Leistungselektronik Neue Aufbautechnik für das Hybrid-Fahrvergnügen

Zuverlässige Leistungsmodule spielen in Hybridfahrzeugen, wie dem Volkswagen Jetta Hybrid, eine wichtige Rolle.
Zuverlässige Leistungsmodule spielen in Hybridfahrzeugen, wie dem Volkswagen Jetta Hybrid, eine wichtige Rolle.

Im Jahr 2020 sollen Hybrid- und Elektrofahrzeuge einen wesentlichen Beitrag zur CO2- und Verbrauchsminderung leisten. Dafür sind zuverlässige und kostengünstige Komponenten erforderlich. Hier hilft eine neuartige Aufbautechnologie für Halbleiterleistungsmodule, die beispielsweise im VW Jetta Hybrid zum Einsatz kommen. Mit hochbelastbaren Sinterverbindungen, Bondbuffern und Kupferdrähten können Transistoren und Dioden noch zuverlässiger betrieben werden.

Vor mehr als 15 Jahren hat die japanische Automobilindustrie ihre Pionierarbeit an hybrid­elektrischen Fahrzeugen aufgenommen. In einigen Ländern sind diese Fahrzeuge zum sichtbaren Bestandteil des Straßenbildes geworden. In ihrem Heimatland gehören sie zu den meistverkauften Modellen. Der ab 2020 [1] festgelegte Grenzwert der EU für NEFZ-CO2-Emissionen beträgt 95 g/km und lässt sich vermutlich nur durch teil­elektrifizierte Antriebe erreichen.

Die aktuelle Generation von Hybridfahrzeugen zeigt bereits, dass sich Fahrvergnügen und teil­elektrifizierte Antriebe nicht ausschließen. Fast unhörbar blenden elektrischer und verbrennungsmotorischer Antrieb hin und her. Sobald der Fahrer seinen Fuß vom Gaspedal nimmt, rollt sein Fahrzeug emissionsfrei und nutzt die kinetische Energie. Durch den Booster-Einsatz des Elektromotors gelingt ein schneller Überholvorgang mühelos und ohne spektakuläre Geräuschkulisse.

Dabei führen die aktuellen Vollhybriden nur eine überschaubare Batteriekapazität mit, die allenfalls für einen oder zwei km elektrische Fahrt ausreicht. Nur durch die Lastpunktverschiebung, eine gewisse Rückgewinnung von Bremsenergie und weitere Wechselwirkung mit dem verbrennungsmotorischen Antrieb lassen sich bis zu 25 Prozent Kraftstoff im Vergleich zu einem herkömmlichen Verbrenner sparen.

Deutlich aufwendiger sind Plug-in- und batterieelektrische Fahrzeuge ausgelegt, bei denen über weite Strecken der Elektromotor als alleiniger Antrieb dient. Dafür lässt sich an dieser Stelle der NEFZ-Verbrauch weiter reduzieren. Gleichzeitig steigen aber auch Gewicht und Kosten. Entsprechende Bonusregeln würden diese Fahrzeuge bei der künftigen Ermittlung eines Flottendurchschnitts jedoch begünstigen.

Insgesamt könnte der Hybridantrieb eine vergleichbare Rolle übernehmen, wie das bereits die Turboaufladung vor drei Jahrzehnten bei den Dieselmotoren tat: Aus einer Nischenlösung wird ein hervorragend fahrbarer, sparsamer und komfortabler Antrieb mit Potenzial für eine weitreichende Verbreitung.

Unterschiedliche Auslegungen sind hier denkbar. Die sparsame Einstiegslösung ließe sich durch eine weiterentwickelte Elektromaschine darstellen, die am Platz des heutigen Generators untergebracht wird. Hier setzt die Industrie auf einfache Integration mit Riemenantrieb und Niedervolt-Batterie <60 V. Diese Maschine arbeitet sowohl motorisch als auch generatorisch und kann als „milder Parallelhybrid“ betrieben werden. Viel mehr als kurzfristige 10 kW werden so jedoch nicht freigesetzt. Damit sind das Drehmoment und die elektrische Autonomie beschränkt. Der Kraftstoffverbrauch im NEFZ-Zyklus kann jedoch deutlich profitieren.

Ein wirklicher Turboeffekt mit deutlich spürbarem Drehmoment ist erst beim Vollhybriden zu erwarten. Hier führt kein Weg an einer Hochvoltbatterie mit typisch über 200 V und einem IGBT-Frequenzumrichter mit entsprechender Spannungsfestigkeit vorbei. Damit sind heute Auslegungen von 20 bis weit über 100 kW Leistung möglich [2].

Einziges ernsthaftes Gegenargument: die Kosten. Allerdings sollten sich dieses mit steigenden Stückzahlen und künftigen technischen Innovationen senken lassen.