Wie Leistungselektronik die Zukunft der Mobilität voranbringen wird

Mit der zunehmenden Bedeutung alternativer Kraftstoffe und Fahrzeugtechnologien entwickelt sich auch die Rolle der Komponenten innerhalb dieser Technologien weiter. In batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) sind leistungselektronische Komponenten entscheidend für die Funktionalität und Effizienz des Fahrzeugs. Das Verständnis ihrer Auswirkungen und ihres Potenzials ist für Unternehmen, die BEVs einführen oder sich in der Zukunft des nachhaltigen Verkehrs zurechtfinden, von entscheidender Bedeutung.

Leistungselektronik und ihre Rolle in BEVs
Das Herzstück eines BEV ist sein Hochleistungs-Batteriepaket, das den Elektromotor antreibt. Im Gegensatz zu Benzinmotoren wandeln BEVs elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad und geringen Emissionen direkt in mechanische Energie um und ermöglichen so einen reibungslosen, leisen Betrieb und eine schnelle Beschleunigung. Mit weniger beweglichen Teilen als Dieselfahrzeuge sind BEV-Antriebsstränge einfacher, erfordern weniger Wartung und reduzieren mechanische Ausfallzeiten.

Die Leistungselektronik umfasst Komponenten, die elektrische Energie in BEVs umwandeln und steuern, um eine optimale Leistung und ein optimales Fahrerlebnis zu gewährleisten. Ein wichtiges Beispiel ist das elektronische Steuermodul (ECM), das in Diesel- und Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen ähnlich funktioniert. Als Kommandozentrale steuert die Leistungselektronik den Stromfluss zwischen Batterie, Motor und anderen Systemen und wandelt die gespeicherte Energie in die präzisen Formen um, die für Antriebs- und Hilfssysteme benötigt werden.

In BEVs ermöglicht die Leistungselektronik ein sofortiges Drehmoment und eine reaktionsschnelle Beschleunigung durch Komponenten wie Wechselrichter, Umrichter und Steuerungen. Diese Systeme bewältigen hohe Spannungs- und Stromanforderungen und schützen gleichzeitig vor Leistungsschwankungen, was für die Langlebigkeit der Batterie und die Fahrzeugsicherheit entscheidend ist.

Über die Funktionalität hinaus unterstützt die Leistungselektronik das übergeordnete Ziel der Reduzierung von Emissionen. Durch effizientes Energiemanagement helfen sie BEVs, mit einer einzigen Ladung weiter zu fahren, Energieverschwendung zu minimieren und einen nachhaltigen Transport zu fördern.

Integration von Leistungselektronik in Hybrid- und BEV-Antrieben
Die Leistungselektronik ist in Hybrid- und BEVs von entscheidender Bedeutung, da sie den elektrischen Fluss steuert, um die Leistung zu optimieren und die Lebensdauer der Batterien zu verlängern. Sie wandeln den Gleichstrom (DC) der Batterie in Wechselstrom (AC) für den Motor um und kehren den Vorgang beim regenerativen Bremsen um. Dies maximiert die Effizienz, gleicht die Last aus und verhindert Stromstöße, die die Batterie beschädigen könnten.

Nutzfahrzeuge wie Elektrobusse und Lieferwagen profitieren von erheblichen Vorteilen der Leistungselektronik. Schwere Elektro-Lkw sorgen für eine präzise Drehmomentsteuerung auf unterschiedlichem Terrain. In Elektrobussen verteilen sie die Energie effizient zwischen Fahr- und Nebensystemen wie der Klimaanlage und erhöhen so den Fahrgastkomfort.

Cummins entwickelt die Leistungselektronik weiter, um den Energieverbrauch und die Reichweite von Fahrzeugen zu verbessern. Diese Verbesserungen ermöglichen es Nutzfahrzeugen, weiter zu fahren, schneller zu laden und Energie effizienter zu nutzen, was sie kostengünstig und praktisch für Flotten macht. Solche Innovationen sind entscheidend für einen saubereren und nachhaltigeren kommerziellen Verkehr.

Überlegungen zur Leistungselektronik in BEVs
Die Maximierung der Vorteile der Leistungselektronik in BEVs erfordert Innovation und Anpassungsfähigkeit. Da sich BEVs mit fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) weiterentwickeln, muss die Leistungselektronik nicht nur die Effizienz, sondern auch die Sicherheit und Zuverlässigkeit in Echtzeit unterstützen.

Die Kosten sind ein Schlüsselfaktor. Effizient konzipierte Leistungselektronik kann die Entwicklungskosten von BEVs senken, indem sie den Energieverbrauch optimiert und den Bedarf an kostspieligen Kühlsystemen reduziert. Dies ist besonders wichtig für kommerzielle BEVs, bei denen sich die betriebliche Effizienz direkt auf die Rentabilität auswirkt.

Da die Branche für eine bessere Effizienz und Leistung auf höhere Spannungen umstellt, muss die Leistungselektronik ein sicheres Spannungsmanagement gewährleisten. Cummins begegnet diesem Wandel, indem es das Wärmemanagement, die elektromagnetische Verträglichkeit und die Komponentenverpackung überdenkt, um BEVs rentabler und umweltgerechter zu machen.

Während BEVs immer weiter voranschreiten, bleibt die Leistungselektronik von zentraler Bedeutung für die Verbesserung von Effizienz, Zuverlässigkeit und Akzeptanz und ebnet den Weg für eine nachhaltige Zukunft im Transportwesen.

Leistungselektronik in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen
Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) verwenden Wasserstoff zur Stromerzeugung, der den Motor antreibt. Der Brennstoffzellenstapel spaltet Wasserstoff in Protonen und Elektronen, wobei die Elektronen durch einen externen Stromkreis wandern, um Strom zu erzeugen.

FCEVs teilen sich die Leistungselektronik mit batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs), enthalten aber zusätzliche Komponenten, um ihre spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Eine Schlüsselkomponente ist der Boost-DC-DC-Wandler, der die Spannung vom Brennstoffzellenstapel an die höhere Spannung anhebt, die das Batteriesystem benötigt. FCEVs verfügen außerdem über eine kleinere Batterie, die die Energie der Brennstoffzelle speichert und in Situationen mit hoher Nachfrage wie dem Beschleunigen zusätzliche Leistung liefert. Dieses Hybridsystem verkürzt die Reaktionszeit der Brennstoffzelle und verbessert so die Sicherheit, Leistung und Fahrbarkeit.




Leistungselektronik für die Effizienz von Brennstoffzellen im Schwerlastverkehr
Brennstoffzellen bieten entscheidende Vorteile für den Transport, insbesondere in Schwerlastanwendungen. Die hohe Energiedichte von Wasserstoff ermöglicht schnelles Betanken (ca. 20 Minuten) und große Reichweiten, was ihn zu einer idealen Alternative zu Diesel für Sektoren macht, die minimale Ausfallzeiten und lange Strecken erfordern.

Brennstoffzellen arbeiten mit niedrigeren Spannungen (200-600 V), was Komponenten wie den Boost-DC-DC-Wandler erfordert, um die Spannung für eine effiziente Energieübertragung und Batterieladung zu erhöhen. Diese Kompatibilität ermöglicht es FCEVs, die gleiche Batterie und Leistungselektronik wie BEVs zu verwenden, was die Herstellung vereinfacht, die Kosten senkt und die Skalierbarkeit verbessert.

Integration von Leistungselektronik in Brennstoffzellensysteme
Mit zunehmendem Alter nimmt die Ausgangsspannung von Brennstoffzellen ab, so dass ein höherer Strom zur Aufrechterhaltung der Leistung erforderlich ist, was zu Energieverlusten und überschüssiger Wärme führen kann. Die Leistungselektronik regelt Spannungen und Ströme, um diese Probleme zu entschärfen. Die Verwendung von Siliziumkarbid in Leistungshalbleitern reduziert den Energieverlust und verbessert das Wärmemanagement, was für die Aufrechterhaltung der Leistung bei höheren Temperaturen unerlässlich ist.

Fortschritte in der Technologie ermöglichen eine breitere Einführung von FCEVs, insbesondere in Sektoren wie dem Schwerlastverkehr und der stationären Stromerzeugung. Mit dem Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur werden FCEVs eine zentrale Rolle im nachhaltigen Verkehr spielen und die Bemühungen zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen und der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen unterstützen.