Eine Batterie allein bringt noch kein Elektroauto in Bewegung. Erst die ausgeklügelte Leistungselektronik sorgt dafür, dass der Strom im richtigen Moment und in der richtigen Form beim Motor ankommt. Wer in einem Elektroauto das Fahrpedal betätigt, setzt eine komplexe elektrische Steuerung in Gang.
Während die Batterie Gleichstrom liefert, benötigen die meisten Elektromotoren im Auto dreiphasigen Wechselstrom. Dessen Frequenz und Stromstärke müssen sich laufend ändern, damit das Fahrzeug sanft anfährt, kräftig beschleunigt oder effizient dahinrollt. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter, auch Inverter genannt. Als Mittler zwischen Energiespeicher und Antrieb bildet er das Herzstück der Leistungselektronik. Im Wechselrichter arbeiten winzige elektronische Schalter, sogenannte Transistoren. Sie schalten den Strom aus der Batterie viele Tausend Mal pro Sekunde ein und aus. Indem sie dies in einem genau abgestimmten Rhythmus tun, verwandeln sie den Gleichstrom der Batterie in den Wechselstrom, den der Elektromotor benötigt. Dabei lässt sich auch steuern, wie viel elektrische Energie der Motor erhält und wie schnell sich sein Magnetfeld dreht. So passt die Fahrzeugelektronik die Antriebskraft nahezu in Echtzeit an, etwa wenn der Fahrer beschleunigt oder den Fuß vom Fahrpedal nimmt.
Strom fließt in beide Richtungen
Die Leistungselektronik arbeitet allerdings nicht nur beim Beschleunigen und Verzögern. Beim regenerativen Bremsen kehrt sich der Energiefluss um: Der Elektromotor wird zum Generator, der Wechselrichter wandelt die erzeugte elektrische Energie entsprechend um und speist sie zurück in die Batterie. Hinzu kommen weitere elektronische Baugruppen, die ihre eigenen Aufgaben übernehmen. Ein Gleichspannungswandler versorgt beispielsweise das 12-Volt-Bordnetz aus der Hochvoltbatterie. Das bordeigene Ladegerät wiederum wandelt Wechselstrom aus der heimischen Wallbox in Gleichstrom für den Akku.
Wärme kostet Effizienz
Eine zentrale Herausforderung ist in allen Fällen die Wärme, die bei jedem Schaltvorgang und jedem Stromfluss durch einen Halbleiter entsteht. Sie muss abgeführt werden, etwa über flüssigkeitsgekühlte Leistungsmodule. Je geringer diese thermischen Verluste ausfallen, desto mehr Batterieenergie steht tatsächlich für den Antrieb zur Verfügung. Selbst kleine Verbesserungen des Wirkungsgrads machen sich über die Fahrstrecke bemerkbar.
Aktuell sind Transistoren auf Siliziumbasis der Standard im Elektrofahrzeug. Inzwischen gewinnt jedoch Siliziumkarbid, kurz SiC, an Bedeutung. Das Halbleitermaterial verträgt hohe elektrische Feldstärken und ermöglicht besonders verlustarme Schaltvorgänge. Dadurch lassen sich Wechselrichter kompakter bauen und ihre Kühlung reduzieren. Gerade bei hohen Leistungen bietet SiC erhebliche Vorteile, ist allerdings aufwendiger und teurer in der Herstellung als herkömmliches Silizium. Als weitere Alternative könnte künftig auch Galliumnitrid eine Rolle spielen, das sich besonders für kompakte Anwendungen eignet.
800 Volt für höhere Leistungen
Parallel dazu setzen Autohersteller zunehmend auf 800-Volt-Architekturen statt der verbreiteten 400-Volt-Technik. Bei gleicher elektrischer Leistung fließt unter höherer Spannung weniger Strom. Das verringert die Leitungsverluste und erleichtert die Übertragung großer Leistungen. Künftig dürften Leistungsmodule noch stärker mit Elektromotor und Getriebe zu kompakten Antriebseinheiten verschmelzen. Neben dem Wirkungsgrad gewinnen dabei Materialeinsatz, Fertigungskosten und Reparierbarkeit an Bedeutung. Auch das bidirektionale Laden, bei dem Elektroautos Strom an Gebäude oder das Netz zurückgeben können, stellt zusätzliche Anforderungen an die elektronischen Wandler.
Technik verstehen - Vom Elektroantrieb zum Scheinwerfer
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