kam auch die 
Idee mit PWM...

: Bearbeitet durch User
Autor: Forist (Gast)
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Roman R. schrieb:
> Ein NTC in Reihe würde hohe Verlustleistung mit sich bringen. Die Rede
> ist von 450V mit bis zu 1,2kA unter Last.

Das ist der Preis für die Salamitaktik. Die ersten Vorschläge gehen oft 
ins Leere.

Autor: soso... (Gast)
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Roman R. schrieb:
> Ja Millionenfach eingesetzt und leider beide nicht passend.
> Ein NTC in Reihe würde hohe Verlustleistung mit sich bringen. Die Rede
> ist von 450V mit bis zu 1,2kA unter Last. Die Verluste wäre ziemlich
> hoch und zusätzlich würde die Wärme eine weitere Sorge bereiten.

Du kanns den NTC nach dem Hochlauf überbrücken, dann fließt auch kein 
Strom mehr durch.
In dem Anwendungsfall nimmt man im Normalfall aber eigentlich eher PTC, 
welche es speziell für diese Anwendungen gibt:
https://www.vishay.com/doc?29165

Der Vorteil gegenüber NTC ist, dass im Fehlerfall die Dinger eigensicher 
sind. Die NTC nicht. Den PTC MUSS man dann aber zwingend brücken.

Habe das schon in großen Wecheselrichtern genau so gesehen. Ein PTC 
hängt zwischen Zwischenkreis und WEchselrichter, ab einer bestimmten 
Spannung im Zwischenkreis wird er überbrückt.

Autor: Andrew T. (marsufant)
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Da der Beitrag in der FZ-Rubrik plaziert ist, geht es wohl um ein 
Bordnetzproblem. HEV-Fahrzeug?

Das Thema wird im Web unter dem Stichwort "coldboot path" gehandelt, und 
in Deinem Fall ist es eine gute Lösung die Schütze durch FET zu 
ersetzen: ein paar leistungsfähige Widerstände damit zu schalten und so 
das ganze verschleißfrei zu halten. Die letzte FET Gruppe überbrückt 
dann die Widerstände.

1200A sind schon sportlich, versuche mal eine Simulation (z.B. LTSpice) 
zu machen wie weit Du diese Werte durch sinnvoll gewählte Widerstände 
reduzieren kannst.
Sonst wird es nämlich bei den FET sehr teuer, insbesondere falls Du (wie 
die meisten OEM) bidirectionale Strukturen aufbauen mußt (back to back 
FET, ggfs. ASIL konforme Auslegung).

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Roman R. schrieb:
> 450V mit bis zu 1,2kA

540 kW.

Das ist mehr als sportlich!

Soll das Forum hier einen neuen E-Ferrari entwickeln helfen, oder ist 
das tatsächlich ein Hobby Projekt?

: Bearbeitet durch User
Autor: Roman R. (no0b4tw0rk)
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Forist schrieb:
> Roman R. schrieb:
>> Ein NTC in Reihe würde hohe Verlustleistung mit sich bringen. Die Rede
>> ist von 450V mit bis zu 1,2kA unter Last.
>
> Das ist der Preis für die Salamitaktik. Die ersten Vorschläge gehen oft
> ins Leere.

Was ist den eine Salamitaktik? o.O


Andrew T. schrieb:
> Da der Beitrag in der FZ-Rubrik plaziert ist, geht es wohl um ein
> Bordnetzproblem. HEV-Fahrzeug?
>
> Das Thema wird im Web unter dem Stichwort "coldboot path" gehandelt, und
> in Deinem Fall ist es eine gute Lösung die Schütze durch FET zu
> ersetzen: ein paar leistungsfähige Widerstände damit zu schalten und so
> das ganze verschleißfrei zu halten. Die letzte FET Gruppe überbrückt
> dann die Widerstände.
>
> 1200A sind schon sportlich, versuche mal eine Simulation (z.B. LTSpice)
> zu machen wie weit Du diese Werte durch sinnvoll gewählte Widerstände
> reduzieren kannst.
> Sonst wird es nämlich bei den FET sehr teuer, insbesondere falls Du (wie
> die meisten OEM) bidirectionale Strukturen aufbauen mußt (back to back
> FET, ggfs. ASIL konforme Auslegung).

Das ist richtig. Es geht in Richtung der Mobilität. Ob es für ein HEV, 
PHEV,BEV oder EBike sein wird weiß niemand. Hängt davon ab ob in der 
Abschlussarbeit was taugliches dabei raus kommt oder nicht :D
Und skalieren kann man dann letztendlich auf jede Leistung wenn die Idee 
erstmal funktioniert.

Danke für den Tipp, da werde ich mal nach dem Stichwort im IEEE Xplore 
suchen.

1200A ist worst case und Vorgabe vom Prof (Sowohl 450V als auch die 
1200A sind worst case). Normaler Betrieb ist dann etwa Hälfte des 
Stromes.
Das es sehr teuer wird ist sehr schnell bewusst geworden. Aktuell ist es 
auch wirtschatlich vermutlich gar nicht machbar. Für meine 
Abschlussarbeit zählt aber "Proof of concept" mit einer 
Kostenaufstellung auch wenn diese dann negativ ausfällt. Vielleicht ja 
eines Tages bei sinkenden Preisen.
Mit bidirektionalem Aufbau und ASIL Konformität muss ich mich danach 
auch beschäftigen..

: Bearbeitet durch User
Autor: Roman R. (no0b4tw0rk)
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Udo S. schrieb:
> Roman R. schrieb:
>> 450V mit bis zu 1,2kA
>
> 540 kW.
>
> Das ist mehr als sportlich!
>
> Soll das Forum hier einen neuen E-Ferrari entwickeln helfen, oder ist
> das tatsächlich ein Hobby Projekt?

Das sind worst case Bedingungen.

Es geht leider um keinen E-Ferrari sondern um eine Abschlussarbeit bei 
der ich ned wirklich weiter komme...

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Roman R. schrieb:
> Was ist den eine Salamitaktik?

Passiert sehr oft hier. Es werden nur die Hälfte oder weniger der 
notwendigen Infos angegeben, so daß man nicht gut helfen kann.

Hier in deinem Fall hat der max. Strom gefehlt, und die 
Häufigkeit/Geschwindigkeit  des Ein und Ausschaltens.

Danke für die weiteren Infos (ich war halt neugierig :-)) und viel 
Erfolg mit der Arbeit.

Autor: Sebastian S. (amateur)
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@Roman R.
Sorry, die Sache mit dem halben Megawatt muss ich irgendwie übersehen 
haben.

>Ja Millionenfach eingesetzt und leider beide nicht passend.
>Ein NTC in Reihe würde hohe Verlustleistung mit sich bringen. Die Rede
>ist von 450V mit bis zu 1,2kA unter Last. Die Verluste wäre ziemlich
>hoch und zusätzlich würde die Wärme eine weitere Sorge bereiten.
Komisch, dass die NTCs doch millionenfach eingesetzt werden.
Schau' Dir doch mal die Kennlinie eines solchen Bauteiles an! So 
schlecht sind die nämlich nicht.

Eine PWM im (halben) Megawattbereich ist mit Sicherheit aufwändiger als 
ein Widerstand plus ein Schütz mit Zeitverzögerung.

Autor: MaWin (Gast)
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Roman R. schrieb:
> Die Frage ist nun ob und wie kann man eine Schaltung aufbauen

Man kann, aber nicht bei deinen unzureichenden Infos, denn eine GENERELL 
einsetzbare Lösung ist unnötig teuer.

Man braucht Einschränkungen und bei

Roman R. schrieb:
> Die Rede ist von 450V mit bis zu 1,2kA unter Last.

Leider Nein, die Rede war zunächst nur von 450V, die Last etwähnst du 
erst jetzt. Aber wenn man beim Einschalten dafür sorgt, dass die Last 
noch ausgeschaltet ist und es nur um die leeren Kondensatoren geht die 
aufgeladen werden müssen, dsnn sieht so eine Lösung schon erheblich 
einfacher kleiner und billiger aus.

Da wäre dann nur interessant, welche Kapazität alle zusammen haben und 
wie viele Millisekunden es dauern darf.

Es gibt prinzipiell 2 Lösungen: Vorwiderstand, egal wie gross, egal ob 
NTC oder PTC, es geht genau die Hälfte verloren. Oder step down 
Schaltregler stromgeregelt, ist fast 100% effektiv produziert aber EMV 
Störungen. Und ja  die kann man bauen ohne sich an der 
Zuleitungsinduktivität zu stören, wenn man Elektroikdesign überhaupt 
grundlegend beherrscht.

Welche Lösung in dsinem Umfeld vorhuziehen wäre, wissen wir nicht, 
mangels Rahmeninfos wie einzuhaltender EMV Grenzwerten.

Autor: Michael_Ohl (Gast)
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Unkonventionell aber recht brauchbar sind Halogenlampen als 
Einschaltstrombegrenzer. Durch den extrem geringen Kaltwiderstand steigt 
bei fallendem Ladezustand der Strom nicht zu steil. Ab einer bestimmten 
Spannung dann Schütz oder Halbleiter wie Thyristor oder Triac. Aber die 
Eckwerte sehen  nach 40to LKW aus und nicht nach Auto.

mfG
Michael

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