Das effiziente Auto von Morgen #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Konkrete Ansätze zur Leistungseinsparung
Ein ECU mit einigen ICs braucht in der Regel eine geringere Spannung (5 V DC oder kleiner) als die Batteriespannung (12 V DC oder größer). Dies erfordert für fast alle Steuergeräte, je nach Stromverbrauch, einen Spannungswandler (Tiefsetzer), der vorzugsweise als getakteter Regler (Schaltregler) ausgelegt wird.
Schaltregler sind ein wesentlicher, effizienz- und zuverlässigkeitsbestimmender Bestandteil in der heutigen Kraftfahrzeugelektronik. Die Batteriespannung muss entweder hoch (Booster für die Einspritzsteuerung bei Kaltstart, Start-Stopp, Xenon-Licht, LED-Licht), oder tief gesetzt werden (Buck für die meisten Steuergeräte). Booster finden zunehmend auch in der Motorsteuerung Einsatz. Zur Reduzierung des Laststroms wird in einigen Applikationen die Betriebsspannung von 12 auf 40 V hochgesetzt.
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Etwa 10 Prozent der Fahrzeugantriebsenergie wird durch Leerlauf (Halt an der Ampel, vor der Schranke oder im Stopp and Go) vergeudet. Dem wirkt die neue Start-Stopp-(µ-Hybrid)-Funktion entgegen: Sie schaltet den Verbrennungsmotor bei kurzem Stillstand ab, um den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emission zu reduzieren.
Ohne den nötigen leistungsfähigen DC/DC Wandler, der die Batteriespannungsunterbrechungsphase überbrückt, würde dieser Vorgang für die Bordspannungsversorgung und damit den Betrieb der Geräte (die trotz ausgeschalteten Motors oder beim Wiederanlassen benötigt werden) große Probleme verursachen. Bereits heute bringt die Start-Stopp-Funktion eine Einsparung von bis zu 8 Prozent des Kraftstoffverbrauchs für die Stadtfahrten.
Sie lässt sich sogar auf bis zu 12 Prozent steigern, kombiniert man sie mit einer Bremsenergierückgewinnung (Full Hybrid). Zur Realisierung benötigt man wiederum hocheffiziente Inverter/Schaltregler, außerdem muss zusätzlich der Lade- und Laststrom mit Hilfe eines Batteriesensors (High Power Metal Strip Shunt 100 µOhm, 36 W) überwacht werden.
Aspekte der Bauteiloptimierung
Im Bereich der modernen Leistungselektronik ist eine Energieeffizienz von 85 Prozent typisch (getaktete Regler). Auf Grund der EMV von Schaltreglern und der höheren Kosten sind in der Automobilelektronik immer noch viele lineare Regler mit einer typischen Effizienz von etwa 60 Prozent im Einsatz. Der Prozess der Umstellung von linearen auf getaktete Regler hat unter dem steigenden Zwang der Energieknappheit und Emissionsgrenzwerte begonnen. Jede Verbesserung des Wirkungsgrades der elektrischen Regler führt zu Kraftstoffeinsparungen, Gewichtsreduzierung und damit verbundener Emissionsreduzierung.
Vishay legt bei der Entwicklung von neuen Bauelementen für die Leistungselektronik den Fokus auf mehrere Aspekte, um den Wirkungsgrad seiner Leistungsbauelemente und damit den Gesamtwirkungsgrad der Wandler zu erhöhen:
- Sehr geringer thermischer Übergangswiderstand (Rthc, Rthj)
- Trench Halbleiter zur Minimierung der Schaltverluste
- Spezielle Gehäuseentwicklungen mit reinem Kupfer als Trägermaterial für höhere Ströme (geringe Erwärmung des Halbleiters)
- Leistungswiderstände für hochfrequente Schaltungen mit sehr niedriger Eigeninduktivität (< 5nH)
- Widerstände mit sehr niedrigem Temperaturkoeffizienten (TK < 10ppm/K) zur Garantie von geringen Widerstandsänderungen bei höheren Temperaturen
- Elektrolytkondensator mit sehr niedrigem ESR und hoher Lebensdauer von bis zu 3000h, bei gleichzeitig hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 125°C
Auch wenn sich die Verluste nicht gänzlich vermeiden lassen, führt die Bauteiloptimierung durch die große Anzahl der Bauelemente im Fahrzeug doch zu beträchtlichen Kraftstoffeinsparungen (geringerer CO2-Ausstoß). Das verdeutlicht ein Beispiel: Bei 70 Steuergeräten mit je ca. 15 W Verlustleistung entsprechen diese 1050 W elektrischer Gesamtverlustleistung ca. 1Liter/100km Mehrverbrauch.
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- Vielversprechende Mechatronik
