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Leistungselektronik für perfekte E-Antriebe

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Tags: NullEmissionen, Effizienz, Motorsport, Elektromobilität
Die Leistungselektronik ist bei Elektrofahrzeugen maßgeblich für die Effizienz des Antriebs. ZF sammelte im Rennsport frühzeitig Erfahrungen mit dem neuen Halbleitermaterial Siliziumkarbid – das nun auch in der Serie für handfeste Vorteile sorgt.
Stefan Schrahe, 31. März 2021
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Stefan Schrahe schreibt seit drei Jahrzehnten über alles, was vier Räder hat. Privat bewegt er sich gerne auf Zweirädern – auch da am liebsten motorisiert.
Liebhaber exklusiver Motoren kennen das: In den Anfangstagen elektronischer Motorsteuerungen hatten die Konstrukteure auf dem Papier zwar alles richtig gemacht und ihre Vier-, Sechs- oder Achtzylinder nach den modernsten Erkenntnissen ausgelegt. Aber eine rätselhafte Drehmoment-Delle, schlechtes Ansprechverhalten beim Übergang vom Teil- in den Volllastbetrieb oder ein exorbitanter Kraftstoffverbrauch vermiesten oft den Fahrspaß. Beim „Mapping“ von Gemischaufbereitung, Einspritz- und Zündzeitpunkt trennte sich oft die Spreu vom Weizen. Denn erst die Feinabstimmung macht aus einer ambitionierten Konstruktion den perfekten Motor.

Das ist bei Elektromotoren kaum anders. Darüber, wie er sich anfühlt, wie effizient er arbeitet und wie spontan er die Befehle des Fahrers umsetzt, entscheidet die Leistungselektronik. Ihre Aufgabe ist es, maximal viele Elektronen aus den Antriebsbatterien in die Wicklungen der E-Maschine zu schicken – ohne durch den Innenwiderstand der Leitungen oder interne Schaltverluste allzu viel Schwund zu erzeugen. Im Idealfall sind die fast masselosen Elementarteilchen auf diesem Weg mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Auch das erklärt das vollkommen andere, sehr direkte Ansprechverhalten von Elektro- gegenüber Verbrennungsmotoren mit flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen.
Die dabei entscheidenden Bauelemente sind die Leistungshalbleiter. Ähnlich wie Einspritzventile die Kraftstoffmenge regulieren, stehen sie den Elektronen im Weg – zumindest im Ruhezustand. Der Halbleiter macht erst den Weg frei, wenn Spannung angelegt oder ein elektrisches Feld erzeugt wird.

Die Leistungselektronik muss den Zufluss an Elektronen exakt dosieren, um die Leistung des Elektromotors an die Fahrsituation anzupassen. Aber die Steuerzentrale des Antriebsstrangs hat noch eine weitere wichtige Aufgabe: Denn die Antriebsbatterie, meist ein Lithium-Ionen-Akku, kann ausschließlich Gleichstrom aufnehmen und abgeben. Moderne E-Antriebe in Autos arbeiten jedoch mit Wechselstrom. Die Leistungselektronik wandelt Batterie-Gleichstrom in Antriebs-Wechselstrom – und umgekehrt. Denn wenn das Fahrzeug bremst und der Elektromotor als Generator arbeitet, muss der dabei erzeugte Wechselstrom zunächst gleichgerichtet werden, bevor er in der Batterie gespeichert wird.
„Die Formula E ist für uns ein Versuchslabor, aus dem Erfahrungen und Erkenntnisse kontinuierlich in die Serienentwicklung einfließen.“
— Dr. Otmar Scharrer, Senior Vice President R&D E-Mobility, ZF Friedrichshafen AG

Leistungselektroniken für 400-Volt-Architekturen gehören längst zum ZF-Produktportfolio in Serienfahrzeugen. Auch für Antriebe mit erhöhter Spannung liefert der Technologiekonzern dieses zentrale Element: „Derzeit arbeiten wir am Serienstart für verschiedene 800-Volt-Projekte“, sagt Dr. Otmar Scharrer, in der Division Electrified Powertrain Technology bei ZF zuständig für die Entwicklung elektrischer Antriebe. „Für mehrere Modelle eines chinesischen Herstellers liefern wir den kompletten elektrischen Antriebsstrang inklusive Leistungselektronik. Und für einen europäischen Sportwagenhersteller steuert ZF die Leistungselektronik für eine Hochvolt-Anwendung bei.“ Weitere Serienanläufe zeichnen sich bereits ab.

Höherer Wirkungsgrad dank Siliziumkarbid

Höherer Wirkungsgrad dank Siliziumkarbid
Alle bislang in Elektroautos eingesetzten Leistungshalbleiter basieren auf reinem Silizium. Das hat viele Vorteile. So lassen sich beispielsweise für die Herstellung der Siliziumkristalle und für deren Weiterverarbeitung die gleichen Prozesse nutzen wie für Computerchips. Mit steigender Spannung – Stichwort 800 Volt – werden die Halbleiter aber immer größer, während sich gleichzeitig im Fahrbetrieb ihr Wirkungsgrad verringert.
Daher setzt ZF erstmals auf eine neue Technologie: Statt Silizium-Transistoren kommen in der Leistungselektronik Bauteile aus Siliziumkarbid zum Einsatz. In diesem Material ist jedes Siliziumatom an vier Kohlenstoffatome gebunden – und umgekehrt. Kohlenstoffatome sind nicht nur kleiner als ihre Siliziumpartner, sondern binden auch die freien Elektronen enger an sich. So lässt sich dieselbe Spannung mit zehnfach dünneren Chips verarbeiten: Die Halbleiter eines 800-Volt-Antriebs sind nur etwa 100 Mikrometer dick und bieten einen deutlich geringeren Innenwiderstand.
Durch die Nutzung von Siliziumkarbid lässt sich die gleiche Spannung auf zehnfach dünneren Chips verarbeiten, die einen deutlich geringeren Innenwiderstand bieten.

Weniger Schaltwiderstände – mehr Reichweite und Effizienz

Weniger Schaltwiderstände – mehr Reichweite und Effizienz
Die internen Schaltverluste lassen sich mit Siliziumkarbid nochmals senken. Das ist besonders wichtig, weil die Leistungselektronik beim elektrischen Fahren und Rekuperieren einen enorm hohen Energiedurchsatz hat. Wenig Verluste wirken sich unmittelbar auf den Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Antriebsstrangs aus – und damit auf die Reichweite. Bei unveränderter Akkugröße kann ein Elektrofahrzeug mit einer Siliziumkarbid-Leistungselektronik etwa fünf bis sieben Prozent weiter fahren. Dank moderner Leistungselektroniken, wie sie ZF am bayerischen Standort Auerbach entwickelt, erreichen die Antriebe batterieelektrischer Fahrzeuge im WLTP-Zyklus bereits einen Wirkungsgrad von mehr als 95 Prozent.

Ähnlich wie die 800-Volt-Technologie kommen die innovativen Chips aus dem Rennsport: ZF hat Siliziumkarbid-Leistungselektroniken erstmals in der Formula E eingesetzt. Dr. Otmar Scharrer: „Die Formula E ist für uns ein Versuchslabor, aus dem Erfahrungen und Erkenntnisse kontinuierlich in die Serienentwicklung einfließen. Denn auch dort sind Ansprechverhalten und Effizienz enorm wichtige Kriterien, die über die Wettbewerbsfähigkeit eines Antriebsstranges entscheiden.“

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