Elektrofahrzeuge glänzen an der Ampel regelmäßig durch ihre Beschleunigung. Denn üblicherweise steht bei Stromern das maximale Drehmoment schon beim Start zur Verfügung. Nicht üblich ist dagegen eine so hohe Kraftentfaltung wie beim neuen Jaguar I-PACE, dessen Elektroantrieb mit Stromstärken von bis zu 650 Ampere arbeitet. Um diese starken Ströme und die damit verbundenen extremen Lastwechsel zu bewältigen, entwickelte Continental für Jaguar Land Rover eine speziell auf sportliche Hochleistungsantriebe zugeschnittene Systemlösung. Die innovative Leistungselektronik, die im Plug-in-Hybrid Range Rover Sport Plug-in Hybrid erstmals in Serie ging, ist so konzipiert, dass sie in allen künftigen Elektromodellen der beiden britischen Premiummarken eingesetzt werden kann.
REGENSBURG Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist die Leistungselektronik eine Schlüsselkomponente des Elektroantriebs. Sie versorgt den Elektromotor mit Strom und steuert darüber hinaus die Energierückgewinnung (Rekuperation). Funktional steht sie daher zwischen Hochvoltbatterie und E-Motor. Da die Batterie Gleichstrom abgibt, der Motor aber Drei-Phasen-Wechselstrom benötigt, wandelt die Leistungselektronik den Strom durch einen Wechselrichter (Inverter) entsprechend um und leitet ihn in der jeweils erforderlichen Stärke und Frequenz an den Motor, der über diese Parameter gesteuert wird.
Bei der Rekuperation wandelt sie den vom Elektromotor erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom um und lädt damit die Batterie. Von der Leistungselektronik hängt es ab, ob das Potenzial des elektrischen Antriebs voll ausgeschöpft werden kann. Damit trägt sie auch entscheidend zum Fahrspaß bei, der aus dem hohen Anfahrdrehmoment und dem schnellen Ansprechen von Elektromotoren resultiert.
„Als ein Kernstück des Elektroantriebs ist die Leistungselektronik strategisch von großer Bedeutung. Wir treiben die Entwicklung auf diesem Gebiet seit langem voran und bieten heute mit der dritten Systemgeneration unserer Leistungselektronik Lösungen für Fahrzeuge aller Leistungsklassen an“, sagt Christopher Breitsameter, Leiter des Segments High Voltage Electronics der Continental-Division Powertrain. „Für die Leistungselektronik des Jaguar I-PACE und des Range Rover Sport Plug-in Hybrid haben wir zusammen mit Jaguar Land Rover das Potenzial unserer aktuellen Systemgeneration weiter ausgeschöpft und sie in Richtung Sportlichkeit und Hochleistung ertüchtigt.“
Entscheidende Zutat des Erfolgsrezepts: Mikrochips mit doppelseitiger Sintertechnik
Die Leistungselektronik muss die volle Stromstärke in Sekundenbruchteilen zur Verfügung stellen, zum Beispiel bei maximaler Beschleunigung aus dem Stand. Die besondere Herausforderung für die Entwickler bestand darin, diesen sehr großen Lastwechsel zu bewältigen und zugleich die für Automotive-Systeme erforderliche hohe Zyklenfestigkeit und Lebensdauer zu gewährleisten.
Ein weiteres Entwicklungsziel war eine hohe Leistungsdichte (Verhältnis von Größe und Leistung des Systems), um den Bauraum so klein wie möglich zu halten. Erreicht wurde diese Kombination von Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Kompaktheit vor allem durch ein innovatives Powermodul, das Herzstück des Wechselrichters. Hier kommen so genannte doppelseitig gesinterte Chips (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) zum Einsatz. Im Vergleich zu herkömmlichen gelöteten Drahtverbindungen (Bonds) lassen sich mit der Sintertechnologie Verbindungen herstellen, die hinsichtlich Lebensdauer, Zuverlässigkeit und thermischer Belastbarkeit deutlich höhere Anforderungen erfüllen und deshalb vor allem für den Premium Bereich geeignet sind. Continental ist das erste Unternehmen, das dieses aufwändige Verfahren in der Automobilelektronik einsetzt.
„Neben der doppelseitigen Sintertechnik kommen unter anderem auch spezielle ‚Direct-Copper-Bonded‘-Substrate, kurz DCB-Substrate, sowie eigens für Continental angefertigte Leistungshalbleiter zum Einsatz. Insgesamt sind der Aufbau und die verwendeten Materialien dieser Leistungselektronik voll auf Power und maximale Fahrdynamik optimiert“, erläutert Projektleiter Alexander Reich. „Die gute Zusammenarbeit mit dem Projektteam von Jaguar Land Rover, für die ich mich ausdrücklich bedanken möchte, hat maßgeblich zum Erfolg unserer Arbeit beigetragen.“
Eine weitere wichtige Besonderheit der neuen Leistungselektronik: Ein und dasselbe System lässt sich in ganz unterschiedlichen Fahrzeugen einsetzen. So sind die Leistungselektroniken des Range Rover Sport Plug-In Hybrid und des Jaguar I-PACE von der Hardware her völlig identisch und unterscheiden sich nur in der Software.
Weitere Continental-Innovationen rund um die Leistungselektronik
Continental ist seit langem ein Technologieführer im Bereich der Elektromobilität. Zu den jüngsten Innovationen gehört ein kompletter Achsantrieb für Elektrofahrzeuge. Dieses hochintegrierte, skalierbare Modul fasst Elektromotor, Getriebe und Leistungselektronik zu einer Einheit zusammen. Dadurch ist es leichter und leistungsfähiger als vergleichbare Konzepte und hat zudem durch den Wegfall vieler Verbindungskomponenten ein günstiges Kostenniveau. Seine Marktpremiere feiert dieser Elektroantrieb in 120 kW und 150 kW starken Ausführungen 2019 in China.
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