Leistungselektronik
Die Leistungselektronik ist ein sehr wichtiger und unverzichtbarer Bestandteil der Antriebseinheit jedes Elektrofahrzeugs. Die Leistungselektronik des Elektroantriebs steuert die Energieübertragung zwischen den Hauptkomponenten von Elektrofahrzeugen, wie der Batterie, dem Elektromotor und dem Ladegerät. Die Effizienz des jeweiligen Elektroantriebs wird in hohem Maße von der Architektur der Leistungselektronik beeinflusst.
Leistungselektronik ist die zentrale Steuereinheit jedes elektrifizierten Antriebsstrangs. Sie ist daher nicht nur ein wesentlicher Bestandteil von vollelektrischen Fahrzeugen wie BEVs, sondern auch von Hybridfahrzeugen wie PHEVs und HEVs. Dank der Leistungselektronik können Elektrofahrzeuge die Batterienenergie effizient nutzen oder kinetische Energie, die beim regenerativen Bremsen gewonnen wird, speichern. Die Leistungselektronik steuert zudem den Batterieladevorgang. Eine weitere wichtige Funktion ist die Umwandlung von Gleichspannung in verschiedene Spannungsniveaus (12V/48V/400V/800V). Das korrekte und effiziente Funktionieren der Leistungselektronik bei all diesen Aufgaben hängt vor allem von modernen Halbleiterschaltungen ab. Diese müssen eine effiziente Energieumwandlung gewährleisten, Verluste minimieren und zugleich hohen Temperaturen sowie anspruchsvollen Betriebsbedingungen standhalten.
Ein Fahrzeug mit elektrischem oder hybridelektrischem Antrieb muss sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom verarbeiten können. Die Traktionsbatterie liefert Energie in Form von Gleichstrom, während Elektromotoren für ihren Betrieb dreiphasigen Wechselstrom benötigen. Das Modul der Leistungselektronik übernimmt diese Umwandlung, passt die Energieart an und optimiert deren Fluss.
Bei Schnellladestationen, die direkten Gleichstrom bereitstellen, überwacht und steuert die Leistungselektronik im Fahrzeug den Energiefluss, um ein sicheres und effizientes Laden der Batterie zu gewährleisten, sie vor Überspannung oder Überhitzung zu schützen und die Ladegeschwindigkeit zu optimieren. Dadurch trägt sie zu einer sicheren, zuverlässigen und schnellen Energiewiederherstellung im Elektrofahrzeug bei.
Querschnitt durch die Leistungselektronik
Das Leistungselektronikmodul ist kompakt und häufig direkt am Elektromotor angebracht. Das Gesamtgewicht des Moduls beträgt etwa acht Kilogramm. Es verfügt über eine eigene Kühlung, da es stark thermisch beansprucht wird.
Wie funktioniert die Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug:
Das Leistungselektronikmodul besteht aus mehreren Komponenten, die jeweils eine spezifische Funktion erfüllen. Wenn das Fahrzeug über das heimische Stromnetz (z.B. 220V) geladen wird, wandelt der Gleichrichter [1] den Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um, der dann in der Hochspannungsbatterie gespeichert wird.
Eine weitere Komponente ist der Gleichstromwandler [2], der die hohe Spannung der Traktionsbatterie (z.B. 400V oder 800V) auf das Niederspannungsniveau des Bordnetzes (12V) reduziert. Bei Elektrofahrzeugen gilt wie bei herkömmlichen Fahrzeugen, dass das Bordnetz mit 12V arbeitet, weshalb die Bordelektronik nicht direkt an die Traktionsbatterie angeschlossen werden kann.
Der Wechselrichter [4] reguliert die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors und modifiziert somit dessen Leistungskurve. Er wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in dreiphasigen Wechselstrom für den Elektromotor um.
Renault Zoe-Antriebseinheit und Querschnitt durch die Leistungselektronik
Wussten Sie schon:
Anzahl der Leistungselektronik-Einheiten
Wenn ein Elektrofahrzeug über mehrere Elektromotoren verfügt, ist es in der Regel mit der entsprechenden Anzahl an Leistungselektronik-Einheiten ausgestattet, wobei jede Einheit für die Steuerung eines bestimmten Motors zuständig ist.
Die Aufteilung auf mehrere Leistungselektronik-Einheiten bietet mehrere Vorteile. Jeder Motor und seine Elektronik können optimal auf ihre spezifischen Aufgaben abgestimmt werden. Beispielsweise können bei Allrad-Elektrofahrzeugen die vorderen und hinteren Motoren unterschiedliche Eigenschaften haben, wie Leistung, Drehzahl oder die Fähigkeit, spezielle Fahrmodi wie Beschleunigung, das Fahren auf rutschigem Untergrund oder den Geländemodus zu bewältigen.
Leistungselektronik beeinflusst die Ladezeit
Die Ladegeschwindigkeit kann durch die Leistungselektronik beeinflusst werden, da ihre Maximalleistung von der Konstruktion und Kapazität der einzelnen Komponenten wie Halbleiterwandler oder Kühlsysteme abhängt. Wenn die Leistungselektronik auf eine geringere Leistung ausgelegt ist, kann sie die Ladegeschwindigkeit begrenzen, selbst wenn die Batterie eine höhere Leistung aufnehmen kann und die Ladestation diese liefern könnte.
Darüber hinaus regelt die Leistungselektronik den gesamten Ladeprozess, um das System vor Überhitzung, Überlastung oder anderen Schäden zu schützen. Beispielsweise kann sie bei hohen Temperaturen oder wenn ein höherer Ladezustand erreicht wird, die Ladegeschwindigkeit reduzieren, um die Batterie zu schützen und die Sicherheit zu gewährleisten. Um schnelles und effizientes Laden zu ermöglichen, sind daher ausreichend leistungsfähige Elektroniksysteme sowohl im Fahrzeug als auch in der Ladeinfrastruktur erforderlich.