Elektrofahrzeuge sind ein entscheidender Bestandteil im Kampf gegen Treibhausgasemissionen. Da sie die Zukunft der Mobilität darstellen, muss ihre Entwicklung zügig voranschreiten, um den Nutzern ein Servicelevel zu bieten, das mit dem von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren vergleichbar ist.

Ein zentrales Innovationsthema betrifft die Verkabelung: Fahrzeuge benötigen zwangsläufig größere elektrische Kabel (für den Leistungstransport), die teurer sind, Wärme erzeugen und die Integration komplexer machen.

Was ist die Hauptbeschränkung beim Leistungstransport in der elektrischen Architektur von Fahrzeugen?

Der Leistungstransport folgt einer unveränderlichen physikalischen Regel:

Leistung = Strom x Spannung (P = U.I)

Es kann also eine bestimmte Leistung bei hohem Strom und niedriger Spannung oder bei niedrigem Strom und hoher Spannung übertragen werden. Der Unterschied zwischen diesen beiden Ansätzen liegt in den Verlusten, die durch den Widerstand der verwendeten Kabel entstehen: Diese Verluste sind proportional zum Quadrat des Stroms (P = R.I²).

Bei konstanter Leistung wird eine Lösung, die dreimal mehr Strom verwendet, also neunmal mehr Verluste in den Kabeln verursachen.

Um dies zu vermeiden, kann der Widerstand des Kabels (idealerweise um den Faktor 9) verringert werden, indem der Durchmesser vergrößert wird. Diese Herangehensweise hat mehrere Konsequenzen:

• Höhere Kosten für das Kabel
• Erhöhung des Kabelgewichts
• Verringerung der Flexibilität des Kabels (schwierigere Integration in Kabelkanäle)

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Spannung zu erhöhen: Eine Lösung, die eine dreimal höhere Spannung nutzt, wird neunmal weniger Verluste in den Kabeln verursachen. Die Konsequenzen sind im Vergleich zur Hochstromlösung umgekehrt.

Warum wurde die Erhöhung der Spannung nicht früher durchgeführt?

Technologische Hürden

Die Einführung hoher Spannungen erforderte Zeit, da sie durch zwei große technologische Herausforderungen bedingt war:

• Die Zusammensetzung der Batterien: Je höher die Spannung, desto mehr Zellen sind erforderlich, und desto mehr muss ein gutes Zellbalancing gewährleistet werden (intrinsische Qualität der Zellchemie, Leistung des zugehörigen Batterie-Management-Systems).
• Verfügbarkeit von Hochspannungs-Leistungselektronikkomponenten: Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Isolatoren.

Marktentwicklung

Der Markt für Elektromobilität entwickelt sich weiter in Richtung hoher Spannungen:

• Im Bereich der Hochleistung (im Zusammenhang mit der Antriebskette) migrieren 400VDC-Lösungen zu 600V, 800V, 1200V und mehr.
• Im Bereich der „Niedrigspannung“ (Versorgung von Steuergeräten und Benutzerschnittstellen): Das traditionelle 12VDC wird durch eine 48VDC-Leitung ergänzt.

Was sind die praktischen Vorteile dieser Entwicklung?

Die Vorteile der Erhöhung der Spannung sind:

• Reduzierung der Verluste durch den Joule-Effekt in Hochleistungssystemen.
• Die Verringerung der Verluste ermöglicht eine Steigerung der Gesamteffizienz und somit eine Erhöhung der Reichweite.
• Verringerung des Kabelgewichts (weniger Kupfer).
• Bessere mechanische Integration dieser flexibleren Kabel in den Fahrzeugen.

Diese Verbesserungen gelten sowohl für die Antriebskette als auch für den 48V-Bereich.

Gibt es Nachteile bei der Erhöhung des Spannungsniveaus in der Architektur eines Elektrofahrzeugs?

Zu diesem Zeitpunkt ist die Erhöhung der Spannungswerte auf dem Markt für Elektrofahrzeuge noch nicht vollständig stabilisiert oder standardisiert.

Diese Instabilität erschwert das Entstehen standardisierter Lösungen.

Die Tame-Power-Wandler bieten ein breites Spannungsbereichsangebot sowohl für Low-Side- als auch High-Side-Anwendungen (30V … 450V / 30V … 950V). Sie können sich daher an eine Vielzahl von Architekturen anpassen.

Diese Eigenschaft ermöglicht es Designern und Elektroarchitekten, mehrere Lösungen zu prüfen, um die Gesamteffizienz ihres Systems zu optimieren.