DC/DC-Wandler für Agrartechnik und Landmaschinen

Aktuell begleiten wir einen grossen Hersteller von Agrartechnik bei der Entwicklung einer leistungsfähigen 48-V-Stromversorgung für einen Pflug. Die elektrische Energie kommt aus dem 12-V-Bordnetz der Zugmaschine und wird über entsprechend dimensionierte Leitungen zum Anbaugerät geführt. Der DC/DC-Wandler wird direkt auf dem Pflug installiert und erzeugt dort die benötigte 48-V-Versorgung für die elektrischen Funktionen der Maschine.

Das Grundprinzip:
12-V-Bordnetz der Zugmaschine → DC/DC-Wandler auf dem Pflug → 48-V-Zwischenkreis → elektrische Verbraucher

Der Kunde sieht zusätzlich einen Einbauraum beziehungsweise eine Box für den Wandler vor. Sie reduziert unter anderem die direkte Sonneneinstrahlung und bietet zusätzlichen Schutz vor Dünger und Verschmutzung. Der Wandler selbst muss trotzdem Vibrationen, mechanische Stösse, hohe Temperaturen und die Belastungen langer Arbeitseinsätze zuverlässig aushalten.

Das Projekt befindet sich aktuell in der Prototypen- und Entwicklungsphase. Das Grundkonzept, die Wandlertopologie und die wesentlichen Funktionen stehen bereits. Der finale Eingangsspannungsbereich und die benötigte Dauerleistung werden gemeinsam mit dem Kunden auf die Maschine abgestimmt.

Niedrige Eingangsspannung, hohe Ausgangsleistung

Eine der zentralen Herausforderungen ist die Kombination aus einer niedrigen Eingangsspannung im Bereich eines 12-V-Bordnetzes und einer leistungsfähigen 48-V-Ausgangsversorgung.

Ein Fahrzeugbordnetz liefert keine konstante Laborspannung. Batterie, Lichtmaschine beziehungsweise Generator, Leitungslängen und weitere Verbraucher beeinflussen die Spannung, die tatsächlich am Wandler anliegt. Besonders unter hoher Last kann sie deutlich absinken.

Demke verfügt bereits über Lösungen und Erfahrungen mit dieser Wandlertopologie bei niedrigen Eingangsspannungen bis in den Bereich um 10 V und 48-V-Ausgangssystemen. Auch höhere Leistungen wurden mit der zugrunde liegenden Topologie bereits umgesetzt. Für das aktuelle Agrarprojekt werden die finalen Werte nun gezielt auf die Anwendung abgestimmt.

Gerade bei mehreren hundert Watt werden auf der 12-V-Seite hohe Ströme erreicht. Kabelquerschnitte, Steckverbinder, Leitungslängen und Spannungsabfälle sind deshalb ebenso wichtig wie der eigentliche DC/DC-Wandler.

Sehr kurze Leistungsspitzen bis 1.200 W

Neben der normalen Betriebsleistung können in der Anwendung sehr kurze Leistungsspitzen auftreten. Im aktuellen Entwicklungsprojekt werden Peaks von bis zu 1.200 W für weniger als eine Sekunde betrachtet.

Die komplette DC/DC-Stufe dauerhaft auf diesen kurzen Maximalwert auszulegen, ist nicht zwangsläufig die sinnvollste Lösung. Stattdessen kann ein externer Energiespeicher auf der 48-V-Seite die zusätzlich benötigte Energie für die kurze Lastspitze bereitstellen.

Das Konzept lautet:

DC/DC-Wandler für die Dauerleistung + Energiespeicher für die Spitzenleistung

Während des normalen Betriebs versorgt der Wandler das 48-V-System und lädt gleichzeitig den Energiespeicher. Wird kurzfristig deutlich mehr Leistung benötigt, stellt der Puffer die zusätzliche Energie bereit. Anschliessend lädt ihn der DC/DC-Wandler wieder nach.

Externer Puffer mit CC/CV-Regelung

Der Kunde hat uns deshalb auch konkret gefragt, ob ein externer Puffer gemeinsam mit dem DC/DC-Wandler eingesetzt werden kann. Das ist bereits mit dem bestehenden Wandlerkonzept möglich. Unsere dafür geeigneten Wandler arbeiten standardmässig mit CC/CV-Regelung. Ein Kondensator oder Superkondensator kann damit kontrolliert geladen und nach einer Lastspitze automatisch wieder nachgeladen werden.

Im Konstantstrombetrieb begrenzt der Wandler den Ladestrom. Mit steigender Spannung geht die Regelung in den Konstantspannungsbetrieb über und hält die gewünschte Ausgangsspannung stabil.

Für dieses Grundprinzip sind am Wandler keine grundlegenden Änderungen erforderlich. Die Dimensionierung des Energiespeichers hängt vom realen Lastprofil, der Peak-Leistung, der Dauer der Lastspitze, dem zulässigen Spannungseinbruch und der Häufigkeit der Peaks ab.

Parallelbetrieb oder Energiespeicher?

Geeignete Demke DC/DC-Wandler können auch parallel betrieben werden, um eine höhere Dauerleistung bereitzustellen.

Das ist sinnvoll, wenn die zusätzliche Leistung dauerhaft oder über längere Zeit benötigt wird. Bei einer Leistungsspitze von weniger als einer Sekunde kann dagegen ein lokaler Energiespeicher die attraktivere Lösung sein.

Der DC/DC-Wandler wird dann für die reale Dauerleistung ausgelegt, während der Puffer die kurze Spitzenleistung übernimmt.

Generator auf dem 48-V-Zwischenkreis

Eine weitere Besonderheit des aktuellen Projekts ist ein Generator auf der 48-V-Seite.

Der Zwischenkreis besteht damit nicht ausschliesslich aus Verbrauchern. Bei der Systemauslegung müssen deshalb auch mögliche generatorische Betriebszustände und Energieflüsse berücksichtigt werden.

Ein dafür ausgelegter Puffer kann kurzfristig zusätzliche Energie bereitstellen und für kurze Zeit generatorisch erzeugte Energie aus dem 48-V-System aufnehmen. Wie länger anhaltende generatorische Energie behandelt wird, hängt vom konkreten Generator, dem zulässigen Spannungsbereich und dem gesamten Energiekonzept der Maschine ab.

Gerade dieser Punkt zeigt, warum bei anspruchsvollen mobilen Anwendungen nicht nur der einzelne DC/DC-Wandler betrachtet werden sollte, sondern das komplette 48-V-Energiesystem.

Für reale Agrarbedingungen gebaut

Der Wandler sitzt direkt auf dem Anbaugerät und ist damit den mechanischen und klimatischen Belastungen der Maschine ausgesetzt.

Unsere robusten DC/DC-Wandler verwenden Aluminiumgehäuse und vollständig mit Polyurethan vergossene Elektronik. Leiterplatte und elektronische Komponenten werden in das Vergussmaterial eingebettet. Dadurch erhält die Elektronik zusätzlichen Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung sowie eine hohe mechanische Stabilität gegenüber Schock und Vibration.

Besonders interessant ist dabei eine Erfahrung aus dem aktuellen Projekt: Dünger greift nahezu alles an.

Düngemittel können insbesondere zusammen mit Feuchtigkeit eine stark aggressive Umgebung erzeugen. Deshalb müssen nicht nur der Wandler, sondern auch Gehäuseoberflächen, Kabel, Steckverbinder, Befestigungen und Einbausituation gemeinsam betrachtet werden.

Eine hohe IP-Schutzart bedeutet nicht automatisch chemische Beständigkeit gegen Dünger. Der PU-Vollverguss bildet innerhalb des Wandlers jedoch eine zusätzliche Schutzbarriere um die empfindliche Elektronik.

Der aktuell eingesetzte 729-48-SD ist nach ISO 20653 mit IP6KX und IPX9K geprüft. Hinzu kommen Vibrationsprüfungen nach IEC 60068-2-6 und Schockprüfungen nach IEC 60068-2-27.

Auch thermisch ist die Anwendung anspruchsvoll. Landwirtschaftliche Maschinen können während der Saison viele Stunden bei hohen Aussentemperaturen arbeiten. Der zusätzliche Einbauraum schützt vor direkter Sonneneinstrahlung, gleichzeitig muss jedoch die Wärmeabfuhr berücksichtigt werden. Unsere robusten Plattformen sind deshalb für grosse Temperaturbereiche und hohe thermische Belastungen ausgelegt.