Kommentar von Prof. Leo Lorenz Entwicklungstrends in der Leistungselektronik

Applikationsfeld Mobilität

Der Entwicklungstrend Mobilität kann unter dem Schlagwort „All Electric Drive“ zusammengefasst werden. Bei allen Fortbewegungssystemen angefangen vom E-Bike über Auto, Zug, Flugzeug und Schiff bis hin zu Arbeitsgeräten in Land- und Forstwirtschaft, Minenfahrzeugen und Baufahrzeugen werden die Antriebe auf Leistungselektronik umgestellt.

Zusätzlich werden die Fahrzeuge internetfähig, und zwar sowohl der elektrische Antrieb selbst als auch sämtliche leistungselektronische Stellglieder zur Spannungsanpassung, Energiewandlung und Lade-Infrastruktur.

Trotz der Tatsache, dass E-Autos, Hochgeschwindigkeitszüge und E-Traktoren bereits in den Markt eingeführt sind, steckt das Forschungsgebiet „All Electric Drive“ noch in den Kinderschuhen, vor allem wenn man die gesamte Infrastruktur einschließlich des erneut steigenden Energiebedarfs, der Energiespeicherung, der Batterieleistungsdichte, des Batterie-Managements, der Ladeeinrichtungen sowie der Versorgungssicherheit betrachtet. Das Applikationsfeld Mobilität ist das am schnellsten wachsende Feld mit dem größten Marktvolumen und das attraktivste für junge Ingenieure.

Beim Auto liegen die Entwicklungsschwerpunkte auf dem Powertrain, also dem elektrischen Antrieb, und einer Vielzahl leistungselektronischer Wandler zur Spannungsanpassung und zum Laden der Batterie. Man unterscheidet beim Batterieladen zwischen „Slow Charging“, zum Beispiel zu Hause in der Garage mit circa 3 kW, „Semi-fast Charging“ an Ladestationen mit circa 20 kW und „Fast Charging“ mit bis zu 350 kW hauptsächlich entlang der Autobahn. Eine weitere Unterscheidung erfolgt zwischen „On-Board Charger“ beim langsamen und mittelschnellen Laden und „Off-Board Charger“ beim schnellen Laden.

Die Schaltungstopologien reichen hierbei von sehr konventionellen Topologien zu intergrierten Umrichterkonzepten bis hin zum Wireless Charging. Da diese Ladekonzepte einschließlich der Kommunikation von der Ladesäule zum Auto zumindest in Deutschland, noch besser europaweit oder sogar weltweit standardisiert sein sollten, ist hier noch ein weiter Weg zu gehen.

Die einzelnen Ladekonzepte gehen heute noch nicht über Pilotversuche hinaus. Ferner muss berücksichtigt werden, dass vor allem beim Schnellladen entlang der Autobahn der Energiebedarf gedeckt sein muss.

Wollen beispielsweise 20 Autos gleichzeitig mit 350 kW laden, müssen kurzzeitig 7 MW elektrischer Energie zur Verfügung gestellt werden. Dies betrifft die lokale Netzversorgung, denn die Energie an so einem Leistungsanschluss muss typischerweise aus einem Mittelspannungsnetz zur Verfügung gestellt werden.

An die leistungselektronischen Wandler im Auto werden sehr hohe Ansprüche bezüglich der Leistungsdichte zur Reduzierung von Volumen und Masse, bezüglich des Wirkungsgrads zur Erhöhung der Laufweite, der Systemzuverlässigkeit und der Autolebensdauer auf mindestens 10 Jahre sowie bezüglich der Kosten gestellt. Als Leistungshalbleiter kommen dabei IGBTs (hauptsächlich für den Traktionsumrichter), Super-Junction-Technologien und Wide-Band-Gap-Halbleiterbausteine zum Einsatz.

Applikationsfeld Smart Energy

Das dritte wichtiges Anwendungsfeld der Zukunft  ist die „Smart Factory“. In einer Smart Factory gibt es zahlreiche leistungselektronische Stellglieder, die Roboter steuern, Transportwagen antreiben oder die Energieversorgung sicherstellen. Diese Energiewandler sind in konventionellen Topologien und Technologien realisiert. Die Besonderheit ist, dass sie IoT-fähig sein müssen und mit einer Kommunikationsschnittstelle ausgestattet sind, die den Cybersecurity-Maßnahmen standhält.