Elektrische Effizienz auf der Überholspur

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Mit seinem 800-Volt-Antriebssystem sorgt ZF für kürzere Ladezeiten. Die dabei eingesetzte Siliziumkarbid-Leistungselektronik steigert gleichzeitig die Reichweite von E-Fahrzeugen.

Kathrin Wildemann,

Kathrin Wildemann gehört seit 2016 zum festen Autorenteam bei ZF. In On- ebenso wie in Offline-Beiträgen beschäftigt sie sich bevorzugt mit Elektromobilität und anderen Nachhaltigkeitsthemen.

Es ist noch nicht so lange her, da artete eine Überlandfahrt mit einem E-Auto nach minutiöser Streckenplanung am Ende einer Etappe doch wieder in einer Geduldsprobe aus. War schließlich eine der seltenen Ladesäulen nach gut 100 Kilometern mit fast leerer Batterie erreicht, konnten Fahrer und Passagiere die nun folgende mindestens einstündige Zwangspause für ein ausgiebiges Mittag- oder Abendessen nutzen. Inzwischen hat sich vieles zum Guten verändert: Es gibt nicht nur mehr und schnellere Ladepunkte, auch hat sich die Reichweite moderner Elektroautos erheblich vergrößert. Doch trotz Fortschritten bei Ladeinfrastruktur und elektrischer Kilometerleistung herrscht bei vielen Menschen noch eine E-Skepsis vor. Kein Wunder, dass sich viele Automobilhersteller und deren Zulieferer auf die Frage konzentrieren, wie sich die Ladezeit der Stromer auf die Dauer einer Kaffeepause bringen lässt.

Spannung rauf, Ladezeit runter

Physikalisch ist die Antwort simpel. Schnelleres Laden erfordert, dass in der gleichen Zeit mehr Strom in die Batterie fließt. Höhere Stromstärken bedeuten jedoch mehr Wärmeentwicklung, was dickere Kabel und aufwändigere Kühlsysteme erfordert. Wollen Hersteller diesen Mehraufwand vermeiden, müssen sie an der Spannung des Antriebssystems ansetzen. Je höher die Spannung, desto mehr Strom nimmt die Fahrzeugbatterie auf. Aktueller Standard für Elektroautos sind 400-Volt-Architekturen. Doch gerade im Premiumsegment setzen immer mehr Hersteller auf 800-Volt-Systeme. Einfache Erklärung: Bei dieser Antriebsspannung verkürzt sich die Ladezeit auf durchschnittlich etwa 10 Minuten pro 100 Kilometer Reichweite. Gleichzeitig steigt die Spitzenleistung der E-Antriebe – ein zusätzlicher Pluspunkt für sportliche E-Fahrzeuge.

Drei wichtige Vorteile von Leistungselektroniken mit Siliziumkarbid.

Aus der Formel E in die Serie

ZF ist bei der 800-Volt-Technik ganz vorne mit dabei. Als Vorreiter in der Elektromobilität verspricht der Technologiekonzern, elektrische Antriebslösungen für Fahrzeuge aller Art zu liefern. Entsprechend breit sind sowohl das Wissen über die einzelnen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs als auch darüber, wie sich die einzelnen Bestandteile zu einem optimal konfigurierten, leistungsstarken und effizienten Gesamtsystem integrieren lassen. Der 800-Volt-Antrieb von ZF hat seinen Ursprung im Rennsport. Für die aktuelle Saison 2020/2021 der Rennserie Formel E haben die ZF-Rennsportingenieure einen Hochleistungs-Antriebsstrang auf 800-Volt-Basis für Technologiepartner Mahindra Racing entwickelt. Bestandteil des Antriebspakets ist eine besonders effiziente Siliziumkarbid-Leistungselektronik. „Für unseren Hochvolt-Pkw-Antrieb konnten wir auf den Erfahrungen aus der Formel E aufbauen. Dabei nutzen wir Synergien mit unseren etablierten 400-Volt-Produkten“, sagt Weichen Ye. Der Entwickler bei ZF in Shanghai ist Experte für die 800-Volt-Technik. Das inzwischen entstandene System trifft bei den Marktanforderungen offensichtlich ins Schwarze. „Derzeit bereiten wir unseren ersten Serienanlauf vor. Vom nächsten Jahr an werden ein europäischer und chinesischer Automobilhersteller gleich mehrere ihrer Premiummodelle mit unserem kompletten Hochvolt-Antriebsstrang ausstatten“, freut sich Ye.

„Für unseren 800-Volt-Antrieb konnten wir auf den Erfahrungen aus der Formel E aufbauen.“

Weichen Ye, Entwickler bei ZF in Schanghai

Neuer Halbleiter der Leistungselektronik für mehr Reichweite

Für die Effizienz der 800-Volt-Architekturen spielt die Siliziumkarbid-Leistungselektronik eine entscheidende Rolle. Während die höhere Systemspannung die Ladezeiten reduziert, trägt das neue Halbleitermaterial zur höheren Reichweite der E-Fahrzeuge bei. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Siliziumkarbid können die Chips zehnmal dünner ausgelegt werden als klassische Silizium-Chips. Damit geht beim Durchfließen der Leistungselektronik weniger Strom verloren. Auch haben Siliziumkarbid-Wechselrichter geringere Einschaltverluste, was sich bei den erhöhten Schaltfrequenzen der 800-Volt-Technik positiv bemerkbar macht. „Im Vergleich zu den bisher üblichen Silizium-Wechselrichtern haben Siliziumkarbid-Chips bei gleicher Leistungsfähigkeit gerade für Hochvolt-Antriebe einen deutlich höheren Wirkungsgrad. Damit kann unsere Siliziumkarbid-Leistungselektronik die Reichweite um bis zu sieben Prozent steigern“, erklärt Dr. Stefan Hain. Er verantwortet die Halbleiterentwicklung in der ZF-Division Electrified Powertrain Technology. Das Modul überzeugt sowohl als Teil des Hochvolt-Antriebsstranges als auch als einzelne Komponente.

95 %

ist die Höhe des Wirkungsgrades im WLTP-Zyklus, den batterieelektrische Fahrzeuge mit Siliziumkarbid-Leistungselektroniken von ZF erreichen.