Power-Tipp Neue Kurzschlusstechnik für höhere Pedelec-Sicherheit

Pedelecs sind zu einem umweltfreundlichen Fortbewegungsmittel geworden. Ein Elektromotor unterstützt das Treten und erleichtert das Fahren in Steigungen. Auf abschüssigen Strecken kann er, sofern in der Radnabe montiert, auch zum Bremsen oder Rückspeisen von Energie in den Akku benutzt werden. Doch Obacht!

Rollt das Elektrofahrrad, muss unter allen Umständen verhindert werden, dass die vom Motor erzeugte Spannung die Elektronik beschädigt. Hier kommt die „aktive Kurzschlusstechnik“ ins Spiel, mit der sich auch größere Energiemengen sicher ableiten lassen. Sie implementiert eine Bremsfunktion, bei der sämtliche high- und low-seitigen MOSFETs eingeschaltet werden. Bild 1 zeigt eine E-Bike-Architektur auf Basis des Gate-Treibers DRV8363-Q1.

Bei älteren Systemen wurden diskrete Bauelemente genutzt, um ein Überschreiten der zulässigen Akkuspannung zu erkennen und entsprechend zu reagieren. Eine dynamische Reaktion auf etwaige MOSFET-Ausfälle war hier jedoch nicht möglich. Der DRV8363-Q1 reduziert die erforderliche Leiterplattenfläche und kann bei Ausfällen einen Notbremsmodus aktivieren.

Zusätzlich triggert er eine aktive Kurzschlussschaltung – entweder auf ein SPI-Kommando hin oder automatisch, sobald eine Überspannung festgestellt wird. Durch Setzen entsprechender Register lässt sich außerdem wahlweise ein low- oder high-seitiger Bremsmodus aktivieren.

Probleme beim Bremsen

Beim Bremsen sind mehrere Probleme denkbar. Zum einen kann es beim Low-Side-Bremsen zu einem Ausfall in einem High-Side-MOSFET kommen (oder umgekehrt). In diesem Fall würde ein Stromweg von der 48-V-Versorgung zur Masse geschaffen, der das System beschädigen und sogar zu einer Gefahr für die Benutzer werden kann.

Für einen solchen Fall enthält der DRV8363-Q1 eine Funktion, die ein Umschalten in den jeweils anderen Bremsmodus veranlasst, sodass die Energie geordnet dissipiert und ein Kurzschluss zur Masse verhindert wird. Das Resultat ist ein Plus an Sicherheit, während die Anforderungen an die Firmware verringert werden.

Hohe Stromspitzen beim Wechsel vom Bremsen in Freilauf

Ein weiteres potenzielles Problem sind hohe Stromspitzen in den Motor-Phasenwicklungen beim Wechsel vom Brems- in den Freilaufmodus. Hier hilft die verbesserte Reaktionsfähigkeit des DRV8363-Q1 bei der Regelung hoher Spannungen. Im Bremsmodus besteht ferner die Gefahr, dass MOSFETs durch Überhitzung beschädigt werden. Dank seiner Fähigkeit, den high- oder low-seitigen Bremsmodus per SPI zu aktivieren, kann der DRV8363-Q1 fortlaufend zwischen beiden Betriebsarten wechseln, um die Wärmeentwicklung besser zu verteilen und das Wärmemanagement der Leiterplatte damit zu erleichtern. Bild 2 veranschaulicht den Stromfluss im High-Side- und Low-Side-Bremsmodus.

Ungenauigkeiten beim Messen der Spannungen am Akku und an den MOSFET-Drains sowie Verzögerungen beim Erfassen und Decodieren dieser Informationen durch den Mikrocontroller, der den Bremsbefehl aktivieren muss, können in Notfällen gefährlich werden. Der DRV8363-Q1 misst die Batterie deshalb direkt am Drain-Anschluss des high-seitigen MOSFET, was die Messgenauigkeit und Reaktionszeit zum Triggern des Bremsmodus bei Überspannungen verbessert.

Bremsen auch bei Hardware-Fehlern

Problematisch kann es schließlich sein, wenn die aktive Kurzschlussschaltung aufgrund eines MCU-Defekts oder eines Fehlers im Treiber nicht aktiviert werden kann. Die integrierte aktive Kurzschlussfunktion des DRV8363-Q1 bietet hier eine zuverlässigere, auch bei Hardwarefehlern verfügbare Bremsmethode. Selbst wenn es in der MCU zu einem Software- oder Hardwarefehler kommt, kann der Treiber im Fall einer Überspannung ohne externen Befehl seitens des Mikrocontrollers automatisch die aktive Kurzschlussschaltung aktivieren.

Ein weiterer, nicht unerheblicher Pluspunkt des Chips ist die Tatsache, dass er die aus mehreren Bausteinen bestehende diskrete Lösung durch eine integrierte Schaltung ersetzt, was bei Pedelecs mit ihrem knappen Platz- und Gewichtsbudget wichtig ist. (kr)

* Akshay Rajeev Menon ist Applikationsingenieur bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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