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Automotive ElectricLeistungselektronik im ­Automobilbereich

Entwicklungstrends und künftige Anforderungen
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Zunehmender Komfort sowie die Verknappung und Verteuerung von Primärenergieträgern werden in den nächsten Jahren und Jahrzehnten zu Veränderungen in der Automobiltechnik führen. Daher sind zum einen neue Konzepte auf Systemebene zu entwickeln, die das Bordnetz und den Antriebsstrang betreffen und zum anderen elektronische Komponenten für dieses Anwendungsfeld. (Dieser Beitrag ist eine bearbeitete und stark geküzte Fassung des Vortrags des Aachener Universitäts-Professors Dr. ir. Rik W. De ­Doncker auf dem ETG-Kongress 2005 in Dresden.)

Das momentan verfügbare 14-Volt-Bordnetz wird in Zukunft nicht mehr ausreichen, um die Energieversorgung der weiter ansteigenden Zahl elektronischer Verbraucher zu gewährleisten. Neben dem Ersatz von hydraulischen Systemen kommen neue Funktionen wie Brake-by-Wire und Steer-by-Wire für die Elektronik hinzu, sodass auch der Bedarf an elektronischer Leistung steigt. Die Beibehaltung der bisherigen Bordnetzspannnung hätte eine Vergrößerung der Leitungsquerschnitte zur Folge, um die Verluste im Bordnetz zu reduzieren. Die wesentlichen Nachteile dieser Lösung sind der Platzbedarf, die Masse und die Kosten des Kabelbaums. Daher werden zukünftige Bordnetze eine höhere Versorgungsspannung aufweisen, um die Ströme und die Leitungsquerschnitte gering zu halten.

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Als Alternative zu Straßenfahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren kommen mehrere Antriebskonzepte für die Leistungselektronik in Betracht: Hybridfahrzeuge mit Elektro- und Verbrennungsmotor, Wasserstoff-Fahrzeuge mit Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenfahrzeuge. Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht darin, durch die Steuerung und Regelung von Spannungen und Strömen die gewünschten Energieflüsse zwischen Brennstoffzellen, Generatoren, Motoren und Energiespeichern wie Batterien und Superkondensatoren sicherzustellen, wobei unterschiedliche Umrichtertopologien eingesetzt werden. Die Anbindung der Elektromotoren an den Zwischenkreis erfolgt über einen Wechselrichter, wohingegen der Generator einen Gleichrichter benötigt. Außerdem kommen zahlreiche DC/DC-Wandler zum Einsatz. Sie dienen beispielsweise der Anbindung von Hochleistungsbatterien und Brennstoffzellen. In Wasserstoff-Fahrzeugen mit Brennstoffzelle nutzt man diese zur Versorgung des Bordnetzes, wozu wiederum ein DC/DC-Wandler benötigt wird. Letztlich besteht die Möglichkeit, Klimaanlage und andere Hilfsaggregate mit dem Zwischenkreis zu koppeln. Daher wird ein Fokus der Entwicklung und Forschung auf dem Bereich der AC/DC-, DC/DC- und DC/AC-Wandler liegen.

Des Weiteren wird mittels Systemsimulationen eine Verbesserung des Gesamtsystems verfolgt. Neben der Untersuchung von regelungstechnischen Aspekten und des Energiemanagements wird die Simulation dazu dienen, Anforderungen an die einzelnen leistungselektronischen Systeme abzuleiten und auf diesem Wege das System zu optimieren.

Hinsichtlich des Automobileinsatzes gibt es sehr hohe Anforderungen an die Leistungselektronik. Durch den eingeschränkten verfügbaren Bauraum im Automobil wird ein hoher Integrationsgrad angestrebt, wodurch sowohl das Volumen als auch die Masse reduziert werden können. Dabei spielt nicht nur die Auswahl einer Topologie mit hohem Wirkungsgrad oder der Einsatz neuer Materialien eine große Rolle, sondern auch die Wahl des Kühlungskonzepts, damit die Entwärmung auch bei hohen Umgebungstemperaturen gewährleistet ist. Infolge der hohen Dichte an elektrischen Verbrauchern muss jedes leistungselektronische System außerdem den Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit genügen, damit es weder einen anderen Verbraucher stört noch selbst gestört wird.

Weil die Leistungselektronik in dieser Anwendung nicht nur unterschiedlichen Temperaturen, sondern auch Vibrationen ausgesetzt ist, werden bisherige Produktlösungen nicht eingesetzt werden können, um die angestrebte Zuverlässigkeit zu erzielen. Die neuen Lösungen werden aber neben den technischen Aspekten vor allem danach bewertet werden, inwiefern sie bei einer Massenmarktproduktion dem Kostendruck in der Automobilbranche Stand halten können. Rik De Doncker

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