Verlustminimaler Betrieb elektrischer Antriebe

Kernthemen:

• Ganzheitliche Analyse von Verlustmechanismen in Batterie, Leistungselektronik und elektrischer Maschine
• Systemische Optimierung des Antriebsstrangs unter Berücksichtigung wechselwirkender Verlusteffekte
• Entwicklung verlustminimaler Betriebsstrategien, beispielsweise adaptive Schaltfrequenz, intelligente Drehmomentsteuerung (Stromvorgabe für Regelung), Mehrstufenstromrichter oder optimierte Pulsmodulation

Kurzbeschreibung:

Die Reichweite und effektive Ladegeschwindigkeit elektrischer Fahrzeuge sind für den Erfolg der globalen Mobilitäts- und Energiewende von zentraler Bedeutung, um elektrische Antriebe in möglichst vielen Anwendungsbereichen als klare Alternative zu fossil betriebenen Systemen zu etablieren. Elektrische Antriebe zeichnen sich schon lange durch hohe Wirkungsgrade von oft deutlich über 90 % aus, dennoch treten entlang der Energiewandlungskette weiterhin relevante Verluste auf. Angesichts der großen Anzahl elektrischer Antriebe und ihres teils hohen Energiebedarfs führen selbst geringe Effizienzsteigerungen gesamtgesellschaftlich zu erheblichen Einsparungen.

Die Ursachen dieser Verluste sind vielfältig und reichen von der Batterie über den Stromrichter und die Anschlussleitungen bis hin zur elektrischen Maschine. Um weitere Effizienzpotenziale erschließen zu können, ist eine ganzheitliche Betrachtung des elektrischen Antriebs erforderlich, bei der die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten gezielt berücksichtigt werden, damit Verbesserungen auf Komponentenebene nicht zu Verschlechterungen an anderer Stelle führen, sondern ihr volles Potenzial entfalten.

Eine zentrale Herausforderung besteht darin, die vielfältigen Verlustmechanismen ganzheitlich zu verstehen und gezielt zu reduzieren. Während des Betriebs treten in allen Komponenten Verluste auf, deren Anteile unterschiedliche und teilweise gegenläufige Charakteristiken besitzen. So können beispielsweise Maßnahmen zur Reduktion der Schaltverluste im Stromrichter gleichzeitig zu erhöhten Verlusten in der elektrischen Maschine oder der Batterie führen. Eine isolierte Optimierung einzelner Komponenten ist daher nicht ausreichend, sondern ein systemischer Ansatz ist entscheidend.

Unser Ziel ist es, durch tiefgehendes Verständnis der zugrunde liegenden Verlustmechanismen neue Strategien zur Effizienzsteigerung des gesamten elektrischen Antriebsstrangs zu entwickeln. Dazu zählen unter anderem adaptive Schaltfrequenzen, intelligente Drehmomentsteuerverfahren für die elektrische Maschine (Stromvorgabe für die Regelung), Mehrstufenstromrichter, die Nutzung neuer Leistungshalbleitertechnologien im Stromrichter sowie verbesserte Pulsmodulationsverfahren, die gezielt an die jeweiligen Betriebszustände angepasst werden. Im Einzelnen sind diese Ansätze alle bekannt, doch in der angewandten Forschung werden sie zu häufig nur isoliert betrachtet, während ihre teils positiven, teils negativen Interaktionen nicht berücksichtigt werden.

Durch die integrative Analyse und Weiterentwicklung dieser Ansätze arbeiten wir daran, die Verluste im Gesamtsystem zu minimieren und dadurch den Energiebedarf sowie den Kühlaufwand elektrischer Antriebe zu reduzieren. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, das Effizienzpotenzial moderner Antriebe umfassend auszuschöpfen.