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von Benutzer Techie (eigenes Werk), via Wikimedia Commons

Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht darin, den Energiespeicher Batterie mit den elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug und beim Ladevorgang auch mit dem öffentlichen Netz zu verbinden. Dabei wandelt die Elektronik die elektrische Energie in die jeweils für den Verbraucher nötige Spannungsebene und –form um. Zentraler Punkt ist das Hochvolt-Bordnetz, über welches alle Komponenten miteinander verbunden sind.

In Abbildung 1 sind die grundlegenden Bestandteile der Leistungselektronik in einem Elektroauto schematisch dargestellt.

 

Abbildung 1: Bestandteile der Leistungselektronik in einem Elektroauto

(basierend auf März, 2010)

 

Da die Batterie einen Gleichstrom liefert, Synchron und Asynchronmotoren in der Regel aber mit Wechselspannung betrieben werden, müssen Umrichter die gewünschte Eingangswechselspannung erzeugen. Diese Wechselrichter dienen auch dazu, den bei Bremsvorgängen erzeugten Strom wieder gleichzurichten und ins Hochvoltbordnetz zu speisen. Sie bestimmen also maßgeblich den Wirkungsgrad des Fahrzeugantriebes und der Rekuperation mit.

Ebenso wird ein Wechselrichter dort eingesetzt, wo das Fahrzeug mit dem öffentlichen Netz verbunden wird, um die Eingangsspannung des Netzes gleichzurichten und für zukünftige bidirektionale Einbindungen aus dem Gleichstrombordnetz Wechselstrom zu erzeugen. Dieser Wechselrichter übernimmt somit die Funktion des Ladegerätes innerhalb des Fahrzeuges.

Die Funktion der Lichtmaschine wird in einem Elektrofahrzeug von einem Gleichstromwandler übernommen, weil dieser im Vergleich zu einem zusätzlichen Generator viel höhere Effizienz, geringes Gewicht und Wartungsfreiheit bietet. Dazu muss die Hochvoltbordnetzspannung auf die 14V Spannungsebene der Nebenaggregate, z.B. des Radios, transformiert werden.

Die Traktionsbatterie speist Gleichstrom ins Hochvoltbordnetz ein. Theoretisch wäre dazu kein zusätzlicher Wandler mehr nötig, da die Hochvoltbordnetzspannung an die Batteriespannung angepasst werden könnte. Jedoch variiert die Zellspannung der Batterie in Abhängigkeit vom Lade- und Belastungszustand, was dazu führt, dass die ans Bordnetz angeschlossenen Wechsel- und Umrichter hohe Spannungsschwankungen aushalten müssten. Der Einsatz von Komponenten mit solchen Eigenschaften würde zu nicht unerheblichen Mehrkosten führen, weshalb zur Traktionsspannungsstabilisierung ein zusätzlicher Gleichstromwandler zwischen dem Energiespeicher und dem Hochvoltbordnetz eingesetzt wird. Dies minimiert nicht nur die Kosten der eingesetzten Komponenten, sondern kann in Abhängigkeit vom Fahrzyklus auch zu Gesamtwirkungsgradsteigerungen, besonders im unteren Leistungsbereich, führen.

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