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Der Antriebsstrang und neue Technologien

Das Elektrofahrzeug von morgen

18. Januar 2024, 11:30 Uhr | Autoren: Dirk Geiger und Christoph Bauer, Redaktion: Irina Hübner

Im Antriebsstrang vollelektrischer Fahrzeuge kommt dem Traktionswechselrichter eine entscheidende Rolle in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit zu, da er Leistungsabgabe und Dynamik maßgeblich beeinflusst. Für die Entwicklung effizienter E-Fahrzeuge sind jedoch auch andere Technologien wichtig.

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Mobilität und Verkehr können entscheidend zum Erreichen der Klimaziele beitragen, insbesondere durch die Reduktion von Treibhausgas-Emissionen wie CO2 und NOx sowie Feinstaub. Doch mit dem wachsenden Elektrofahrzeugmarkt steigt auch die Nachfrage nach Seltenen Erden und anderen Rohstoffen. Die bloße Umstellung auf Elektrofahrzeuge reicht daher nicht aus, um eine wirklich »grüne« Zukunft zu schaffen. Hierzu sind energieeffiziente und nachhaltige Lösungen erforderlich, wie die Nutzung modernster Leistungshalbleitertechnologien und komplementärer Chipsätze.
Das Antriebssystem moderner E-Fahrzeuge besteht aus verschiedenen Komponenten wie dem On-Board-Ladegerät (OBC), dem Batteriemanagementsystem (BMS), Wechselrichtern und dem Antriebsmotor (Bild 1).

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Diese Komponenten arbeiten zusammen, um eine optimale Fahrzeugeffizienz zu erreichen. Faktoren wie Batteriekapazität und elektrischer Wirkungsgrad beeinflussen die Reichweite eines Fahrzeugs. Um jedoch die bestmögliche Leistung zu erzielen, müssen alle Aspekte des elektrischen Antriebsstrangs und des Fahrzeugs selbst optimiert werden. Das umfasst die Gewichtsreduktion, die Minimierung des Luftwiderstands, die Verringerung des Rollwiderstands und die Maximierung der Rekuperationsleistung. Die Integration des Fahrzeugs in intelligente Ladeinfrastrukturen sowie die Anpassung des Fahrzeugs an den jeweiligen Einsatzzweck sind ebenfalls entscheidend. Die Berücksichtigung von Produktionsprozessen und Recyclingmöglichkeiten ist unerlässlich, um einen nachhaltigen Lebenszyklus zu gewährleisten.

Die Reichweite ist nicht der einzige entscheidende Faktor für die Effizienz von Elektrofahrzeugen. Die Verbesserung der Fahrzeugeffizienz führt zu einer Gewichtsreduktion, wodurch weniger Rohstoffe bei der Herstellung benötigt werden und der Energiebedarf im Betrieb reduziert wird. Effizienz ist daher von zentraler Bedeutung, um kostengünstige Fahrzeuge in größerer Stückzahl herzustellen.

Mehr als nur ein Wechselrichter

Der Wechselrichter spielt eine Schlüsselrolle im Antriebssystem, da er den Antriebsmotor steuert und Gleichstrom in den erforderlichen Wechselstrom umwandelt. Er kann auch die Motordrehzahl anpassen und im Generatormodus Energie rekuperieren (Bild 2). Leistungshalbleiter auf Siliziumkarbidbasis (SiC) bieten Vorteile bei der Rekuperation, da sie bidirektionale Ströme im Schalter ermöglichen und somit die rückgewinnbare Energie im Teillastbereich erhöhen. Das reduziert den Verschleiß der Bremsen und trägt zur Nachhaltigkeit bei.

Der vollelektrische Antriebsstrang bringt neue Herausforderungen mit sich, da eine höhere Integration von voneinander abhängigen Anwendungen erforderlich ist. Diese wechselseitigen Abhängigkeiten verlangen von den OEMs einen ganzheitlichen Ansatz, der wiederum neue Möglichkeiten zur Optimierung eröffnet. Der Antriebsumrichter kann – in Kombination mit dem Elektromotor – ein Drehmoment erzeugen, das im Vergleich zu einem mechanischen System präziser und effizienter ist. Er unterstützt Funktionen wie Hill Hold, Bremsen und ABS. Darüber hinaus könnte ein Vier-Motoren-System mit Drehmomentmanagement ein herkömmliches ESC-System (elektronische Stabilitätskontrolle) ersetzen.

SiC und GaN verbessern die Leistung

Bei der Betrachtung der Effizienz ist ein ganzheitlicher Ansatz wichtig, der einen komplementären und optimierten Chipsatz aus Mikrocontrollern, Sensoren, Gate-Treibern und Leistungsschaltern umfasst. Aktuelle Traktionswechselrichter weisen bereits Wirkungsgrade von über 98 Prozent auf. Daher konzentrieren sich die Innovationen derzeit auf die Weiterentwicklung von Motoren, Getrieben und Kühlsystemen. Zusätzlich wird der Trak- tionswechselricher dahingehend optimiert, den Wirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs zu optimieren.

Die Verwendung von Wide-Bandgap-Halbleitern führt zu erheblichen Effizienzsteigerungen in verschiedenen Anwendungen, insbesondere in Traktionswechselrichtern, On-Board-Ladegeräten und Hochspannungs-DC-DC-Wandlern. SiC-basierte Schaltbauelemente verbessern die Leistung, indem sie Leitungs- und Schaltverluste reduzieren. Der Einsatz von SiC oder Galliumnitrid (GaN) ermöglicht höhere Schaltfrequenzen und geringere Verluste. Diese Materialien sind entscheidend für die Leistungsfähigkeit zukünftiger Stromversorgungssysteme, speziell in anspruchsvollen Umgebungen.

Die Nachfrage nach Seltenen Erden verringern

Die Optimierung von Antriebsstrangarchitekturen ist wichtig, um den begrenzten Vorrat an Rohstoffen und Seltenen Erden bestmöglich zu nutzen. Mikrocontroller erlauben eine bessere Funktionsintegration und tragen zur Effizienzsteigerung bei. Bei der Reduzierung der Rohstoffabhängigkeit und der Förderung nachhaltiger Produktionsprozesse spielen Elektromotoren, Getriebe und Kühlsysteme eine zentrale Rolle. Verschiedene Motordesigns wie zum Beispiel fremderregte Synchronmotoren (EESM), Permanentmagnet- Synchronmotoren (PMSM) oder Asynchronmotoren (ASM) zeichnen sich durch unterschiedliche Vor- und Nachteile bezüglich Wirkungsgrad, Materialeinsatz und Recyclingfähigkeit aus. Die Kombination verschiedener Motortypen ermöglicht eine maßgeschneiderte und optimale Fahrzeugkonfiguration auf der Grundlage der Anforderungen jeder Achse in Bezug auf Effizienz und Kosteneffizienz.

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