Traktionsinverter: Die Schnittstelle zwischen Innovation und Leistung in der Automobilindustrie

Innovationen in der Halbleiterindustrie für die nächste Generation von Traktionsinvertern treiben die Leistung von Elektrofahrzeugen weiter voran. Mit dieser neuen Art von Traktionsinvertern überzeugen Elektrofahrzeuge mit noch mehr Fahrvergnügen.

Sep 13, 2022

Fahrspaß aus dem Stand: Genießen Sie die Vorteile schnellerer, gleichmäßigerBeschleunigung. Sollten Sie sich damit zufrieden geben? Definitiv nicht.

Das müssen Sie auch nicht. Denn die neueste Generation von Elektrofahrzeugen bietet sowohl bessere Leistung als auch größere Reichweiten. Der Schlüssel liegt in der Funktionsweise des Elektromotors, der gespeicherte Energie in Antrieb umwandelt und so für ein hohes Drehmoment sorgt. So setzen Verbesserungen in der Beschleunigung bei der Elektronik und nicht auf der Ebene des Traktionsmotors an. Aufgrund neuester Entwicklungen in der Traktionsumrichtertechnik ist dies ein Entwicklungsfeld mit besonders hohen Marktpotentialen. Traktionsumrichter sind für die Steuerung des Energieflusses von der Hochspannungsbatterie zum Motor, das Drehen der Räder und die Beschleunigung des Fahrzeugs zuständig. Oft konzentrieren sich Forschung und Entwicklung in der Elektrofahrzeugtechnik auf die Optimierung von Batteriesystemen. Dabei wird die Bedeutung des Multi-Kilowatt-Traktionsumrichters leider vergessen.

Aber Fortschritte in der Traktionsumrichtertechnik, ermöglicht von unseren Mikrocontrollern, mit Echtzeit-Steuerung und isolierten Gate-Treibern lassen die Erwartungen an die Leistung von Elektrofahrzeugen noch weiter wachsen. Durch ein verbessertes Schaltverhalten werden Zuverlässigkeit, Leistung, Gewicht und Leistungsdichte von E-Fahrzeugen direkt beeinflusst – ganz zu schweigen von den Möglichkeiten, die sich bieten, leichtere, schnellere Motoren zu entwickeln. 

Das Ergebnis: Elektrofahrzeuge der nächsten Generation vermitteln noch mehr Fahrspaß!

„Innovationen in der Leistungselektronik machen die Beschränkungen in der Mechanik wett”, erklärt Xun Gong, einer unserer System-Manager für HEV/EV-Traktionsumrichter. „Wir nähern uns den Grenzen der Mechanik.” 

Ein neuer Maßstab für Effizienz

Elektrofahrzeuge sind in vielerlei Hinsicht schon sehr effizient. So verschwenden E-Fahrzeuge im Gegensatz zu Verbrennern nur ein Viertel der Energie.1  Trotzdem kann auch hier noch viel verbessert werden. Je hochwertiger die verbauten Teile, desto mehr können Sie über viele Jahre hinweg, erstklassige Leistung und ein sorgenfreies Fahren genießen. Wenn Mikrocontroller mehr Aufgaben übernehmen können, werden weniger Schaltungsteile und Gehäuseteilegebraucht, und Größe und Gewicht der gesamten elektronischen Systeme im Auto können reduziert werden.

Unser Unternehmen hat industrielle Controller und Leistungsintegrierte Schaltungen (ICs) für Hochspannungsmotoren entwickelt, wie sie in rauen, anspruchsvollen Industrieumgebungen zum Einsatz kommen. Motoren dieser Art müssen oft jahrzehntelang unter extrem ungünstigen Bedingungen funktionieren können. Wir nutzen unsere Erfahrungen auf diesem Gebiet, um unseren Kunden mit ihren Herausforderungen bei der Entwicklung von E-Autos zu helfen. Fahrzeuge müssen auch bei strömendem Regen, bei eisigen Temperaturen und an heißen Sommertagen zuverlässig laufen. 

„Wir haben viel von der Arbeit mit unseren Industriekunden und ihren Motorantrieben gelernt, und unsere Produkte waren von Anfang an für Hochspannungssysteme ausgelegt, ” erklärt Audrey Dearien, eine unserer Anwendungsmanagerinnen für isolierte Gate-Treiber. „Wir machen Traktionsumrichter besser, indem wir neue Entwicklungen auf unseren früheren Innovationen aufbauen.”

Wie wichtig ist Siliciumcarbid?

Aufgrund der hervorragenden Materialeigenschaften von Siliziumcarbid (SiC) können schnell schaltende unipolare Bauelemente anstelle von IGBT-Schaltern (Insulated Gate Bipolar Transistor) entwickelt werden. Diese erhöhen die Leistung von Elektrofahrzeugen. Siliziumkarbid-Transistoren sind effizienter – sie wandeln mehr gespeicherte Batterieenergie in verwendbare Motorenergie um – als IGBTs, was sie zu einer perfekten Alternative macht. Außerdem zeichnen sie sich durch Eigenschaften wie geringere Wärmeabgabe und 

Platzersparnis aus, was zu einer weiteren Reduzierung von Gewicht, Größe und Energieverschwendung des Gesamtsystems beiträgt.

Aber die Umstellung auf SiC birgt andere Herausforderungen. Eine SiC-Schaltung ist im Gegensatz zu einer IGBT-Schaltung anfälliger für Schäden, die durch Kurzschlüsse verursacht werden. Deshalb ist es besonders wichtig bei der Umstellung auf SiC darauf zu achten, dass für das Elektrofahrzeug die richtige Treibertechnologie verwendet wird. 

„Unser Gate-Treiber erkennt einen Kurzschluss sehr schnell und schaltet den betroffenen Schalter dann in weniger als einer millionstel Sekunde aus, um ihn vor Schäden zu schützen,” sagt Audrey.

SiC-Transistoren schalten sehr schnell, was ihren höherer Wirkungsgrad ausmacht. Jedoch können hohe Schaltgeschwindigkeiten auch das elektrisches Rauschen erhöhen, durch das der Motor zum falschen Zeitpunkt aktiviert werden könnte. Unsere Gate-Treiber sind mit Sicherheitsfunktionen zur Reduzierung von Rauschen im Antriebssystem ausgestattet. 

„Früher als noch langsamere Schalt-Transistoren verwendet wurden, war der Schaltverlust absehbar”, sagt Audrey. „Aber mit der Verwendung von Siliciumcarbid wurde das Schalten sehr schnell. Also ist es wichtig, das Schaltverhalten effektiv zu steuern. Wenn Sie das Schaltverhalten nicht effektiv steuern, können Sie das Potenzial von SiC nicht voll ausschöpfen.”

Höhere Leistungsdichte für E-Fahrzeuge

Verbesserungen an Traktionsumrichtern ist nur ein Gesichtspunkt im Bestreben der E-Fahrzeug-Industrie nach größerer Reichweite und mehr Leistung. Ein weiteres wichtiges Ziel ist die Optimierung der Leistungsdichte in Hochspannungs-Elektroniksystemen. Durch eine derartige Verbesserung kann mehr Energie mit kleineren Platinen erzeugt werden, wodurch Leistungsumwandlungssysteme, Motoren und andere Antriebskomponenten, u.a. der Traktionsumrichter, leichter und kleiner werden. 

„Wenn die Leistungsdichte verbessert wird, wird das Auto leichter, also kann noch schneller beschleunigt werden,” sagt Xun. „Oder man bekommt mehr Platz im Auto, also gibt es mehr Platz zum Sitzen.” 

Die Integration der Antriebssysteme ist eine weitere Möglichkeit, wie die Leistungsdichte verbessert werden kann. Die Fortschritte bei Analog- und Embedded-Verarbeitungstechnologien versetzen Autohersteller jetzt in die Lage, individuelle Systeme wie On-Board-Ladegeräte, DC/DC-Wandler und den Traktionsumrichter in einer kleinen, mechanischen Box unter einem einzigen Domain-Controller zu verstauen. Durch die Integration des Antriebsstrangs können Autohersteller nicht nur die Kosten für das Systemdesign halbieren, sondern gleichzeitig auch die Zuverlässigkeit und Leistungsdichte maximieren. Das wiederum sorgt für eine bessere Kundenerfahrung für Autobesitzer, aufgrund von geringeren Anschaffungs- und Instandhaltungskostenkosten, einer längeren Fahrzeuglebensdauer und einer besseren Straßenleistung.

Die nächste Generation von Traktionsumrichtern verbessert Effizienz und Leistung von E-Fahrzeugen:

800-Volt-fähige Wirkungsgradebenen. Während der größte Teil der aktuellen E-Autos auf ein Spannungsniveau von 400 Volt setzt, setzt die Industrie zunehmend auf 800 Volt. Ein Motor mit 800 Volt kann mit der doppelten Drehzahl pro Minute laufen, was aber wiederum einen größeren Energieverlust und -verschwendung zur Folge haben kann. Unsere hochleistungsfähigen Arm®-basierten Mikrocontroller (MCUs) und schnellen Gate-Treiber können schon jetzt die neue 800-Volt-Technik unterstützen, mit Funktionen wie einer schnellen Stromschleifensteuerung, die den Motorschaltalgorithmus einmal pro millionstel Sekunde anpassen kann. 
„Mit steigenden Leistungspegeln in einem System, werden auch die durch Ineffizienzen entstehenden Verluste spürbarer,” sagt Mike Pienovi, einer unserer Produktlinien-Manager für Sitara™ MCUs. Um dieses neue Potenzial voll ausschöpfen zu können, benötigen Sie Mikrocontroller mit geringer Latenz, Messungs- und Steuerungsfähigkeiten mit hoher Präzision, die höhere Schaltfrequenzen unterstützen und den Wirkungsgrad optimieren können.

Sicher auf der Straße. Unsere proprietären Isolierungstechniken tragen dazu bei, dass Auto, Insassen und die Hochspannungsbatterie sicher unterwegs sind. Darüber hinaus, erfüllen unsere Mikrocontroller für die Automobilindustrie und andere Bauteile für Traktionsumrichter und Motorsteuerung, funktionale Sicherheitsnormen und helfen Systementwicklern bei der Erfüllung von Sicherheitsstandards bis zu ASIL D, der strengsten Norm für Fahrzeugsicherheit.

Verbesserte Zuverlässigkeit. Unsere Produkte und Systemdesigns bieten verstärkte kapazitative Isolierungsfunktionen, Ausfallerkennung und Zustandsüberwachung, wie Hitze und Spannungsüberwachung. So können die Lebensdauer von Traktionsumrichtern und anderen wichtigen E-Fahrzeug-Bauelementen verbessert werden. Diese Diagnose- und Komponentenzustandschecks bieten Früherkennungs- und Workaroundmöglichkeiten, die Autoherstellern bei der Reduzierung von Ausfallraten für wichtige Bauteile helfen.

Wenn die neue Generation von E-Autos dann endlich auf den Markt kommt, werden alle nur auf die leichten, superschnellen Motoren schauen. Gut informierte E-Auto-Fahrer wissen aber, dass ihre Leistung und Zuverlässigkeit größtenteils aufgrund von Verbesserungen in der Traktionsumrichter-Technik möglich gemacht wurden.

1 https://www.fueleconomy.gov/feg/atv-ev.shtml