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Eaton Battery Configuration Switch (BCS): Vereinfachte 400-V- und 800-V-Ladelösungen für Elektrofahrzeuge

Eaton Battery Configuration Switch (BCS): Neue Möglichkeiten für das Spannungsmanagement von Elektrofahrzeugen

Die Elektromobilität entwickelt sich rasant weiter. Immer mehr Automobilhersteller setzen auf 800-V-Batteriearchitekturen, um kürzere Ladezeiten, eine höhere Effizienz und eine verbesserte Fahrzeugperformance zu ermöglichen. Der Wechsel von 400 V auf 800 V bringt jedoch eine Herausforderung mit sich: Ein großer Teil der öffentlichen DC-Schnellladeinfrastruktur wurde ursprünglich für Elektrofahrzeuge mit 400-V-Batteriesystemen ausgelegt.

Der Eaton Battery Configuration Switch (BCS) bietet eine innovative Lösung für diese Herausforderung. Die in Kooperation mit Munich Electrification entwickelte Schaltvorrichtung ermöglicht es, die elektrische Konfiguration einer Fahrzeugbatterie zwischen 400 V und 800 V umzuschalten. Dadurch können Automobilhersteller die Ladeflexibilität verbessern und gleichzeitig die Komplexität des Hochvoltsystems reduzieren.

Der BCS wurde für Pkw, leichte Nutzfahrzeuge und Utility Terrain Vehicles (UTVs) entwickelt. Er kombiniert eine flexible Spannungsumschaltung mit einem sicherheitsorientierten Schaltkonzept und einem energieeffizienten, bistabilen Funktionsprinzip.

Warum ist die Spannungskompatibilität beim Laden von Elektrofahrzeugen wichtig?

800-V-Batteriesysteme gewinnen in der Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Bei gleicher elektrischer Leistung kann eine höhere Spannung den benötigten Strom reduzieren. Dadurch lassen sich unter geeigneten Bedingungen elektrische Verluste verringern und bestimmte Komponenten des Hochvoltsystems kompakter auslegen.

Allerdings unterstützen nicht alle öffentlichen Ladestationen den gesamten Spannungsbereich, den eine 800-V-Fahrzeugbatterie benötigt.

Viele bestehende DC-Schnellladestationen wurden primär für 400-V-Fahrzeuge konzipiert. Abhängig vom verfügbaren Ausgangsspannungsbereich kann ein 800-V-Fahrzeug an solchen Ladestationen möglicherweise nicht mit der vorgesehenen Leistung laden. Eine zusätzliche Spannungswandlung, beispielsweise mithilfe eines Aufwärtswandlers oder eines Buck-Boost-Konverters, kann erforderlich sein.

Solche zusätzlichen Komponenten erhöhen jedoch den Integrationsaufwand, beanspruchen Bauraum und können die Systemkosten steigern.

Für Automobilhersteller stellt sich deshalb eine zentrale Frage: Wie lassen sich die Vorteile einer 800-V-Batteriearchitektur nutzen, ohne die Kompatibilität mit der vorhandenen Ladeinfrastruktur unnötig einzuschränken?

Der Eaton Battery Configuration Switch ermöglicht eine flexible Anpassung der Batteriespannung durch die Umschaltung zwischen einer Reihen- und einer Parallelschaltung geeigneter Batterieabschnitte.

Was ist der Eaton Battery Configuration Switch (BCS)?

Der Eaton Battery Configuration Switch ist eine bistabile Schaltvorrichtung, die in das Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs integriert wird. Er ermöglicht die Umschaltung zwischen unterschiedlichen elektrischen Batteriekonfigurationen und unterstützt damit 400-V- und 800-V-Betriebszustände.

Bei einer Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Batterieabschnitte. Dadurch entsteht die höhere Spannung für den 800-V-Betrieb.

Bei einer Parallelschaltung werden die Batterieabschnitte parallel verbunden, wodurch eine niedrigere Gesamtspannung bereitgestellt werden kann, die für geeignete 400-V-Ladeanwendungen ausgelegt ist.

Die Umschaltung erlaubt es, die Batteriespannung an die Anforderungen der jeweiligen Ladeinfrastruktur anzupassen, ohne dass in jeder Fahrzeugarchitektur ein separater Spannungswandler benötigt wird.

Der gemeinsam mit Munich Electrification entwickelte BCS unterstützt Automobilhersteller dabei, die Batterie-Trenneinheit (Battery Disconnect Unit, BDU) zu vereinfachen, den Bauraum effizienter zu nutzen und den Energieverbrauch des Hochvoltsystems zu optimieren.

Dank seines bistabilen Funktionsprinzips benötigt der BCS keinen kontinuierlichen Spulenstrom, um eine stabile Schaltposition zu halten. Dadurch werden parasitäre Energieverluste reduziert. Zudem kann die gewählte Position auch bei einem Ausfall der Niedervoltversorgung KL30C stabil bleiben.

Die wichtigsten Vorteile des Eaton Battery Configuration Switch

1. Vereinfachtes Design des Batteriesystems

Moderne Elektrofahrzeuge verfügen über zahlreiche Hochvoltkomponenten, darunter Schütze, Schaltvorrichtungen und Batterie-Trenneinheiten. Mit zunehmender Komplexität der Batteriearchitektur steigen häufig auch der Entwicklungsaufwand, die Anforderungen an den Bauraum und die Komplexität der Montage.

Der Eaton BCS kann die Anzahl der Komponenten innerhalb einer Batterie-Trenneinheit um bis zu zwölf Komponenten reduzieren – abhängig von der jeweiligen Systemauslegung.

Durch die Integration der Spannungsumschaltung in eine einzelne Vorrichtung lässt sich das Batteriesystem vereinfachen. Gleichzeitig können die Anzahl der Einzelkomponenten sowie der Aufwand für Integration und Montage sinken.

Darüber hinaus kann der BCS bei der Spannungsumschaltung drei einpolige Schütze ersetzen.

Der Vorteil für OEMs: Weniger Einzelkomponenten ermöglichen ein vereinfachtes Systemdesign und können die Integration des Hochvoltsystems effizienter gestalten.

2. Verbesserte Kompatibilität mit 400-V- und 800-V-DC-Schnellladestationen

Die Ladefähigkeit ist ein entscheidender Faktor bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen mit 800-V-Batteriesystemen.

Während 800-V-Ladestationen auf hohe Ladeleistungen bei vergleichsweise niedrigen Strömen ausgelegt sein können, arbeiten viele bestehende DC-Schnellladestationen innerhalb von Spannungsbereichen, die für 400-V-Fahrzeuge vorgesehen sind.

Der Eaton BCS ermöglicht es, die Batterie bei Bedarf in eine geeignete Konfiguration mit niedrigerer Spannung umzuschalten. Dadurch kann das Elektrofahrzeug kompatible 400-V-DC-Schnellladeinfrastruktur nutzen.

Je nach Fahrzeugarchitektur kann dadurch auf einen separaten Buck-Boost-Konverter verzichtet werden. Das kann die Anzahl der Komponenten, den Integrationsaufwand und zusätzliche Wandlungsverluste reduzieren.

So entsteht mehr Flexibilität beim Laden, ohne dass das Hochvoltsystem unnötig komplexer wird.

3. Optimierte Ladeperformance

Die Möglichkeit zur dynamischen Anpassung der Batteriespannung kann dazu beitragen, die vorhandene Ladeinfrastruktur besser zu nutzen.

Wird das Fahrzeug an einer kompatiblen 400-V-DC-Schnellladestation angeschlossen, kann der BCS die Batterie in eine geeignete Konfiguration umschalten. Dadurch kann die Batterie hohe Ladeströme aufnehmen, ohne dass zwingend ein zusätzlicher Spannungswandler erforderlich ist.

Eaton gibt für den BCS einen Dauerstrom von bis zu 500 A ohne zusätzliche Kühlung an.

Diese Leistungsfähigkeit bietet OEMs zusätzliche Flexibilität bei der Auslegung ihrer Batteriesysteme.

Die tatsächlich erreichbare Ladeleistung hängt weiterhin von verschiedenen Faktoren ab, darunter:

• Ausgangsspannung und maximale Leistung der Ladestation

• Ladezustand und Temperatur der Batterie

• Strom- und Spannungsgrenzen des Batteriemanagementsystems

• Thermische Auslegung des Fahrzeugs

• Elektrische Architektur des Gesamtsystems

Der BCS unterstützt somit die Optimierung der Ladeperformance, ersetzt jedoch nicht die erforderliche Abstimmung aller beteiligten Systemkomponenten.

4. Erhöhte Sicherheit durch mechanische Verriegelung

Sicherheit ist ein zentrales Kriterium bei der Entwicklung von Hochvoltbatterien. Insbesondere bei der Umschaltung zwischen unterschiedlichen Batteriekonfigurationen muss verhindert werden, dass unbeabsichtigte elektrische Verbindungen entstehen, die einen Kurzschluss verursachen könnten.

Der Eaton BCS nutzt eine rotatorische Schaltbewegung mit einer mechanischen Verriegelung. Dieser Mechanismus trägt dazu bei, einen unbeabsichtigten Kurzschluss während der Spannungsumschaltung zu verhindern.

Die Integration dieser Funktion in eine dedizierte Schaltvorrichtung unterstützt ein kompaktes und sicherheitsorientiertes Systemdesign.

Darüber hinaus verfügt der BCS über eine Trennstellung, die im Rahmen des Abschaltkonzepts des Fahrzeugs für zusätzliche Sicherheit genutzt werden kann.

Die vollständige Sicherheitsstrategie muss weiterhin auf das Batteriemanagementsystem, die Steuerungslogik, die elektrische Absicherung und die geltenden Anforderungen der Fahrzeugarchitektur abgestimmt werden.

5. Höhere Effizienz durch bistabile Schalttechnik

Bei konventionellen Schaltlösungen kann je nach Bauart kontinuierliche elektrische Energie erforderlich sein, um eine bestimmte Schaltstellung aufrechtzuerhalten.

Der Eaton BCS arbeitet bistabil. Das bedeutet, dass er seine stabile Position ohne kontinuierlichen Spulenstrom halten kann.

Daraus ergeben sich zwei wesentliche Vorteile:

Reduzierter Energieverbrauch: Da im stabilen Betriebszustand kein Spulenstrom benötigt wird, entstehen keine kontinuierlichen Spulenverluste.

Stabile Schaltposition bei Versorgungsausfall: Die Schaltposition kann auch bei einem Verlust der Niedervoltversorgung KL30C stabil bleiben.

Die Verringerung parasitärer Energieverluste unterstützt das Ziel, den Energieverbrauch elektrischer Fahrzeuge weiter zu optimieren.

Für Automobilhersteller, die jedes Bauteil des Hochvoltsystems hinsichtlich Effizienz und Funktionalität bewerten, bietet dieses Prinzip einen wichtigen konstruktiven Vorteil.

6. Schnellere Systembereitschaft und flexible Konfigurationssteuerung

Die erforderliche Batteriekonfiguration kann davon abhängen, ob sich das Fahrzeug im Fahrbetrieb, im Ladevorgang oder im Abschaltzustand befindet.

Durch das bistabile Funktionsprinzip kann die gewünschte Konfiguration bereits beim Start vorbereitet oder – abhängig von der Steuerungsstrategie – aus dem vorherigen Abschaltzustand übernommen werden.

Dies kann unnötige Schaltvorgänge reduzieren und die Systembereitschaft unterstützen.

Für den sicheren Abschaltvorgang steht außerdem eine Trennstellung zur Verfügung, die in die Steuerungs- und Sicherheitsstrategie des Fahrzeugs integriert werden kann.

Eaton gibt für die Umschaltung zwischen Reihen- und Parallelschaltung eine Schaltzeit von weniger als 500 Millisekunden an.

Eaton BCS: Technische Merkmale im Überblick

Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen Eigenschaften des Eaton Battery Configuration Switch auf Grundlage der vorliegenden Produktinformationen zusammen.

Die endgültigen Leistungswerte und Integrationsanforderungen sind anhand der konkreten Fahrzeugarchitektur und der aktuellen technischen Produktdokumentation zu prüfen.

Wie funktioniert der Eaton Battery Configuration Switch?

Der BCS verändert die elektrische Verbindung zwischen Batterieabschnitten und ermöglicht dadurch die Anpassung der Batteriespannung.

800-V-Konfiguration für den Fahrzeugbetrieb

Bei einer Reihenschaltung werden die Spannungen der einzelnen Batterieabschnitte addiert. So entsteht die höhere Spannung, die für den 800-V-Betrieb vorgesehen ist.

Ein höheres Spannungsniveau kann bei gleicher Leistung den erforderlichen Strom reduzieren. Dadurch lassen sich unter geeigneten Bedingungen Leitungsverluste verringern und bestimmte Komponenten des elektrischen Antriebssystems effizienter auslegen.

400-V-Konfiguration für geeignete Ladestationen

Wird das Fahrzeug an einer kompatiblen 400-V-DC-Schnellladestation geladen, kann der BCS die Batterieabschnitte in eine Parallelschaltung umschalten.

Dadurch entsteht eine niedrigere Gesamtspannung, die auf den Spannungsbereich der Ladestation abgestimmt werden kann.

Je nach Systemauslegung lässt sich auf einen separaten Buck-Boost-Konverter verzichten. Dies kann den Komponentenaufwand und zusätzliche Umwandlungsverluste reduzieren.

Das Batteriemanagementsystem und die Fahrzeugsteuerung müssen dabei sicherstellen, dass die Umschaltung zum richtigen Zeitpunkt erfolgt und alle elektrischen sowie sicherheitsrelevanten Anforderungen erfüllt werden.

Bistabile Schaltung für einen effizienten Betrieb

Nach der Umschaltung kann der BCS seine stabile Position ohne kontinuierlichen Spulenstrom halten. Die Fahrzeugsteuerung kann die erforderliche Konfiguration entsprechend den Betriebs- und Ladebedingungen auswählen.

Das Zusammenspiel aus flexibler Spannungsumschaltung, bistabiler Schalttechnik und mechanischer Verriegelung unterstützt eine effiziente Integration in moderne Hochvoltbatteriesysteme.

Warum sollten OEMs den Eaton BCS für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation in Betracht ziehen?

Für Automobilhersteller ist die Spannungsumschaltung nicht nur eine Funktion zur Verbesserung der Ladefähigkeit. Sie kann die Auslegung des gesamten Hochvoltsystems beeinflussen.

Der Eaton Battery Configuration Switch bietet verschiedene potenzielle Vorteile für die Entwicklung neuer Fahrzeugplattformen:

• Reduzierte Stückliste: Weniger Schaltkomponenten können die Systemkomplexität und den Materialaufwand verringern.

• Effizientere Bauraumnutzung: Die Integration mehrerer Schaltfunktionen kann Platz innerhalb des Batteriepakets schaffen.

• Vereinfachte Montage: Eine geringere Anzahl von Einzelkomponenten kann die Fertigung und Integration erleichtern.

• Flexible Ladearchitektur: Die Batterie kann an kompatible 400-V- und 800-V-Ladebedingungen angepasst werden.

• Geringere parasitäre Verluste: Die bistabile Schalttechnik benötigt im stabilen Zustand keinen kontinuierlichen Spulenstrom.

• Integrierte Sicherheitsfunktionen: Mechanische Verriegelung und Trennstellung unterstützen das Sicherheitskonzept des Hochvoltsystems.

• Vielseitige Einsatzmöglichkeiten: Die Lösung ist für Pkw, leichte Nutzfahrzeuge und UTVs ausgelegt.

Diese Eigenschaften machen den BCS besonders interessant für OEMs, die Ladeflexibilität, Energieeffizienz, Systemkosten und Bauraum miteinander in Einklang bringen möchten.

Anwendungsbereiche des Eaton Battery Configuration Switch

Der Eaton BCS wurde für verschiedene Fahrzeugklassen entwickelt, bei denen eine flexible Batteriespannung und eine effiziente Integration der Hochvoltkomponenten eine wichtige Rolle spielen.

Elektro-Pkw: Der BCS unterstützt Batteriearchitekturen, die unterschiedliche Ladespannungen berücksichtigen müssen, ohne auf die Vorteile eines höheren Spannungsniveaus im Fahrzeugbetrieb zu verzichten.

Leichte elektrische Nutzfahrzeuge: Bei elektrischen Transportern und vergleichbaren Fahrzeugen können eine flexible Ladefähigkeit und eine effiziente Nutzung des verfügbaren Batterieraums entscheidende Entwicklungsfaktoren sein.

Utility Terrain Vehicles (UTVs): Auch bei spezialisierten elektrischen Fahrzeugplattformen bietet der BCS eine Option für die integrierte und effiziente Hochvoltumschaltung.

Ob der BCS für eine konkrete Anwendung geeignet ist, hängt unter anderem von der Batteriearchitektur, den Stromanforderungen, der Lade- und Steuerungsstrategie sowie den verfügbaren Einbauräumen ab.

Eaton und Munich Electrification: Gemeinsam an der Zukunft der Elektromobilität arbeiten

Der Eaton Battery Configuration Switch wurde in Kooperation mit Munich Electrification entwickelt. Die Zusammenarbeit verbindet Kompetenzen im Bereich elektrischer Energiemanagementlösungen mit Know-how in der Entwicklung von Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge.

Im Mittelpunkt steht eine zentrale Herausforderung der Elektromobilität: Wie können Hersteller höhere Batteriespannungen nutzen, ohne die Kompatibilität mit einer Ladeinfrastruktur einzuschränken, die teilweise noch auf niedrigere Spannungsbereiche ausgelegt ist?

Durch die Integration der Reihen-Parallel-Umschaltung in eine einzelne Vorrichtung bietet der BCS eine Alternative zu komplexeren Schaltanordnungen mit mehreren Schützen und zusätzlicher Leistungselektronik.

Die Schwerpunkte auf Komponentenreduzierung, sicherer Schalttechnik und geringem parasitärem Energieverbrauch entsprechen den Anforderungen an kompakte, effiziente und flexible elektrische Antriebssysteme.

Häufig gestellte Fragen zum Eaton Battery Configuration Switch (BCS)

Was ist der Eaton Battery Configuration Switch?

Der Eaton Battery Configuration Switch (BCS) ist eine bistabile Schaltvorrichtung, die in das Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs integriert wird. Er ermöglicht die Umschaltung zwischen 400-V- und 800-V-Batteriekonfigurationen, um die Ladeflexibilität zu verbessern und die Komplexität des Hochvoltsystems zu reduzieren.

Wie ermöglicht der BCS das Laden eines 800-V-Elektroautos an einer 400-V-Ladestation?

Der BCS kann die Batterieabschnitte von einer Reihenschaltung in eine Parallelschaltung umschalten. Dadurch wird eine niedrigere Batteriespannung bereitgestellt, die für kompatible 400-V-DC-Schnellladestationen geeignet sein kann. Abhängig von der Fahrzeugarchitektur kann dadurch ein separater Buck-Boost-Konverter entfallen.

Verbessert der Eaton BCS die Ladegeschwindigkeit?

Der BCS kann die Ladeflexibilität erhöhen und dazu beitragen, dass die Batterie hohe Ladeströme einer kompatiblen 400-V-Ladestation nutzen kann. Die tatsächliche Ladegeschwindigkeit hängt jedoch unter anderem von der verfügbaren Ladeleistung, der Batterietemperatur, dem Ladezustand und den elektrischen Grenzwerten des Fahrzeugs ab.

Wie hoch ist der maximale Dauerstrom des Eaton BCS?

Laut den vorliegenden Produktinformationen unterstützt der Eaton BCS einen Dauerstrom von bis zu 500 A ohne zusätzliche Kühlung.

Wie schnell schaltet der Eaton BCS zwischen den Konfigurationen um?

Eaton gibt für die Umschaltung zwischen Reihen- und Parallelschaltung eine Schaltzeit von weniger als 500 Millisekunden an.

Verbraucht der Eaton BCS im Betrieb elektrische Energie?

Im stabilen Schaltzustand benötigt der BCS keinen kontinuierlichen Spulenstrom. Zudem kann er seine stabile Schaltposition auch bei einem Verlust der KL30C-Niedervoltversorgung beibehalten.

Für welche Fahrzeugtypen ist der Eaton Battery Configuration Switch geeignet?

Der BCS wurde für Pkw, leichte Nutzfahrzeuge und Utility Terrain Vehicles entwickelt. Die konkrete Eignung hängt von der jeweiligen Batteriearchitektur und den Anforderungen an die Fahrzeugintegration ab.

Fazit: Eine intelligente Lösung für 400-V- und 800-V-Ladearchitekturen

Mit der zunehmenden Verbreitung von 800-V-Batteriesystemen werden die Kompatibilität mit der Ladeinfrastruktur, die effiziente Nutzung des Bauraums und die Reduzierung der Systemkomplexität zu wichtigen Entwicklungsaufgaben.

Der Eaton Battery Configuration Switch bietet hierfür eine integrierte Lösung. Er ermöglicht die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Batteriekonfigurationen und unterstützt damit die Nutzung kompatibler 400-V-DC-Schnellladestationen bei Fahrzeugen mit 800-V-Batteriearchitektur.

Mit einer Schaltzeit von weniger als 500 Millisekunden, einem Dauerstrom von bis zu 500 A ohne zusätzliche Kühlung, bistabiler Schalttechnik und dem Potenzial, bis zu zwölf Komponenten in einer Batterie-Trenneinheit einzusparen, bietet der BCS interessante Möglichkeiten für die Entwicklung moderner Hochvoltbatteriesysteme.

Gleichzeitig kann der BCS in geeigneten Fahrzeugarchitekturen den Bedarf an separater Spannungswandlung reduzieren und so zu einem kompakteren und effizienteren Systemdesign beitragen.

Für Automobilhersteller und Entwicklungsingenieure ist der Eaton Battery Configuration Switch ein interessanter Baustein auf dem Weg zu flexibleren, effizienteren und weniger komplexen Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge.