In elektrischen Antriebssträngen von Fahrzeugen kommt der Leistungselektronik die Kernaufgabe zu Spannungen oder Ströme zwischen Energiewandlern und -speichern anzupassen. In Bezug auf FCEVs (Fuel Cell Electric Vehicle) sind insbesondere die für den Antrieb erforderlichen elektrischen Komponenten wie der Antriebsmotor, die Brennstoffzelle und zusätzliche elektrische Energiespeicher zu nennen, welche über Leistungselektronik miteinander verbunden werden.
Leistungselektronik
Elektromotoren in Fahrzeugantriebssträngen werden meist mit einer dreiphasigen Wechselspannung angetrieben. Brennstoffzellensysteme und Akkus stellen jedoch eine Gleichspannung bereit. Wechselrichter (DC-AC) werden vor den Elektromotoren eingesetzt, um die vorhandene Gleichspannung in Wechselspannung mit variabler Frequenz, Amplitude und Phasenlage zu wandeln, damit die Drehzahl und das Drehmoment variabel sind. Ebenso lässt sich der Elektromotor generatorisch betreiben, sodass die Bremsenergie zurück in einen Akku gespeichert werden kann.
Um eine Verbindung zwischen Brennstoffzellenstack, Akku, Elektromotor und Bordnetz mit unterschiedlichen Spannungsniveaus herstellen zu können, wird ein Gleichspannungs-Hochspannungszwischenkreis (DC-Link) mit einem Spannungsniveau von bis zu mehreren 100 V eingesetzt. Gleichspannungswandler (DC-DC) stellen eine Verbindung zwischen Energiequellen und –Verbrauchern her, welche ebenfalls mit Gleichspannung betrieben werden. Abhängig davon, ob das Spannungsniveau angehoben oder herabgesetzt wird, werden Gleichspannungswandler als Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) und Hochsetzsteller (Boost-Konverter) oder einer Kombination aus beiden ausgeführt.
Je nach Einsatzbedingungen kann es erforderlich sein, dass die Wandler nur in einer Richtung (unidirektional) oder in zwei Richtungen (bidirektional) betrieben werden müssen. Der Wechselrichter zum Antrieb des Elektromotors kann zum Beispiel in bidirektionaler Ausführung ebenso dazu eingesetzt werden, im generatorischen Betrieb als Gleichrichter zu Erzeugung einer Gleichspannung zu fungieren.
Abb. 1: Beispielhafte Topologie eines FCEVs (Fuel Cell Electric Vehicle)
Abb. 1 zeigt eine typische Konfiguration der Leistungselektronik für FCEVs. Der Brennstoffzellenstack wird über einen unidirektionalen Gleichspannungswandler (1) an den Hochspannungszwischenkreis (2) angebunden. Dies verhindert einen unkontrollierten Stromfluss zwischen Akku und Brennstoffzelle. Der Akku als zusätzlicher Energiespeicher wird über einen bidirektionale Gleichspannungswandler (4) mit dem Hochspannungszwischenkreis verbunden, um die Radantriebsleistung zu unterstützen und rekuperierte Bremsenergie im Akku zu speichern. Der Elektromotor wiederum ist über einen bidirektionalen Wechselrichter (3) an dem Zwischenkreis angebunden. Dies ermöglicht die Gleichspannung in Wechselspannung für den Antrieb des E-Motors zu wandeln und gleichzeitig rekuperierte Bremsenergie in den Zwischenkreis einzuspeisen.
Bordnetz
Konventionelle Verbrennungsantriebe und Hybridfahrzeuge haben eine vergleichsweise geringe Anforderung an elektrischer Leistung zur Versorgung von Nebenverbrauchern wie beispielsweise Steuergeräten, oder dem Infotainmentsystem, sodass ein 12 V- oder 48 V-Bordnetz verwendet wird. Bei BEVs (Battery Electric Vehicle) und FCEVs sind elektrische Antriebsleistungen von bis zu mehreren 100 kW erforderlich. Dies würde bei den genannten Bordnetzspannungen zu hohen Strömen und Verlustleistungen in den Leitungen führen. Um dies verhindern werden für elektrische Antriebsstränge Spannungsniveaus von 300 V – 1000 V eingesetzt. Diese hohen Spannungen bringen Herausforderungen an die Komponenten- sowie Leitungsisolierung mit sich.
Literatur
[1] A. Kampker und H. H. Heimes, Elektromobilität. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2024.
[2] P. Hofmann, Hybridfahrzeuge. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2023.
[3] S. Pischinger und U. Seiffert, Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2021.
[4] H. Tschöke, P. Gutzmer und T. Pfund, Elektrifizierung des Antriebsstrangs: Grundlagen-vom Mikro-Hybrid zum vollelektrischen Antrieb. Springer-Verlag, 2019.
