Zwischenkreiskondensator (DC-Link) entladen

Welche Vorgaben gibt es für ein ordnungsgemäßes Entladen?

Laut Vorschrift müssen der Zwischenkreiskondensator und andere Kapazitäten nach dem Ausschalten der Zündung innerhalb von 5 Sekunden unter 60 V entladen werden.

Nach dem Abstellen wird die Fahrzeugbatterie vom Zwischenkreis getrennt. Ist der Trennvorgang abgeschlossen, sind die Kapazitäten im Zwischenkreis noch geladen. Diese Energie muss innerhalb von 5 Sekunden unter 60 V abgebaut sein. DIScharge Widerstände von Miba sorgen genau dafür, dass der Zwischenkreis sicher und schnell entladen wird.

Diese 5-Sekunden-Regel betrifft alle elektrisch betriebenen Fahrzeuge, die auf öffentlichen Straßen betrieben werden dürfen wie HEV, PEV, BEV und FEV. Da die Elektrifizierung von Baumaschinen, landwirtschaftlichen Zugfahrzeugen und Sondermaschinen immer weiter voranschreitet, wird das Entladen des Zwischenkreiskondensators auch hier ein wichtiges Thema werden.

Welche Möglichkeiten gibt es, um einen Zwischenkreiskondensator zu entladen?

Single Puls: Einfach, aber große Widerstände notwendig

Bei einer Entladung des Zwischenkreiskondensators mittels Single Puls wird die komplette Energie unproportional an den Widerstand angelegt. Das führt dazu, dass der Widerstand speziell in der Anfangsphase eine hohe Energie verarbeiten muss und daher extrem heiß wird. Im Gegenzug wird die umgesetzte Energie zum Ende der Entladung gering.

Damit der Widerstand dieser enormen Hitze am Anfang standhält, muss er über eine hohe Wärmekapazität verfügen. Dafür muss er entsprechend groß gebaut werden. Nur so kann er die Wärme aufnehmen und gegebenenfalls an den Kühlkörper abgeben.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass es keiner komplexen Ansteuerelektronik bedarf, um die Entladung des Zwischenkreiskondensators zu aktivieren. Der Aufwand auf Seite des Kunden ist somit gering und vermeintlich günstig.

Der Nachteil ist allerdings der bereits erwähnte ungeregelte Entladeverlauf, der durch die hohe Energieumwandlung in der Anfangsphase ein unnötig großes Gehäuse und große Kühlfläche benötigt. Umso größer das Gehäuse und die Kühlfläche des Widerstandes sind, umso höher sind auch die Kosten.

Leistungskonstante: Intelligente Ansteuerung nötig, aber kleine, günstigere Widerstände ausreichend

Beim Entladen des Zwischenkreiskondensators (DC-Link) mittels Leistungskonstante wird eine intelligente Ansteuerung benötigt, die dem Widerstand mehrere leistungskonstante Pulse in hoher Frequenz anlegt.

Dadurch wird die Entladeenergie über den gesamten Entladevorgang des Zwischenkreiskondensators gleichmäßig verteilt. Durch die geringere Entladeenergie zu Beginn kann der Widerstand dementsprechend kleiner und leichter gebaut werden.  

Im Vergleich zur Single Puls Entladung arbeitet die Methode der leistungskonstanten Entladung mit weniger Energie zu Beginn, aber mit höherer Energie am Ende des Entladevorgangs. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Energie und Wärmeumwandlung über den gesamten Zwischenkreis-Entladevorgang.

Der Nachteil dieser Methode ist allerdings, dass eine leistungskonstante Ansteuerung des Widerstandes notwendig ist. Die Integration dieser Ansteuerung kann mit wenigen Bauteilen kostengünstig durchgeführt werden. In den meisten Fällen ist die Integration mittels vorhandener IC’s ohnehin nur ein sehr geringer Aufwand.

Die zahlreichen Vorteile, allen voran die Kostenersparnis, überwiegen den Aufwand:

• Die Lebensdauer des Widerstands ist länger.
• Der benötigte Widerstand kann wesentlich kleiner und leichter gebaut werden.
• Durch das gleichmäßige Entladen des Zwischenkreiskondensators wird die Lebensdauer verlängert.
• Eine gleichmäßige Wärmeabgabe zum Kühlkörper ist im Worst Case Fall einfacher handzuhaben.
• Eine Überwachung der Temperatur kann in das Bauteil integriert werden.
• Die Bauteilkosten einer leistungskonstanten Entladung des Zwischenkreiskondensators inklusive Ansteuerung sind günstiger als der notwendige große Widerstand bei einer Single Puls Entladung.

Single Pulse vs. Leistungskonstante: Wie lässt sich der Zwischenkreiskondensator günstiger entladen?

Kleinere Widerstände können in der Regel günstiger produziert werden als Größere. Die Kosten der Ansteuerelektronik sind vernachlässigbar bzw. kosten sie nur wenige Euro. In Summe sind die Kosten für den kleineren Widerstand plus Ansteuerelektronik etwa 40 % günstiger als der benötigte große Widerstand bei der Single Puls Entladung.

Die kleinere Bauweise des Widerstandes ermöglicht neue Gehäuseformen und Montagemöglichkeiten wie zum Beispiel die direkte Integration an der Platine.