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Aufbau der Leistungselektronik
#zfexperttalk

Arbeit an der Leistungselektronik

Erstellt am 29.01.2021
Durchschnittliche Lesedauer: 3 Minuten

Der Inverter heißt auch Leistungselektronik oder Wechselrichter - viele Namen für eine vielseitige Komponente. Der Inverter ist die zentrale Schnittstelle zwischen dem Hochvolt-Energiespeicher - kurz HV-Batterie - und der E-Maschine.

Der Name Inverter (engl. invert = umkehren) lässt schon erahnen, dass die Hauptaufgabe des Wechselrichters darin liegt, die elektrische Energie zwischen der Hochvolt-Batterie und der Elektromaschine umzuwandeln. Im Inverter wird die Gleichspannung (DC) der HV-Batterie in Wechselspannung (AC) umgewandelt. Die Traktionsspannung wird so auf die Phasenanschlüsse der E-Maschine verteilt, wodurch ein Drehstrom (dreiphasige Wechselspannung) entsteht. 

Der Drehstrom wird durch die Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. Werfen wir zunächst einen Blick in das Innere des Inverters. Der Inverter besteht aus drei Halbbrückenzweigen, dort befinden sich sogenannte IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode):

Erstellt am 29.01.2021
Durchschnittliche Lesedauer: 3 Minuten

Der Inverter heißt auch Leistungselektronik oder Wechselrichter - viele Namen für eine vielseitige Komponente. Der Inverter ist die zentrale Schnittstelle zwischen dem Hochvolt-Energiespeicher - kurz HV-Batterie - und der E-Maschine.

Der Name Inverter (engl. invert = umkehren) lässt schon erahnen, dass die Hauptaufgabe des Wechselrichters darin liegt, die elektrische Energie zwischen der Hochvolt-Batterie und der Elektromaschine umzuwandeln. Im Inverter wird die Gleichspannung (DC) der HV-Batterie in Wechselspannung (AC) umgewandelt. Die Traktionsspannung wird so auf die Phasenanschlüsse der E-Maschine verteilt, wodurch ein Drehstrom (dreiphasige Wechselspannung) entsteht. 

Der Drehstrom wird durch die Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. Werfen wir zunächst einen Blick in das Innere des Inverters. Der Inverter besteht aus drei Halbbrückenzweigen, dort befinden sich sogenannte IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode):

Durch eine gezielte Ansteuerung der Transistoren entsteht eine getaktete Rechteckspannung, hierbei wird der Transistor für jeweils die Hälfte der Periode angeschaltet. Die einzelnen Halbbrückenzweige sind jeweils zueinander Phasenverschoben angesteuert, so entsteht der sinusförmige Wechselstrom.

Je höher die Pulsweite der Rechteckspannung, desto höher ist der daraus resultierende Wechselstrom. Der Wechselstrom treibt wiederum den E-Motor an. Wie das dann genau funktioniert, erfahrt ihr in einem der folgenden Beiträge.

Durch eine gezielte Ansteuerung der Transistoren entsteht eine getaktete Rechteckspannung, hierbei wird der Transistor für jeweils die Hälfte der Periode angeschaltet. Die einzelnen Halbbrückenzweige sind jeweils zueinander Phasenverschoben angesteuert, so entsteht der sinusförmige Wechselstrom.

Je höher die Pulsweite der Rechteckspannung, desto höher ist der daraus resultierende Wechselstrom. Der Wechselstrom treibt wiederum den E-Motor an. Wie das dann genau funktioniert, erfahrt ihr in einem der folgenden Beiträge.

In Antriebsphasen versorgt der Inverter den Motor mit Strom, in Rekuperationsphasen (also beim Bremsen) richtet der Inverter den Drehstrom gleich und lädt so die Batterie. 

Die Leistungselektronik regelt die Frequenz und Stromstärke, mit der der Motor versorgt wird und damit verbunden die Motordrehzahl und das Motordrehmoment. Der Inverter stellt somit sicher, dass der E-Antrieb zu jedem Zeitpunkt effektiv funktioniert.

In Fahrzeugen mit E-Antrieb sowie in Hybridfahrzeugen ist die Leistungselektronik verantwortlich für den Wirkungsgrad und bestimmt damit Reichweite sowie Effizienz des elektrischen Antriebs. 

Die Reichweite und die Antriebsperformance sind die zwei wichtigsten Eigenschaften eines elektrischen PKW - beide Eigenschaften werden maßgeblich von der Leistungselektronik definiert. Außerdem definiert die Leistungselektronik zusammen mit der Elektromaschine die Performance des Fahrzeugs und ist deshalb neben Hochvoltspeicher und E-Maschine die wichtigste Komponente eines modernen Elektromobils - unabhängig von der Fahrzeugkategorie.

In Antriebsphasen versorgt der Inverter den Motor mit Strom, in Rekuperationsphasen (also beim Bremsen) richtet der Inverter den Drehstrom gleich und lädt so die Batterie. 

Die Leistungselektronik regelt die Frequenz und Stromstärke, mit der der Motor versorgt wird und damit verbunden die Motordrehzahl und das Motordrehmoment. Der Inverter stellt somit sicher, dass der E-Antrieb zu jedem Zeitpunkt effektiv funktioniert.

In Fahrzeugen mit E-Antrieb sowie in Hybridfahrzeugen ist die Leistungselektronik verantwortlich für den Wirkungsgrad und bestimmt damit Reichweite sowie Effizienz des elektrischen Antriebs. 

Die Reichweite und die Antriebsperformance sind die zwei wichtigsten Eigenschaften eines elektrischen PKW - beide Eigenschaften werden maßgeblich von der Leistungselektronik definiert. Außerdem definiert die Leistungselektronik zusammen mit der Elektromaschine die Performance des Fahrzeugs und ist deshalb neben Hochvoltspeicher und E-Maschine die wichtigste Komponente eines modernen Elektromobils - unabhängig von der Fahrzeugkategorie.

Über den Autor

Florian Freund

Florian ist Head of Connectivity Solutions bei ZF Aftermarket. Seine Maxime bei den #zfexperts:

“Die Entwicklung der Elektomobilität voranzutreiben ist nicht nur mein Job, es ist meine Leidenschaft.”

Florian Freund

Florian ist Head of Connectivity Solutions bei ZF Aftermarket. Seine Maxime bei den #zfexperts:

“Die Entwicklung der Elektomobilität voranzutreiben ist nicht nur mein Job, es ist meine Leidenschaft.”

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