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Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge: Der elektrische Antriebsstrang

| Autor / Redakteur: Mark Patrick / Benjamin Kirchbeck

Der Schlüssel zur bestmöglichen Nutzung der Batteriekapazität liegt in der Entwicklung hocheffizienter Antriebselektronik. Welcher Entwicklungsstand dabei mittlerweile erreicht ist und welche Herausforderungen noch warten, lesen Sie in diesem dritten Teil der Serie.

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Bislang war die etablierte IGBT-Technologie das bevorzugte Schaltbauteil. Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, sind jedoch höhere Schaltfrequenzen erforderlich, was die IGBTs an ihre Grenzen bringt.
Bislang war die etablierte IGBT-Technologie das bevorzugte Schaltbauteil. Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, sind jedoch höhere Schaltfrequenzen erforderlich, was die IGBTs an ihre Grenzen bringt.
(Bild: Mouser)

Sobald die Zahl der Fahrzeuge mit Elektroantrieb jene der Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen übersteigt, dann wird dies zum zweiten Mal in der Geschichte der Fall sein. Das Interesse an der Elektrifizierung von Pferdekutschen geht bis in die 1820er Jahre zurück, wobei bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts ein Drittel des gesamten Verkehrs auf Elektrofahrzeuge entfiel. In New York gab es sogar eine Flotte von mehr als 60 Elektro-Taxis. Mit der Einführung des serienmäßig produzierten Ford Model-T und der Entdeckung neuer Ölquellen wurde die Produktion von Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen jedoch billiger. Das Ende der ersten Ära des Elektroautos war unausweichlich, stattdessen trat der Verbrennungsmotor in den Vordergrund. Etwa 60 Jahre später weckte das arabische Ölembargo der 1970er Jahre sowie der elektrische Lunar Rover der NASA auf dem Mond das Interesse an Elektrofahrzeugen wieder. Leider führte die Diskrepanz in der Energiedichte zwischen fossilen Brennstoffen und der verfügbaren Batterietechnologie in Verbindung mit einer noch nicht ausgereiften Halbleiterindustrie dazu, dass Elektrofahrzeuge der Verbrennungsmotor-Technologie meilenweit hinterher hinkten.

In vorherigen zweiten Teil der Serie über die Akkus wurde erörtert, wie die Verfügbarkeit neuer Batteriechemikalien uns weit genug vorangebracht hat, um eine rentable Industrie für Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge zu etablieren. Damit Fahrzeuge jedoch möglichst viel dieser gespeicherten Energie in Traktion umwandeln können, sind hocheffiziente elektronische Schaltungen erforderlich. Die heutigen Elektrofahrzeuge können rund 60% der Batterieenergie auf die Räder übertragen. Bei der konventionellen Verbrennungsmotortechnologie sind es nur etwa 21%.

Implementierung eines Elektroantriebs

Bei der Implementierung eines Elektroantriebs werden typischerweise zwei Ansätze verfolgt: Beim einen Ansatz wird der Elektromotor zusammen mit einem Getriebe in der Nähe der Fahrzeugachse platziert, beim anderen Ansatz werden die Motoren direkt in die Räder eingesetzt.

Im ersten Ansatz kann ein einzelner Motor an einer Achse für den Zweiradantrieb verwendet werden und zwei Motoren, einer an jeder Achse, können für den Allradantrieb verwendet werden. Dieser Ansatz kann leicht mit der traditionellen Verbrennungsmotor-Technologie gekoppelt werden, um einen Hybrid-Antriebsstrang zu implementieren. Lösungen wie der Bosch eAxle vereinen Motor, Leistungselektronik und Getriebe zu einer skalierbaren und kompakten Lösung. Mit einem Gewicht von ca. 90 kg, einem Leistungsbereich von 50 bis 300 kW und einem Drehmoment von 1000 bis 6000 Nm ist sie für alle Arten von Personenkraftwagen bis hin zu leichten Nutzfahrzeugen geeignet. Ähnlich konstruiert ist der High Voltage Axle Drive von Continental.

Beim zweiten Ansatz wird in jedes Rad ein Motor eingebaut. Dieses Konzept wird als Radnabenmotor bezeichnet und unter anderem von Protean Electric umgesetzt. Der ProteanDrive Pd18 vereint Elektromotor, Bremsscheibe und Umrichterelektronik in einem 36kg schweren Design, das in ein 18-Zoll-Rad passt. Mit einer Spitzenleistung von 80 kW (dauerhaft 60 kW) pro Rad wird das Gewicht des Fahrzeugs auf die äußeren Eckpunkte verteilt. Die Übertragung des Antriebs auf jedes einzelne Rad vereinfacht auch den Aufbau der Drehmomentverteilung im Differential. Da der Motor und die Elektronik um die Fahrzeugaußenseiten herum angeordnet sind, bleibt vorne und hinten mehr Platz für Gepäck oder die Akkus.

Der Elektroantrieb nutzt Schaltumrichter, um die Batteriespannung (typischerweise etwa 400Vdc) effizient auf die für die Traktion erforderliche Spannung herunter zu transformieren. Dieser Ansatz ähnelt dem in heutigen digitalen Stromversorgungen verwendeten Verfahren. Da der Antriebsstrang ein sicherheitskritisches System ist, müssen die in jedem Motorantrieb verwendeten Komponenten eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. Die Risiken, die bei einem plötzlichen Leistungsverlust eines mit hoher Geschwindigkeit fahrenden Autos im Verkehr auftreten können, lassen sich leicht bestimmen.

Bislang war die etablierte IGBT-Technologie das bevorzugte Schaltbauteil, weil sie die auftretenden hohen Spannungen und Leistungen zuverlässig beherrscht. Um höhere Wirkungsgrade zu erreichen, sind jedoch höhere Schaltfrequenzen erforderlich, was die IGBTs an ihre Grenzen bringt. Die Wide Bandgap (WBG)-Technologie, wie z.B. Siliziumkarbid (SiC), verdrängt langsam die IGBTs aufgrund ihres geringeren Einschaltwiderstands, der höheren Betriebstemperatur und der verlustarmen Transientenschaltung. Bedenken in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit und die Belastungen, die höhere Schaltfrequenzen für die Motorwicklungen bedeuten könnten, haben ihren Einsatz gebremst. Wenn diese Technologie jedoch besser verstanden wird, sollten sich diese Bedenken zerstreuen.

Auch Nutzfahrzeuge sind von ökologischen Initiativen zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes betroffen. Studien von Siemens haben die Einführung von Freileitungen (Oberleitungen) auf einigen Autobahnen auf der ganzen Welt untersucht. Ziel ist es, Hybrid-Lastwagen mit einer Technologie auszustatten, die über einen Stromabnehmer elektrische Energie sowohl für den Antrieb als auch zum Aufladen während der Fahrt bezieht. Ein solches System könnte auch auf Straßen rund um Logistikzentren umgesetzt werden, um lokale Emissionen zwischen Gewerbegebieten und Autobahnen in Städten und Gemeinden zu reduzieren. Anbieter wie Infineon bieten beispielsweise mit dem PrimePACK bereits Hochleistungs-IGBT-Schaltlösungen in robusten Gehäusen an, die den enormen elektrischen und mechanischen Belastungen solcher Anwendungen standhalten können.

Offensichtlich sind alle erforderlichen Teile vorhanden, um den elektrischen Antriebsstrang zu einem Erfolg zu machen, von privaten Personenfahrzeugen bis hin zu allen Arten von Nutzfahrzeugen. Die jüngsten Fortschritte in der Leistungselektronik werden die Reichweite erhöhen und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und vor allem die Sicherheit aufrechterhalten. Stromabnehmer können zwar die Ladeprobleme bei Nutzfahrzeugen lösen, aber die privaten Verkehrsteilnehmer sind von komfortablen Lademöglichkeiten an der Tankstelle noch weit entfernt. Die Entwicklung im Bereich Ladekonzepte für Elektrofahrzeuge zur Lösung dieses Problems wird in unserem nächsten Blog untersucht.

Teil 1: Die Elektromobilität und ihre Herausforderungen

Teil 2: Die Akku-Packs

Teil 4: Die Ladekonzepte

Teil 5: Die Wasserstoff-Brennstoffzellen

Teil 6: Ein Ausblick auf das Jahr 2030

* Mark Patrick ist für Mouser Electronics als Technical Marketing Manager tätig.

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