Nutzfahrzeuge wirtschaftlich elektrifizieren – so funktioniert’s!

Die grundsätzliche Aufgabe der Leistungselektronik besteht in der effektiven elektrischen Stromwandlung ohne mechanische Teile sowie der Anpassung des Spannungsniveaus. Dieser Vorgang wird in beinahe allen elektrischen Geräten vollzogen. In einem elektrischen oder hybriden Antriebsstrang findet die Spannungsanpassung z.B. zwischen Elektromotor und Batterie oder auch im Ladegerät statt. Auf diese Weise kann das Energiemanagement zwischen den jeweiligen elektrischen Komponenten innerhalb eines Antriebssystems angeglichen und optimiert werden. Dies kann die Effizienz des gesamten Antriebsstrangs deutlich verbessern.

Kostenverteilung im Antriebssystem

Die Anschaffungskosten, die die Leistungselektronik verursacht, liegen gemessen an den gesamten Anschaffungskosten eines Elektrofahrzeuges bei etwa einem Prozent – vergleichsweise wenig, wenn man bedenkt, dass die Batterie oft bis zu 50 Prozent oder mehr der Kosten verursacht. Dementsprechend ist eine effiziente Nutzung der Batteriekapazität ein maßgebliches Kriterium für die Wirtschaftlichkeit eines Antriebsstrangs. Somit liegen die Anschaffungskosten für einen Motor und einen passenden, hochwertigen Umrichter häufig unterhalb des Einsparpotenzials, das dadurch bei der Batteriegröße gewonnen werden kann – mit dem passenden Umrichter kann die Batterie also kleiner (und somit leichter und günstiger) gewählt werden, ohne dabei auf Reichweite verzichten zu müssen.

Der passende Umrichter

Wesentlichen Einfluss auf Effizienz und Wirtschaftlichkeit haben die gesamtheitliche Systemauslegung, also die Abstimmung der einzelnen Antriebskomponenten untereinander sowie die Optimierung auf das Lastprofil der Anwendung. Insbesondere bei Lastwechseln, also der Veränderung des Fahrverhaltens, kann es zu parasitären Stromschwingungen von einigen Hundert Ampere Amplitude kommen. Unter anderem diese "Nebenwirkungen" verursachen somit Effizienzverluste, die sich jedoch durch eine durchdachte, aufeinander abgestimmte Antriebsstrangsynthese sehr stark reduzieren lassen.

Der Beitrag der Leistungselektronik

Doch wie funktioniert das? Wirkungsvolle Wechselrichter sorgen für eine sehr präzise Glättung der PWM-Frequenz, was bedeutet, dass bei Spannungswechseln Oberwellen reduziert werden. Die Folge ist eine möglichst hohe Reduktion von übermäßiger Abwärme, um Effizienzverluste zu vermeiden. Eine aktive Glättung dieser Spannungsripples kann teilweise auch durch die Zwischenschaltung eines DC/DC Wandlers erzielt werden. Gute Umrichter weisen außerdem eine schnelle Stromregelzeit auf. Eine möglichst eng getaktete Amplitudenabtastung ermöglicht eine reibungslose und somit verlustarme Motorenrotation. Der Effizienzvorteil, der mit einem guten Umrichter wie z.B. mit dem VECTOPOWER von ARADEX realisiert werden kann, kann für das gesamte System im Vergleich zu einer Auslegung mit handelsüblichen Umrichtern immerhin bis zu zehn Prozent betragen.

Hohe Leistungen und wirtschaftliche Antriebsstrang-Dimensionierung

Eine besondere Herausforderung für Traktionsantriebe ist die Bereitstellung des maximalen Drehmoments aus dem Stand, z.B. wenn es um Anfahrten am Berg geht. Hier kann mit einer zusätzlichen Kupplung oder einer Überdimensionierung des Antriebsstrangs, die dann auch solche Leistungsspitzen abdeckt, entgegengewirkt werden. Aber: Dies würde entsprechend höhere Kosten verursachen, wodurch in punkto Wirtschaftlichkeit merkliche Abstriche gemacht werden müssten. Außerdem würde dies zusätzlichen Bauraum erfordern und der stellt in Fahrzeugen generell eine sensible Größe dar. ARADEX bietet für die Leistungselektronik der VECTOPOWER-Familie eine andere Lösung an. Diese basiert auf der gängigen Lösung, die PWM-Frequenz zur Stromregelung der Leistungselektronik mit MOSFETs oder IGBTs zu realisieren. Dabei wird an der Tatsache, dass der limitierende Faktor im IGBT im Wesentlichen seine Betriebstemperatur ist und IGBTs normalerweise über eine Zeitverzögerung beim Temperaturanstieg verfügen, angesetzt. Mit Hilfe eines sehr genauen Simulationsmodells für die Temperaturmessung in Halbleitern können IGBTs so betrieben werden, dass während des Anfahrens bis zu 20% mehr Strom zur Verfügung steht. Meistens kann damit auf größere und teurere IGBTs sowie auf eine Überdimensionierung des Antriebes verzichtet werden.

Im Ergebnis ist durch das überaus präzise Simulationsmodell für die Temperaturmessung in Halbleitern eine hohe Ausreizung der Leistungsfähigkeit der IGBTs möglich. Durch die von ARADEX eingesetzte "Boost-Funktion" kann auch mit kleineren und damit günstigeren IGBTs eine hohe Leistung beim Anfahren ermöglicht werden. Durch das implementierte Halbleiter-Simulationsmodell zur Berechnung der IGBT-Temperaturen besteht keine Gefahr der Überhitzung des IGBT oder der Verringerung der Lebensdauer des Umrichters.

Antriebe wirtschaftlich auslegen

Die wesentlichen Parameter, die zu einem wirtschaftlichen Antriebsstrang beitragen, sind somit eine wirkungsvolle Leistungselektronik sowie ein präzise aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem. Hier bieten Systemanbieter wie ARADEX, die nicht nur alle Antriebskomponenten, sondern auch zahlreiche Dienstleistungen wie Planung, Dimensionierung und Auslegung des Antriebsstranges abdecken, klare Vorteile. Die Komponenten können präzise aufeinander abgestimmt werden, außerdem können etwaige Wechselwirkungen frühzeitig erkannt und gezielt unterbunden werden.