Die Integration von Antriebssystemen in einem kompakten mechanischen Gehäuse kann preisgünstigere, effizientere Elektrofahrzeuge (EVs) ermöglichen.

18 Mai, 2021
 

Wenn wir EV-Antriebsstrangarchitekturen weiterentwickeln, können Kunden nicht nur die Kosten für das Systemdesign halbieren, sondern gleichzeitig auch die Leistungsdichte maximieren. Dies bedeutet effizientere, zuverlässigere und auch erschwinglichere EVs für mehr Menschen. 

Die Produktionskosten heutiger Elektrofahrzeuge liegen im Durchschnitt um 12.000 USD höher als bei konventionellen Automobilen mit Verbrennungsmotor.1 Wenn sich Automobilhersteller auf die Einhaltung weltweiter Emissionsbestimmungen konzentrieren, müssen sie auch die Lücke im Anschaffungspreis schließen, so dass Verbraucher leichter auf Fahrzeuge mit hybridem oder rein elektrischem Antrieb umsteigen können.

Dies ist eine große Herausforderung für Entwicklungsingenieure in der Automobilindustrie, weil sie nicht nur an der Verbesserung der Effizienz, Zuverlässigkeit und Reichweite arbeiten müssen, sondern auch an der Senkung der Kosten für den teuersten Teil des EV – dem elektrischen Antriebsstrang. Die Integration eines EV-Antriebsstrangs kann einer der Schlüssel dazu sein. 

Traditionell sind die Hybrid- und EV-Antriebsstränge in Systemen zusammengeführt, die für den Antrieb von Automobilen sorgen, wobei Batterie, DC/DC-Wandler, On-Board-Ladegerät und Traktionsinverter in eigenen Gehäusen untergebracht sind. Die Fortschritte bei Analog- und Embedded-Verarbeitungstechnologien versetzen Entwickler in die Lage, diese Systeme unter Verwendung eines einzigen Domänencontrollers und einer einzigen Leistungsstufe zu kombinieren. Dadurch können sie einerseits die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöhen und andererseits die Kosten senken sowie Standards im Bereich der funktionalen Sicherheit einhalten.

„Es kommt darauf an, das Beste aus dem System herauszuholen, indem es nicht nur wesentliche technische und sicherheitsrelevante Anforderungen erfüllt, sondern auch durch entsprechende Preissenkung für den Massenmarkt tauglich wird“, sagt Karl-Heinz Steinmetz, Leiter des weltweiten Entwicklungsteams für Fahrzeug-Antriebsstrangsysteme von TI.


VMAX, ein Zulieferer von EV-Komponenten mit Sitz in Shenzhen (China), lernt die Vorteile der Antriebsstrangintegration aus erster Hand kennen.  

„Die Integration des Antriebsstrangesist der Schlüssel zur Entwicklung von EVs, die effizienter, zuverlässiger und für Verbraucher in China erschwinglicher werden“, erklärt Han Yongjie, Vice President von VMAX. „Die Technologien und das Know-how von Texas Instruments helfen uns, den von unseren Kunden benötigten Integrationsgrad für On-Board-Ladegeräte, DC/DC-Wandler und Traktionsinvertersysteme zu erreichen.“

Höhere Reichweite durch höhere Effizienz und Leistungsdichte

Die Integration von Antriebsstrangsystemen in einem einzelnen, kompakten mechanischen Gehäuse vereinfacht nicht nur das Design und die Montage. Die Integration führt auch zum Wegfall von zusätzlichen Gehäusemodulen und redundanter Hardware, was eine erhebliche Reduzierung von Gewicht und Volumen des Systems bedeutet.

„Jedes Kilo ist ein wichtiger Teil der Effizienzgleichung“, so Karl-Heinz Steinmetz. „Je weiter das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden kann, desto besser ist dessen Gesamteffizienz und die mögliche Reichweite mit einer Batterieladung.“ 

Innovationen zur Steigerung der Effizienz durch erhöhte Leistungsdichte sind ebenfalls von Bedeutung. Die Ausstattung von EVs mit Technologien wie der Gallium-Nitrid-Technologie (GaN) mit Automobilqualifizierung kann zur Steigerung der Reichweite beitragen, indem sie effizienter läuft und weniger thermische Energie freisetzt. Dies bedeutet weniger Kühlkomponenten und niedrigere Kosten.

„Halbleiter mit breiter Bandlücke aus Materialien wie beispielsweise GaN zur Ansteuerung von Gate-Treibern mit hoher Schaltgeschwindigkeit werden ein Game-Changer sein. Denn sie ermöglichen es, die Größe von magnetischen Bauteilen um 60% zu verringern, was sich insgesamt in Gewichts- und Kostenreduzierung niederschlägt“, sagt Ramanan Natarajan, Mitglied des Marketing-Teams für GaN in unserem Unternehmen.

Die Verwirklichung integrierter Antriebsstrangarchitekturen erfordert auch Echtzeit-Mikrocontroller (MCUs), die in der Lage sind, die hohen Anforderungen der Leistungswandlung zu bewältigen. Unsere extrem latenzarmen C2000™-MCUs ermöglichen die Erhöhung der Schaltfrequenzen auf bis zu 1 bis 2 MHz. Dies wiederum bedeutet kleinere externe Komponenten wie etwa Spulen und Kondensatoren.

„Mit Echtzeitsensorik und einer höheren Schaltfrequenz für die Steuerkreise können wir die Drehzahl von Antriebsmotoren auf bis zu 20.000 U/min steigern“, sagt Na Kong, Automotive-Manager für C2000™-MCUs in unserem Unternehmen. „Das ermöglicht Automobilingenieuren, mehr als ein Drittel kleinere Motoren mit einer höheren Leistung als bei früheren Modellen zu bauen, die nur 10.000 1/min erreichten.“

Mit einer integrierten Antriebsstrangarchitektur einschließlich einer einzelnen Echtzeit-MCU kann das System die Aufgaben zahlreicher MCUs in verteilten Systemen effizient bewältigen. In einem hochintegrierten Design kann eine Echtzeit-MCU sowohl die digitale Stromversorgung als auch den Motor steuern. So lässt sich nicht nur die Effizienz steigern, sondern auch wertvoller Platz einsparen.

„Für Automobilhersteller geht es bei der Entscheidung für den Umstieg auf eine integrierte Architektur um die Zusammenfassung von Ressourcen und Halbleiterbausteinen im System“, so die Einschätzung von Karl-Heinz Steinmetz.

Steigerung der Zuverlässigkeit und Erfüllung der Normen für funktionale Sicherheit

Die Systemzuverlässigkeit ist bei einem EV von ebenso hoher Bedeutung wie bei herkömmlichen Automobilen. Eine integrierte Antriebsstrangarchitektur ist allein schon deshalb zuverlässiger, weil weniger Teile ausfallen können. Abgesehen von den inhärenten Vorteilen eines integrierten Systems erfordert die Gewährleistung der Zuverlässigkeit in der Hochspannungsbatterie-Umgebung eines EV auch einen robusten Schutz und eine extrem hohe thermische Leistung.

Zur Lösung dieser Herausforderungen trägt die Isolationstechnologie bei – mit isolierten Gate-Treibern und Modulatoren, die für die rauen Anforderungen in Automobilen entwickelt und geprüft wurden. Integrierte Diagnosefunktionen bilden ebenfalls einen wichtigen Teil der Sicherheitsgleichung und können dazu beitragen, dass Antriebsstrangsysteme die Norm ASIL D erfüllen. Diese beschreibt den höchsten Grad der funktionalen Sicherheit für Straßenfahrzeuge und bedeutet eine wichtige Herausforderung für EV-Hersteller.

„Wir verstehen, dass die Fähigkeit für funktionale Sicherheit entscheidend für das Gesamtdesign ist, und nehmen diese Überlegungen sehr ernst. Wir unterstreichen unseren Fokus auf Sicherheit durch unser Referenzdesign, das eine unabhängige Bewertung durch den TÜV SÜD durchlaufen hat und unsere Kunden dabei unterstützen kann, das Design ihres Systems mit überlegener Kostenkontrolle anzupassen“, erläutert Karl-Heinz Steinmetz.

Unterstützung des dynamischen Wachstums des EV-Marktes durch Integration des Antriebsstrangs

Der EV-Markt unterliegt einem starken Wachstum. Prognosen zufolge wird der Anteil der Elektrofahrzeuge von derzeit weltweit 5,6 Millionen bis zum Jahr 2025 einen Anteil von 30% aller verkauften Fahrzeuge erreichen.2 Die Antriebsstrangintegration wird eine wichtige Rolle bei dieser Beschleunigung spielen. Integrierte Antriebsstrangsysteme haben bereits eine Steigerung der Leistungsdichte um 40 bis 50% und erhebliche Verbesserungen bei Volumen, Gewicht und Zuverlässigkeit unter Beweis gestellt. 

„Dies wird sich erheblich auf die Leistungsfähigkeit von EVs und die Reichweite pro Batterieladung auswirken, sodass diese Fahrzeuge letztlich erschwinglicher werden“, sagt Karl-Heinz Steinmetz. 

Aus Leidenschaft für eine bessere Welt

Die Unterstützung unserer Kunden beim Design integrierter Antriebsstrangsysteme ist ein Beispiel dafür, wie TI-Innovatoren ihre Leidenschaft leben, eine bessere Welt zu schaffen, indem sie Elektronik durch Halbleiter erschwinglicher machen. Mit jeder Generation von Innovation wird unsere Technologie kleiner, effizienter, zuverlässiger und erschwinglicher, neue Märkte eröffnen sich und Halbleiter können in Elektroniklösungen in allen Bereichen weltweit eingesetzt werden. Für uns bei TI, ist dies der wahre technische Fortschritt. Dabei können wir auf unsere jahrzehntelange Erfahrung aufbauen.