Elektromobilität Leistung rauf, Kosten runter

Günstigere Elektrofahrzeuge durch motorintegrierte Leistungselektronik
Günstigere Elektrofahrzeuge durch motorintegrierte Leistungselektronik

Elektrofahrzeuge scheitern bislang an zwei Punkten: Leistungsfähigkeit und Kosten. Das Forschungsprojekt EMiLE soll genau bei diesen Problemen Abhilfe schaffen.

EMiLE steht für „Elektro-Motor integrierte Leistungs-Elektronik“ und verfolgt folgende Hauptziele:

  • die Reduzierung der elektrischen, mechanischen und thermischen Schnittstellen,
  • eine Wirkungsgradsteigerung im Teillastbereich,
  • eine Erhöhung der volumetrischen Systemleistungsdichte von Umrichter und E-Maschine um bis zu 50 Prozent
  • die Verringerung der Systemkosten dieser Komponenten um bis zu 40 Prozent gegenüber separaten Teilsystemen.

Diese Verbesserungen sollen in erster Linie für den Pkw-Bereich demonstriert werden, jedoch wird auch die Übertragung der Ergebnisse auf Nutzfahrzeuge und dezentrale Antriebe in der Automation untersucht.

Und wie sollen diese Ziele erreicht werden? Bislang befindet sich in E-Fahrzeugen die Leistungselektronik für den Antriebsumrichter in einem separaten Modul, das über Kabel mit der elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist. Diese Lösung benötigt Platz für die Elektronik, zudem verursachen die Kabel Kosten, Gewicht und Störanfälligkeit. Daher gibt es bereits Ansätze, bei denen die Elektronik direkt an den Motorblock angebaut ist.

Im EMiLE-Projekt geht das Partnerkonsortium unter Leitung der ZF Friedrichshafen AG noch einen Schritt weiter: die Leistungselektronik soll direkt in der Antriebsmaschine platziert werden. Dazu entwickeln die Industriepartner AixControl GmbH, Infineon Technologies AG, Lenze SE, Robert Bosch GmbH, Siemens AG, TDK-EPC Corporation und Volkswagen AG zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelemente-Technologie IISB und dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen die entsprechenden Technologien.

Durch die Nähe der Elektronik zum Wirkort besitzen angebaute bzw. motorintegrierte Umrichterkonzepte gegenüber separaten Einzelsystemen Vorteile hinsichtlich der Anzahl der benötigten Schnittstellen, des Bauraums, des Gewicht und der Gesamtkosten. Beispielsweise bietet die direkte Kontaktierung der so genannten AC-Phasenkabel im Umrichter den Vorteil einer Minimierung von Kabel- und Steckverbindungen. Durch den Wegfall der AC-belasteten Motorkabel im Fahrzeug wird auch eine potentielle EMV-Störquelle vermieden und die Nutzung eines gemeinsamen Kühlmantels für Antriebsmaschine und Leistungselektronik reduziert die Kühlperipherie auf ein Minimum. Durch den Übergang von der angebauten zur motorintegrierten Leistungselektronik ergeben sich zusätzliche Vorteile wie eine weitere Reduzierung der Schnittstellen, die Minimierung der Komponenten und die Möglichkeit zur automatisierten Montage.

In EMiLE werden daher die klassischen elektrisch-thermischen Schnittstellen auf den Prüfstand gestellt und Alternativlösungen entwickelt, wie etwa der Verzicht auf bestimmte Isoliersubstrate. Durch die räumliche Nähe der Leistungselektronik zur Motorwicklung ergeben sich neue Möglichkeiten für Fehlerbeherrschung, Redundanz, funktionale Sicherheit und Systemwirkungsgrad. Ebenso wird auch die dezentrale Verteilung von Intelligenz auf Einzelzellen im Motor erforscht. Schwerpunkte von EMiLE sind alternative Konzepte für Umrichter, E-Maschinen, Aufbau- und Entwärmungskonzepte für die Hochintegration, die Untersuchung der Ausfallsicherheit sowie neben der technischen auch eine wirtschaftliche Bewertung der Entwicklungen.