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von Vera Brandstetter
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Leistungselektronik im Elektroauto

Lesedauer: ca. 8 Minuten – Die Leistungselektronik im Elektroauto ist eine Schlüsseltechnologie für den erfolgreichen Wandel einer ganzen Industrie. Es bedarf innovativer Lösungen für die verschiedensten Antriebskonzepte um der Elektromobilität zum Durchbruch zu verhelfen. Welchen entscheidenden Anteil daran hat die Leistungselektronik im Elektroauto?

Leistungselektronik im Elektroauto

Die Entwicklung und Herstellung von Batterien für die Elektromobilität gehört, wie in den Medien vielfach zitiert, sicherlich nicht zu den deutschen Kernkompetenzen. Hier stellen asiatische Hersteller eine wahre Übermacht dar und drängen die europäischen Autohersteller in eine gefährliche Abhängigkeit. Ganz anders sieht es bei einem anderen Eckpfeiler des regenerativen Antriebskonzeptes aus, der Leistungselektronik. Bei der Entwicklung von Leistungselektronik für Brennstoffzellen- und batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen zählen deutsche Unternehmen zur Weltspitze. Im Folgenden werden systemrelevante Komponenten der Leistungselektronik im Elektroauto vorgestellt.

 

Der Inverter im Elektrofahrzeug


Zum Antrieb eines Elektrofahrzeuges stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Die technisch einfachste Variante stellt ein mechanisch kommutierter DC-Elektromotor dar. Dieser wird direkt mit DC versorgt, und kann mit Hilfe einer PWM (Pulsdauermodulation) der Versorgungsspannung in ihrer Leistungsabgabe gesteuert werden. Aufgrund dieser Tatsache ist eine direkte Versorgung aus der Traktionsbatterie auch bei Gleichstrommotoren im Fahrzeug nicht sinnvoll. Weitere Nachteile einer solchen DC-Maschine sind die erforderliche Wartung der verschleißenden Bürsten, der vergleichsweise niedrige Wirkungsgrad und die geringere Lebensdauer.

In modernen Elektrofahrzeugen wird deshalb auf bürstenlose Elektromotoren zurückgegriffen, wie zum Beispiel Asynchronmaschinen oder permanenterregte Synchronmaschinen, auch Brushless DC-Maschine genannt. Die Kommutierung der Versorgungsspannung in den Phasen des Motors, und damit die Erzeugung des zum Betrieb nötigen Drehfeldes, müssen bei diesen Motoren allerdings auf elektronischem Wege erfolgen.
Diese Aufgabe übernimmt der sogenannte Wechselrichter, oder Inverter. Die Regel sind in heute verfügbaren Antriebskonzepten dreiphasige Wechselrichter, die dem Motor in Frequenz und Spannung variablen, dreiphasigen Drehstrom zur Verfügung stellen können.
So können genau auf den Antrieb abgestimmte Spannungs-Frequenz-Kennlinien realisiert werden, oder ein von Eingangsspannung und Drehfeldfrequenz unabhängiges Motordrehmoment eingestellt werden.

Über entsprechend hinterlegte Kennlinien kann so die Reaktion eines Verbrennungsmotors auf die Befehle des Gaspedals elektrisch nachgebildet werden. Diese Eigenschaften sind ein wesentlicher Faktor bei der Auslegung des Antriebssystems, und bei der Optimierung des Nutzererlebnisses.
Beim Bremsen fungiert der Elektromotor als Generator, und liefert eine entsprechende Wechselspannung. Diese kann vom Inverter gleichgerichtet, und der Traktionsbatterie zugeführt werden. Dieses Verfahren wird auch als Rekuperation bezeichnet und erhöht den Wirkungsgrad und somit die Reichweite eines Elektrofahrzeuges erheblich.

 

Der DC/DC Wandler


Sowohl Brennstoffzellen als auch die Batterien in Elektroautos liefern Spannungen jenseits der bisher im Automotive-Sektor bekannten 12 VDC bzw. 24 VDC. Um die Sicherheit der Nutzer von Infotainment-Systemen zu gewährleisten und um teure und aufwändige Neuentwicklungen zu vermeiden, ist auch weiterhin in regenerativ betriebenen Fahrzeugen ein Niedervolt-Bordnetz notwendig. Analog zur an den Ottomotor gekoppelten Lichtmaschine in Verbrennerfahrzeugen versorgt der DC/DC Wandler das Niedervoltnetz. Dazu wandelt der Hochvoltwandler die hohe Spannung der Traktionsbatterie in eine entsprechend niedrigere Spannung und speist Verbraucher wie Klimaanlage, Servolenkung, Beleuchtung usw.

 

Das Onboard-Ladegerät im Elektroauto


Eine weitere wichtige Leistungselektronik-Komponente im Elektroauto ist das Onboard-Ladegerät. Stromtankstellen sind üblicherweise in drei verschiedenen Ausführungen zu finden. Die Versorgung von Elektrofahrzeugen kann hierbei mittels einphasigem oder dreiphasigem Wechselstrom sowie mit Gleichstrom erfolgen. Aufgrund der relativ teuren Elektronik finden sich Gleichstromtankstellen meist nur an Autobahnen. Innerstädtische Ladestationen liefern in der Regel Wechselstrom. Zur Ladung von Traktionsbatterien ist allerdings Gleichstrom notwendig, welcher Mithilfe eines Onboard-Ladegerätes durch Gleichrichtung und Wandlung des Wechselstromes erzeugt wird.

 

Entwicklungen der Leistungselektronik im Elektroauto


In den letzten Jahren erlebte die Halbleitertechnologie eine fulminante Weiterentwicklung. Die beachtliche Optimierung von Leistungshalbleitern erlaubt völlig neue Einsatzszenarien. Die bisher vor allem in der Industrie eingesetzte stationäre Leistungselektronik genügt jedoch selten den hohen Anforderungen der Automobilindustrie. Hier besteht allem voran in der Aufbau- und Verbindungstechnik Nachholbedarf, um in Puncto Temperaturbeständigkeit, Wirkungsgrad und Leistungsdichte das technologische Potential der Leistungshalbleiter nutzen zu können.

 

Fazit


Für einen Umstieg von fossilen auf regenerative Energieträger in Kraftfahrzeugen sind verschiedene Komponenten notwendig. Und auch wenn Deutschland und Europa bezüglich der Fertigung und Entwicklung von Batterien aktuell weit hinter den Erwartungen und auch der Konkurrenz aus Asien zurückliegt, besteht im Bereich Leistungselektronik im Elektroauto berechtigte Hoffnung. Ein Akku alleine bewegt kein Auto. Ziel muss es sein, den Bereich Leistungselektronik weiter voran zu bringen und innovative Lösungen für verschiedene Antriebskonzepte zu entwickeln.

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