Brems-Chopper: Wie sie mobile Arbeitsmaschinen sicherer machen

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Elektrifizierte mobile Arbeitsmaschinen werden vom neuartigen Brems-Chopper von MSB Elektronik vor Überspannung und Überlast geschützt. Der flüssigkeitsgekühlte Halbleiterschalter zur Leistungsregelung sorgt dafür, dass beim Bremsen Teile der Bewegungsenergie zurückgeführt oder aber ausgeleitet werden – je nach Bedarf.

Globale Trends führen dazu, dass immer mehr mobile Arbeitsmaschinen mit alternativen Antriebskonzepten entwickelt werden. Klimawandel durch CO2-Emission auf der einen Seite, hohe Wirkungsgrade bei elektrischen Antriebssystemen auf der anderen führen zu einer spürbaren Elektrifizierung des Fuhrparks und ermöglichen perspektivisch einen Zero-Emission-Betrieb – abhängig natürlich von der Systemarchitektur. Für eine zuverlässige Elektrifizierung mobiler Arbeitsmaschinen erfordert es Erfahrung und Know-how, aber auch passende Komponenten, wie Brems-Chopper, und Technologien.

Brems-Chopper aus Crailsheim

MSB Elektronik liefert einen wichtigen Baustein zur Umsetzbarkeit dieser Elektrifizierung der Arbeitmaschinen. Das Unternehmen aus dem baden-württembergischen Crailsheim ist Spezialist für kundenspezifische Entwicklung und Fertigung von Lösungen für die Leistungselektronik und Steuerungstechnik. Das Unternehmen hat einen Halbleiterschalter mit Schutzart IP67 zur Leistungsregelung von Bremswiderständen in batteriebetriebenen Fahrzeugen für den Einsatz in rauer Umgebung entworfen, der zur Steuerung der Leistung und zur Überwachung der Zwischenkreisspannung in elektrischen Systemen eingesetzt wird.

Arbeitet ein Elektromotor im Antriebsmodus, wandelt er elektrische in mechanische Energie um. Verlangsamt sich nun ein bewegtes Fahrzeug, arbeitet der Motor im umgekehrten Modus und beginnt, mechanische Energie in elektrische umzuwandeln. Diese wird als Abwärme in Bremswiderständen abgeführt, die gekühlt werden müssen, damit die Betriebstemperatur nicht überschritten wird. Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Hybridantrieb nutzen elektromotorisches Bremsen auch zum Laden des Fahrzeug-Akkus. Wird die Bewegungsenergie durch Rekuperation zurückzugewonnen, lässt sich der gesamte Wirkungsgrad erhöhen und Treibstoff sparen. Auch wenn die Rückspeisung beim Abbremsen als Energiespar-Lösung gehandelt wird, ist sie nicht zwangsläufig in allen Fällen einsetzbar und ein Bremswiderstand wird eingeschaltet.

Zwischenkreiskomponenten vor Überspannung schützen

Die Bremsleistung und die entsprechende Rekuperation sind abhängig von der Leistung der Maschinen sowie von der Kapazität der Energiespeicher. Wird der Elektromotor abgebremst, fließt die überschüssige Energie in Form von generatorischem Strom zurück in den Zwischenkreis. Übersteigt nun dessen Spannung den vorgegebenen Grenzwert, wird die überschüssige Energie über einen angeschlossenen Bremswiderstand in thermische Energie umgewandelt. Als Dämpfungsglied agiert der Brems-Chopper zur Kompensierung von Lastspitzen im Zwischenkreis. Auch in Gefahrensituationen ist dadurch eine definierte Notbremsung möglich, wenn die Speicherfähigkeit der über Rückspeisung geladenen Akkus ausgelastet ist.

Der neue Halbleiterschalter, den MSB ursprünglich als kundenspezifische Lösung entwickelt hat, ermöglicht ein verschleißfreies Schalten von Widerstandlasten an DC-Netzen bis 850V. Das MBC-120 Modul funktioniert auf Basis eines IGBT-Leistungshalbleiters. Das Halbleiterbauelement wird in der Leistungselektronik eingesetzt, da es die Vorteile des bipolaren Transistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung und Robustheit mit den Vorteilen eines Feldeffekttransistors vereinigt.

Brems-Chopper: Schnelles und verlustarmes Schalten elektrischer Ströme

Über die CAN-Schnittstelle erfolgt die Anbindung des Geräts an die übergeordnete Steuerung. Die Parametrierung der Grenzwerte erfolgt über eine RS232-Schnittstelle. Der im Modul integrierte Controller generiert die Ansteuersignale für den Leistungsteil, berechnet die Leistung und überwacht die vorgegebenen Grenzwerte.

Der IGBT-Leistungsschalter ermöglicht das schnelle und verlustarme Schalten elektrischer Ströme – im ausgeschalteten Zustand fließt kein Strom - im eingeschalteten Zustand fällt keine Spannung am Bauteil ab. Die Leistung wird durch Anpassung des Tastverhältnisses mit einer Schaltfrequenz von z.B. 10 Hz (einstellbar) an den angeschlossenen Widerstand abgeführt. Alternativ kann der Brems-Chopper auch zur Begrenzung einer Spannung über den CAN-Bus vorgegebenen Grenzwert Umax-Umin eingesetzt werden.

MSB Elektronik sieht in dem Halbleiterschalter mit Schutzart IP67 ein großes Potential. Die Komponente wird in hohen Stückzahlen im Bahnbereich eingesetzt und ist für Belastungen durch Staub in der Bauindustrie oder in der Landwirtschaft ausgelegt. Mehrere Unternehmen aus der ganzen Welt haben bereits Interesse an der Entwicklung bekundet, die zur Energieeffizienz der Elektromobilität im Bereich der elektromobilen Arbeitsmaschinen beiträgt.

Von Reinhard Braun.

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