Continental Leistungselektronik weiter optimiert

Wenn es um Hybrid- und Elektrofahrzeuge geht, scheinen manche Zusammenhänge ganz einfach zu sein: Die Reichweite des elektrischen Antriebs wird durch die Batterie bestimmt, und dessen Beschleunigungsvermögen durch den Elektromotor. Doch in beiden Fällen ist noch ein weiterer Faktor entscheidend: der Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Antriebssystems – und den bestimmt in erster Linie die Leistungselektronik. Dieses elektronische System, das sowohl die Antriebsenergie als auch die Energierückgewinnung (Rekuperation) steuert, hat hierbei großen Einfluss. Zugleich ist es dafür verantwortlich, das Potenzial des elektrischen Antriebs voll auszuschöpfen und damit den Fahrspaß zu maximieren, der unter anderem aus dem hohen Anfahrdrehmoment und dem Ansprechverhalten von Elektromotoren resultiert. Der internationale Automobilzulieferer Continental, seit über 10 Jahren ein Innovationstreiber in der E-Mobilität, produziert diese Leistungselektronik heute bereits in zweiter Generation für fünf europäische Automobilhersteller. Jetzt steht die nächste Generation in den Startlöchern: Das noch kompaktere und leistungsfähigere System wird im August 2015 in Serie gehen.

"Die momentan etwas gedämpfte Euphorie gegenüber der Elektromobilität ändert nichts daran, dass elektrifizierte Antriebe langfristig eine entscheidende Rolle im Automobilmarkt spielen werden. Denn mit reinen Verbrennungsmotoren wird es zunehmend schwieriger, die weltweit immer strengeren Richtlinien einzuhalten, die allein bis 2020 Reduzierungen von 20 bis 35% bei Kraftstoffverbrauch und CO₂-Emissionen erFordern", sagt Dr. Bernd Mahr, Leiter des Geschäftsbereichs Hybrid Electric Vehicle, der zur Continental-Division Powertrain gehört. "Bei den elektrifizierten Antrieben sehen wir in Zukunft eine starke Fokussierung auf zwei Marktbereiche: Zum einen auf Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge, weil sie im täglichen Bedarf rein elektrisch gefahren werden können, zugleich aber Fahrten ohne Reichweiteneinschränkung ermöglichen. Zum anderen auf Fahrzeuge mit Hybridsystemen auf 48-Volt-Basis. Denn diese neue Technologie lässt sich mit wenig Aufwand in die Architektur konventionell angetriebener Fahrzeuge integrieren und führt zu deutlichen Kraftstoffeinsparungen – und das bei akzeptablen Kosten." Continental wird sein "48 Volt Eco Drive"-System bereits 2016 auf den Markt bringen.

Dritte Generation mit sechsfacher Leistungsfähigkeit und reduziertem Gewicht

"Neben der Funktionalität und Effizienz der Leistungselektronik sind der Platzbedarf und das Gewicht wichtige Kriterien für die Automobilhersteller. Deshalb arbeiten wir ständig daran, die Leistungsdichte unseres Systems – also das Verhältnis von Leistung und Größe – weiter zu erhöhen", sagt Axel Weber, Leiter Entwicklung Leistungselektronik des Geschäftsbereichs Hybrid Electric Vehicle. "So hat die dritte Generation unserer Leistungselektronik die sechsfache Leistungsfähigkeit der ersten Generation. Das bedeutet, dass damit ein sechsmal so starker Motor betrieben werden kann. Zugleich wurde das Gewicht des Systems von ursprünglich rund 12 auf heute rund 8 kg reduziert." Die Kosten in Relation zur Leistung (Preis pro kW) seien ebenfalls deutlich gesunken, und auch die Entwicklungszeit habe sich verkürzt. Das Einsatzspektrum dagegen sei noch breiter geworden.

"In Serie geht die neue Systemgeneration im Sommer in Plug-in-Hybriden. Sie ist aber auch in reinen Elektrofahrzeugen einsetzbar sowie in allen Fahrzeugsegmenten bis hin zu leistungsstarken Sportwagen", so Weber. Und vom weiter gewachsenen Know-how in puncto E-Mobilität würden auch andere Continental-Systeme profitieren. "Unser ‚48 Volt Eco Drive’ basiert zum großen Teil auf Erfahrungen, die wir bei der Entwicklung der Leistungselektronik gesammelt haben. Und natürlich werden auch unsere jüngsten Erkenntnisse und Innovationen in die 48-Volt-Technologie einfließen." Der Continental-Experte tritt auch in einem neuen Video auf, das die Funktion der Leistungselektronik anschaulich darstellt und die Innovationen der dritten Generation erläutert.

Schaltzentrale zwischen Elektromotor, Batterie und 12-Volt-Bordnetz

Die Leistungselektronik von Continental ist als modularer und skalierbarer Baukasten angelegt und kommt in einem breiten Fahrzeugspektrum zum Einsatz: vom Mildhybrid bis zum Elektroauto und vom Kleinwagen bis zur Luxuslimousine. Das System ist eine Schlüsselkomponente jedes elektrifizierten Antriebs, denn es versorgt sowohl den Elektromotor mit Strom als auch die Hochvoltbatterie – wenn der Elektromotor als Generator arbeitet und Strom in die Batterie einspeist (Rekuperation). Funktional ist die Leistungselektronik daher zwischen Hochvoltbatterie und E-Motor positioniert, unabhängig davon, wo das Steuergerät im Fahrzeug verbaut ist.

Die Batterie gibt die elektrische Energie als Gleichstrom ab, der Elektromotor benötigt aber einen Drei-Phasen-Wechselstrom. Die Leistungselektronik wandelt den Strom entsprechend um und leitet ihn in der jeweils erForderlichen Stromstärke und Frequenz an den Motor, der über diese Parameter gesteuert wird. Erst die Leistungselektronik macht auch den umgekehrten Vorgang möglich: Bei der Rekuperation wandelt sie den vom Elektromotor erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom um und lädt damit die Batterie. Darüber hinaus ist die Leistungselektronik für die Versorgung des 12-Volt-Bordnetzes der Hybrid- und Elektrofahrzeuge zuständig. Den Energieaustausch zwischen dem Hochvoltnetz (je nach System bis zu 450 Volt) und dem 12-Volt-Netz gewährleistet dabei ein Gleichstromwandler (DC/DC Konverter), der zugleich die herkömmliche Lichtmaschine überflüssig macht.

Eine weitere Funktion der Leistungselektronik: Sie ermöglicht das Rückwärtsfahren, indem sie die Polung umkehrt und damit die Drehrichtung des Elektromotors ändert. Die beiden zentralen Komponenten der Leistungselektronik sind der Wechselrichter (Inverter) und der Gleichstromwandler. Ein wichtiger Erfolgsfaktor des Continental-Systems ist der innovative Wechselrichter, der eine hohe Zyklenzahl ermöglicht und maßgeblich zur Effizienz dieser Leistungselektronik beiträgt. Ein hoher Wirkungsgrad zeichnet auch den Gleichstromwandler aus, der die Spannung nahezu verlustfrei konvertiert. Eine weitere Besonderheit des Continental-Systems: Beide Komponenten sind in ein Gehäuse integriert, was die Leistungselektronik äußerst kompakt macht.

Hauptsitz Hybrid Electric Vehicle in Nürnberg, Qualitätspreis von Audi für Standort Budapest

Der Continental-Geschäftsbereich Hybrid Electric Vehicle ist zuständig für alle Kernelemente des Elektroantriebs: Leistungselektroniken, Elektromotoren und Batteriemanagement. Er hat seinen Hauptsitz in Nürnberg und betreibt dort unter anderem ein hochmodernes Test- und Entwicklungszentrum für Leistungselektroniken, die an dem fränkischen Standort auch seit langem gefertigt werden. Seit 2011 entwickelt und produziert der Geschäftsbereich die Systeme auch am Continental-Standort Budapest. Dieses zweite Leistungselektronikwerk von Continental erhielt vor kurzem eine hohe Auszeichnung eines deutschen Premiumherstellers: den Audi Quality Award "Prevention & Reliability 2014".

Continental ist ein Technologieführer auf dem Gebiet der Elektromobilität, der sein umfassendes Know-how in diesem Bereich durch viele Innovationen unter Beweis gestellt hat – darunter zum Beispiel das erste serienmäßige Hybridsystem in Europa (2003) und der weltweit erste fremderregte Synchronmotor ohne Seltene Erden (2011). Hinzu kommt, dass der breit aufgestellte Automobilzulieferer mit seinen verschiedenen Divisionen alle AnForderungen an Fahrzeuge mit elektrifiziertem Antrieb aus einer Hand bedient: von der Integration, der Energieoptimierung und dem Antriebsmanagement über die Fahrzeugsicherheit und das Informationsmanagement bis zu energiesparenden Reifen.