Vom Verbrenner zum reinen Strombetrieb Der Weg zum Elektroauto

Der Elektromobilität gehört die Zukunft, da ist sich die Automobilbranche einig. Doch bis wirklich ein nennenswerter Anteil der Fahrzeuge auf unseren Straßen nur mit Elektroantrieb fährt, wird es noch viele Zwischenschritte geben. Und Elektronik bildet die technische Grundlage für alle Stufen auf dem Weg zur Elektromobilität.

Automobilhersteller, Zulieferer und Politik setzen klar auf die Elektromobilität, dennoch bleiben die Verantwortlichen realistisch. Denn bis Elektroautos in großer Anzahl im Straßenbild unterwegs sind, werden noch viele Jahre vergehen. Die Gründe sind vielfältig: Elektrofahrzeuge, die elektrische Energie in Batterien speichern, können nicht alle kraftstoffbetriebenen Fahrzeuge in der gegebenen Transportinfrastruktur sofort ersetzen.

Kaufentscheidungen werden heute und auch in Zukunft auf der Basis der Betriebskosten und des Fahrkomforts getroffen, hier haben Elektrokonzepte heute noch zwei Hauptnachteile: hohe Kosten für Batterien und lange Ladezeiten. Der Durchbruch wird erst mit optimierten Lithium-Ionen-Technologien und der Massenproduktion von Batterien kommen, die zu einer Senkung der Kosten auf 250 US-Dollar pro kWh führen werden.

Aber auch die Elektronik wird signifikant zur Senkung der Betriebskosten und Verlängerung der Batterielebensdauer beitragen. Andererseits verzögern auch die Ladeinfrastruktur und der mangelnde Ladekomfort den Durchbruch der Elektrofahrzeuge auf breiter Front. Darüber hinaus werden die Standardisierung von Schlüsselparametern oder nicht differenzierenden Merkmalen wie Betriebsspannung, Anschlüsse oder Ladefunktionen großen Einfluss auf die Zukunft der Elektromobilität haben.

Erster Schritt: Fahren mit Gas

Bis also auf breiter Front rein elektrisch gefahren werden kann, brauchen Hersteller und Verbraucher Alternativen, die Emissionen zu senken und den hohen Spritpreisen zu begegnen. Ein in vielen europäischen Ländern bereits bewährter Schritt in diese Richtung ist die Verwendung alternativer Kraftstoffe wie zum Beispiel Gas. Weil sich Benzinmotoren recht einfach für den Betrieb mit preislich attraktivem Flüssig-Propangas
(Liquefied Petroleum Gas, LPG) oder Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG) umrüsten lassen, rechnen Experten in Mitteleuropa mit großem Stückzahlwachstum.

Allerdings stellt Gas besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit des gesamten Treibstoffsystems, die sich unter anderem mit geeigneten Sensoren für Gasdruck und -temperatur erfüllen lassen. Waren diese Sensoren bisher über abgesetzte Gasleitungen mit dem System bzw. Tank verbunden, fordern aktuelle Design-Richtlinien das Verbauen der Sensoren direkt im System, also unmittelbar am Tank. Insider gehen davon aus, dass sich diese Technik bald in einer EU-Richtlinie wieder finden wird, dann wären Extra-Gasleitungen zum Sensor nicht mehr erlaubt.

Für Messungen im System hat der Hersteller Sensata verschiedene Spezialsensoren im Portfolio, die EBV im Juli letzten Jahres in das Lieferprogramm aufgenommen hat (Bild 1). Ein Niederdrucksensor für den Einsatz im Gas-Verteilerrohr misst den Absolutdruck des Kraftstoffs am Einlass der Einspritzeinheit und erlaubt so, die Verbrauchsmessung zu verbessern und die Verbrennung im Hinblick auf weniger Emissionen und höhere Motorleistung zu optimieren.

Bei CNG wie bei LPG ist es üblich, sowohl Druck als auch Temperatur zu messen, die »CP+T«-Ausführung (Ceramic Pressure + Temperature) vereint daher ein keramisch-kapazitives Drucksensor-Element und einen schnellen und genauen NTC-Thermistor in einem robusten Gehäuse. Der Sensor arbeitet von 50 kPa bis 450 kPa (LPG) bzw. 1200 kPa (CNG), die Genauigkeit liegt bei ±1,2%. Messwerte eines robusten Hochdrucksensors in Piezo-Resisitv-Technik am Erdgas-Tankventil oder -Druckregler lassen sich für die Anzeige der aktuell im Tank verbleibenden Gasmenge am Zentralinstrument nutzen.

Hier ersetzen die aktuellen Sensoren veraltete elektromechanische Anzeigen, und ihre hohe Genauigkeit kann sogar dabei helfen, eventuelle Lecks in Hochdruck-Erdgassystemen zu erkennen. Die hermetisch dichten Sensoren arbeiten zwischen 0 bar und 260 bar mit einer Genauigkeit von 1% bis 3% des Höchstdrucks über den gesamten Arbeitsbereich. Außerdem hat Sensata einen speziellen kombinierten Druck- und Temperatursensor bis 35 bar für LPG-Druckregler im Programm. Das Sensorenprogramm erfüllt die Normen ISO 15500 und UN ECE R110 für CNG und R67 für LPG.

Zweiter Schritt: Hybridisierung

Ebenfalls als Zwischenschritt auf dem Weg vom herkömmlichen, ausschließlich vom Verbrennungsmotor angetriebenen Automobil zum reinen Elektrofahrzeug gelten die verschiedenen Hybrid-Konzepte mit einer Kombination aus Elektro- und Otto- bzw. Dieselmotor. Ein wichtiges Detail bei zumindest teilweise rein elektrisch fahrenden Konzepten: Alle Nebenaggregate wie Pumpen für Klimaanlage und Servolenkung oder der Bremskraftverstärker, die der Verbrennungsmotor bisher angetrieben hat, müssen jetzt aktiv elektrisch gespeist werden.

Weil beim Betrieb dieser Nebenaggregate am 12-V-Bordnetz sehr hohe Ströme fließen können und geschaltet werden müssen, gibt es Konzepte mit einem weiteren Bordnetz deutlich höherer Spannung. Beide Ansätze kann EBV mit seinen Herstellern abdecken. Für diese Anwendungen bietet die »Brushless DC«-Technik als Quasi-Wechselstromantrieb viele Vorteile in Bezug auf Wirkungsgrad und Robustheit. Bei der Konzeption solcher Antriebslösungen kann EBV seine bestehende Kompetenz bei Umrichter-Ansteuerungen einbringen und auch bei der erforderlichen galvanischen Trennung wertvolle Hilfestellungen leisten, egal ob diese nun kapazitiv, optisch oder induktiv erfolgen soll.

Darüber hinaus verfügen die EBV-Ingenieure über viel Know-how rund um IGBTs und MOSFETs und können auf Wunsch komplette Konzepte für drei- oder zweiphasige Ansteuerungen liefern.
Für einen elektrischen Antrieb - ob in Reinform oder als Hybrid - sind ganz neue Aspekte zu berücksichtigen. Wie zum Beispiel lässt sich ein solches Fahrzeug beheizen, wenn die Abwärme eines Verbrennungsmotors nicht zur Verfügung steht?

Und welche Gefahr geht für andere Verkehrsteilnehmer von einem Fahrzeug aus, das zumindest im Bereich niedriger Geschwindigkeiten quasi lautlos durch die Straße rollt? Hier wird der Gesetzgeber schon aktiv, einer aktuellen Vorschrift nach müssen die Fahrzeuge bei Geschwindigkeiten bis 30  Stundenkilometer aus Sicherheitsgründen entsprechende Geräusche produzieren. Und so experimentiert der französische Hersteller Citroen für sein Projekt eines Elektroautos gerade mit Sound-Generatoren, bei der über eine aktive Verstärkerstufe eine passende Geräuschkulisse auf Außenlautsprecher geht.

Hier sehen Fachleute eine interessante Möglichkeit der Differenzierung für die Fahrzeughersteller, ähnlich dem heute üblichen Sound-Design bei Auspuffanlagen. Im Hybridbetrieb, aber auch für eine Treibstoff-ersparnis im Stadtverkehr oder im Stau mit herkömmlichen Motoren, sind elektronische Start/Stop-Systeme nötig. Solche Schaltungen müssen mithilfe intelligenter Steuerungsalgorithmen die optimalen Zeitpunkte und Intervalle für das Umschalten zwischen beiden Betriebsarten erkennen und über Mehrphasen-Ausgänge für die Ansteuerung kombinierter Starter/Generator-Aggregate verfügen.

So stellt Texas Instruments eine Start/Stop-Lösung auf Basis des »C2000«-DSPs vor, mit der sich in einem Baustein sowohl schnelle Regelschleifen als auch umfangreiches Systemmanagement realisieren lassen. Die mathematisch effiziente »Piccolo«-CPU kann in Verbindung mit leistungsfähigen PWM- und A/D-Wandlereinheiten mehrphasige Boost-Wandlerstufen über einen weiten Bereich von Betriebspunkten steuern. Auch ein Betrieb mit nur einer oder zwei Phasen bei niedriger Last für bessere Effizienz ist möglich.

Bei einer vierphasigen Boost-Implementierung (Bild 2) lassen sich zum Beispiel jeder MOSFET über eine hoch auflösende PWM-Stufe mit einer Flankengenauigkeit von 150 ps ansteuern und so weiche PWM-Schaltgeschwindigkeiten von 100 KHz bis über 500 KHz erzielen, ohne unliebsame »Limit Cycle«-Oszillationen durch zu niedrig aufgelöste Pulsbreitenmodulation.

Batterie-Manager

Ein wesentliches Element eines Hybridantriebs ist die Umwandlung der Bremsenergie in elektrische Energie und deren Speicherung für einen späteren Abruf. Als Speicher dient ein Batterieblock, meist auf Lithium-Ionen-Basis, mit einer Spannung im Bereich von 400 V. Ein ausgefeiltes Batteriemanagementsystem (BMS) muss die Batterie stets im optimalen Betriebszustand halten. Zu den Aufgaben des BMS gehören die Überwachung des zulässigen Spannungsbereichs und der Temperatur, die Bestimmung des Ladezustands sowie das sichere Trennen der Batterie vom Rest des Fahrzeugs.

Da sich die Dauer des Lade- und Entladevorgangs nach der schwächsten Zelle in einer Reihe richtet, lädt und entlädt ein einfaches, nicht ausgeglichenes BMS die Batterie nur teilweise, zum Beispiel von 30% Entladung auf 80% statt von 0% auf 100%. Als Folge verringert sich die nutzbare Energiedichte, und wertvolle Ressourcen bleiben ungenutzt. Das so genannte »Cell Balancing« spielt also eine wesentliche Rolle für die Reichweite eines Hybrid- oder Elektroantriebs.

Passive Systeme gleichen die Ladung nur im Lademodus aus, indem die Ladung der stärksten Zelle über einen Ladewiderstand abgegeben wird. Da ein aktives System hingegen sowohl im Lademodus als auch im Betriebsmodus Energie zwischen Batteriezellen überträgt, steigt die Effektivität im Vergleich zu passiven Systemen um mindestens 10%. Hauptkomponente der aktiven Ausgleichsschaltung, wie sie beispielsweise von Infineon, National Semiconductor, Texas Instruments oder Atmel angeboten wird, ist ein Wandler, mit dem die Energie zwischen den Batteriezellen verschoben wird.

Der bidirektionale Wandler ermöglicht zwei unterschiedliche Ausgleichsmethoden: Beim »Bottom Balancing« wird die schwächste Zelle bestimmt und anschließend als erste Zelle des Satzes geladen, während beim »Top Balancing« der Energieüberschuss der stärksten Zelle gleichmäßig im gesamten Zellensatz verteilt wird. Ein großer Li-Ionen-Akku für den Fahrbetrieb kann ein höheres Explosions- und Brandrisiko darstellen als der Benzintank.

Ein Kurzschluss hat meist massive Folgen für Elektronik, Auto und Fahrer, daher sind umfangreiche und zuverlässige Sicherheitsfunktionen unverzichtbar, je nach Fahrzeugkonzept muss das System Sicherheitsanforderungen bis zum Level »ASIL-D« erfüllen. Hier bietet die Dual-Core-Lockstep-Mikrocontroller-Familie »TMS570« von Texas Instruments auf Basis der »Cortex-R4F«-Architektur eine benutzerfreundliche Methode zur Implementierung von SIL-3/ASIL-D-konformen Lösungen.

Doch nicht nur der Controller des Batteriemanagementsystems muss sicher sein, zwischen den Controllerstufen und der Leistungsstufe sitzt ebenfalls aus Sicherheitsgründen oft so genannte »Glue Logic« mit verschiedenen Logikfunktionen. Dieser funktionale  Ansatz lässt sich aber auch in einem FPGA sehr gut realisieren, denn dann können Entwickler in den Logikblöcken des FPGAs noch weitere sinnvolle Sicherheitsfunktionen flexibel integrieren. EBV kann über die Produkte der Hersteller in der Linecard nicht nur die komplette Elektronik für das Batteriemanagement abdecken, sondern auch Sicherheitselektronik speziell für Hybrid-Systeme konzipieren und liefern. Referenzdesigns mit Hard- und Softwareunterstützung können auch hier wertvolle Entwicklungszeit einsparen helfen.

Die letzte Stufe: Das Elektrofahrzeug

Natürlich steigt die Bedeutung des Batteriemanagements bei reinen Elektrofahrzeugen noch, denn hier ist Reichweite alles. Ist der Akku leer, bleibt das Elektroauto stehen. Und reichen im Hybridbetrieb oft Elektro-Antriebsmotoren mit beispielsweise 15 kW Leistung aus, muss der Hochstrom-Motor eines reinen Elektrofahrzeugs als alleiniger Antrieb Leistungen bis über 100 kW abgeben. Wechselrichter, die einen solchen Motor steuern, erfordern ausgefeilte Steuerungen mit Mikrocontrollern, die strikte Sicherheitsanforderungen erfüllen. Denn sie müssen nicht nur den Antrieb zuverlässig steuern, sondern auch kontrolliertes und sicheres Abbremsen mit Energie-Rückgewinnung gewährleisten.

Zudem muss die Steuerung die Ausgänge der PWM-Stufen ebenso überwachen wie angeschlossene Sensoren, und das alles eingebettet in ein übergeordnetes Sicherheitskonzept. Galvanische Trennung ist hier ebenfalls von großer Bedeutung. Auch bei der Entwicklung von Spannungswandler- und Wechselrichtersystemen für solche Antriebe im Gleich- und Wechselspannungsbereich kann EBV mit umfangreichem Know-how tatkräftig unterstützen. Das Wiederaufladen der Batterie am Stromnetz spielt bei zukünftigen Elektrofahrzeugen eine entscheidende Rolle, dieser Aufladevorgang erfolgt über AC/DC-Wandler im Fahrzeug für Eingangsspannungen von 110 V einphasig bis 380 V dreiphasig und mit verschiedenen Strömen von 16 A bis zu 63 A.

Natürlich spielt die Ladezeit für den Nutzer des Fahrzeugs eine wichtige Rolle, doch ist immer der beste Kompromiss mit der Langzeitalterung des Batteriepacks anzustreben. Eine geeignete Ladeschaltung muss zudem die Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) gewährleisten. Wesentlich ist auch die Kommunikation zwischen Ladeeinheit und dem zukünftigen »Smart Grid«, um zum Beispiel Ladezeiten mit günstigen Tarifen zu nutzen oder auch die Fahrzeugbatterie am Netz als Puffer für erneuerbare Energien nutzen zu können.

Als nahe liegende Lösung bietet sich eine Kommunikation über das Ladekabel an, die meisten Konzepte nutzen hier den »Power Line Communication«-Standard, aber auch drahtlose Techniken wie ZigBee oder andere Lösungen im ISM-Band sind denkbar und die RFID-Technik eignet sich für die eindeutige Identifikation des Stromkunden und Abrechnung über Vorauszahlungsmodelle. Seitens der Energieversorger gibt es viele Initiativen zur weiteren Standardisierung. Soll die Elektromobilität wirklich »grün« werden, muss sich die Energie-Infrastruktur jedoch noch erheblich ändern. Denn aus Sicht der Umwelt ist die »Elektrifizierung« des Individualverkehrs nur dann sinnvoll, wenn die Elektrizität nicht weitgehend oder ausschließlich aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe in den Kraftwerken gewonnen wird.