Leistungselektronik: Richtiger Takt entscheidend

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Beim E-Antrieb ist die Leistungselektronik entscheidend für Effizienz, Komfort und Akustik. Um alle Anforderungen zu erfüllen, muss die Software variabel steuern.

Andreas Neemann,

Andreas Neemann hat mit seinen neugierigen Rückfragen schon manchen Zeitplan für Interviews strapaziert. Der Automotive-Autor mit Faible für komplexe Themen schreibt seit über zwei Jahrzehnten für ZF-Medien intern und extern.

Ein beherzter Tritt aufs Gaspedal, und sofort zeigen Elektroautos ihre beeindruckende Fahrdynamik. Anders als Verbrenner bringen elektrische Antriebe ihr hohes Drehmoment von der ersten Sekunde an auf die Straße. Und das mit sehr viel akustischem Understatement, verglichen mit den aufheulenden Motoren, die bei der Sprit-Fraktion eine solche Kraftentfaltung begleiten.

Leistungselektronik: Schaltzentrale für den E-Antrieb

Diese Dynamik ist es auch, die Ingenieuren mitunter Kopfzerbrechen bereitet – insbesondere, wenn es darum geht, Dynamik und effiziente Energienutzung zu vereinen. Für die ZF-Entwickler ist genau das ein zentrales Anliegen. Hier kommt die Leistungselektronik als zentrale Schaltstelle für den E-Antrieb ins Spiel: Sie sitzt in einem etwa 30 mal 30 Zentimeter großen Aluminiumgehäuse, das im Antriebsstrang zwischen Batterie und Elektromotor angeordnet ist. Ihre Aufgabe ist es unter anderem, den Gleichstrom aus der Batterie für den Einsatz in der elektrischen Maschine in Wechselstrom zu verwandeln. Der dafür verantwortliche Teil der Leistungselektronik heißt deshalb auch Wechselrichter oder Inverter. Hier sind vereinfacht gesagt mehrere Transistoren am Werk, die nichts anderes tun, als in extrem kurzen, sehr regelmäßigen Abständen an- und auszuschalten. Im angeschalteten Zustand leiten sie den Batteriestrom in Richtung Motor durch. Zusammen ergeben diese hochfrequenten Schaltvorgänge einen sinusförmigen Spannungsverlauf, der für die E-Maschine als ideale Traktionsenergie dient.

Die Leistungselektronik: Leitet die Traktionsenergie von der Batterie in den E-Motor weiter und wandelt dabei den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom. ZF-Software stellt die Frequenz dabei so variabel ein, dass weder Effizienz, Komfort, NVH-Verhalten noch die Lebensdauer der Batterie leidet.

Software für die Transistoren

„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.

„Allein durch Software für eine variable Schaltfrequenz können wir die Reichweite von E-Antrieben um bis zu 1,5 Prozent erhöhen.“

Olaf Moseler, Leiter Softwarefunktionsentwicklung elektrischer Antrieb

Variable Schaltfrequenz löst den Zielkonflikt

Die Lösung bringt eine Steuersoftware, die die Schaltfrequenz der Transistoren im Wechselrichter variiert. Sie sitzt im Niedervolt-Bereich einer jeden Leistungselektronik von ZF auf einem Microcontroller. „Dank variabler Schaltfrequenz können wir für jeden Arbeitspunkt des E-Antriebs das Optimum aus dem System herausholen“, so Moseler. Die Systementwickler bei ZF verfügen über eine große Erfahrung und viele Messdaten, um zu wissen, in welchen Betriebspunkten es sich lohnt, die Schaltfrequenz anzupassen. Gerade den Stromverlusten durch die Schaltvorgänge selbst geht ZF auf diese Weise an den Kragen: „Wir können die systemeigenen Verluste um bis zu 900 Watt reduzieren“, so Moseler. „Das führt zu einem Reichweitengewinn von 0,5 bis 1,5 Prozent.“

Was mit einer festen Schaltfrequenz nicht gelingt, ermöglicht eine variable Schaltfrequenz: jeweils das Optimum für bestimmte Anforderungen herauszuholen.