Leistungselektronik: Richtiger Takt entscheidend

„In der Frühzeit der Elektromobilität schalteten die Transistoren in der Leistungselektronik mit einer festen Taktfrequenz, die zwischen 8 und 10 Kilohertz lag“, erklärt Olaf Moseler, bei ZF verantwortlich für die Softwarefunktionsentwicklung beim elektrischen Antrieb. Heute ist eine feste Taktfrequenz nicht mehr mit den vielfältigen Anforderungen an die Leistungselektronik vereinbar. Schließlich soll sie nicht nur den E-Motor mit Wechselstrom versorgen. Daneben hat die Leistungselektronik eine ganze Reihe weiterer Aufgaben. So ist sie auch dafür zuständig, die im Generatorbetrieb bei rekuperierenden Bremsen entstehende elektrische Energie gleichzurichten und in die Batterie einzuspeisen. Für weitere Herausforderungen sorgen Fahrerinnen und Fahrer, die die eingangs geschilderte Fahrdynamik genießen und entsprechend mit dem Gaspedal spielen: erst hoher Leistungsabruf, dann geruhsames Cruisen. Hoch sind auch die Erwartungen an Komfort und ein gutes NVH-Verhalten, also an ein möglichst geräusch- und vibrationsarmes Fahren (NVH = Noise, Vibration, Harshness). Und vor allem ist da der Wunsch nach maximaler Effizienz, also viel Reichweite pro Kilowattstunde. „Wir haben inzwischen einen Zielkonflikt – eine ‚richtige‘ Schaltfrequenz gibt es nicht mehr“, sagt Moseler. Schalten die Transistoren mit hohen Taktfrequenzen um die 14 Kilohertz, ist das sehr gut für die Dynamik. Der Strom weist dann einen geringen Rippel auf, also nur wenige unerwünschte schnelle Schwingungen, die einen gewünschten Gleichstrom überlagern. Der geringe Rippel führt in der E-Maschine zu niedrigen Verlusten. Mit jedem Schaltvorgang an einem Transistor kommt es allerdings zu signifikanten elektrischen Verluste. Hohe Taktfrequenzen führen also zu hohen Energieverlusten in der Leistungselektronik. Auf der anderen Seite sind geringe Schaltfrequenzen um die 2 Kilohertz zwar höchst effizient, führen aber zu höheren Rippelströmen und sind auch im Hinblick auf die Akustik eine Herausforderung.