Mit Power-Modulen die Komplexität in der Elektromobilität meistern

Schnelle Innovationszyklen, industrielle Skalierbarkeit und resiliente Lieferketten sind zentrale Erfolgsfaktoren der Elektromobilität. Wie sich das auf die Technologie auswirkt, zeigt sich bei kaum einer Komponente so deutlich wie beim Power-Modul im Traktionsinverter – dem Herz des elektrischen Antriebsstrangs. Seine technischen Eigenschaften entscheiden darüber, ob sich eine Antriebsplattform wirtschaftlich vom Kleinwagen bis zur Oberklasse skalieren lässt, wie resilient die Lieferkette aufgestellt werden kann und wie schnell neue Modelle auf den Markt kommen. Die Wahl des passenden Power-Moduls ist daher keine reine Beschaffungsentscheidung mehr, sondern eine strategische Weichenstellung.

Stromvervielfachung: Optimal für anspruchsvolle Anwendungen

Mit steigenden Anforderungen an Stromdichte und Effizienz stoßen herkömmliche Stromversorgungsarchitekturen an ihre Grenzen. Die Factorized Power Architecture stellt eine leistungsfähige Alternative für aktuelle Hochstromanwendungen dar.

Tom Curatolo

Strategische Herausforderungen der Skalierungsphase

Die Automobilindustrie befindet sich in einer tiefgreifenden strukturellen Transformation. Längst ist bekannt: Der Übergang zur Elektromobilität geht weit über die Substitution des Verbrennungsmotors durch einen elektrischen Antrieb hinaus. Er führt vielmehr zu grundlegend neuen Wertschöpfungsstrukturen, technologischen Entwicklungszyklen und globalen Wettbewerbsdynamiken. Nachdem die technologische Grundlage geschaffen ist und die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen steigt, rückt nun die industrielle Skalierung in den Mittelpunkt. Hersteller und Zulieferer stehen unter enormem Kostendruck, müssen verkürzte Innovationszyklen bewältigen und gleichzeitig steigende Anforderungen an die Stabilität und Resilienz ihrer Lieferketten erfüllen. Parallel verschärft sich der internationale Wettbewerb durch neue Marktteilnehmer sowie eine zunehmende vertikale Integration zentraler Schlüsseltechnologien. Diese Entwicklungen sind dabei nicht isoliert zu betrachten, denn technologische, wirtschaftliche und geopolitische Einflussfaktoren verstärken sich gegenseitig (Bild 1).

Für strategische Entscheider, Entwicklungsverantwortliche und Supply-Chain-Manager ergibt sich daraus ein hochkomplexes Anforderungsprofil: Technologische Leistungsfähigkeit, industrielle Skalierbarkeit und stabile Lieferketten müssen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg sichergestellt werden. Die Fähigkeit, hohe Entwicklungsgeschwindigkeit und Flexibilität mit einer robusten, zukunftsfähigen Produktarchitektur zu verbinden, wird in der nächsten Phase der Elektromobilität zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor.

Marktentwicklung bestimmt Komponenten: neue Anforderungen an Power-Module

Die beschriebenen Marktherausforderungen bleiben nicht auf einer abstrakten Ebene. Sie schlagen sich unmittelbar in technischen Entscheidungen nieder – vor allem im elektrischen Antriebsstrang. Hier treffen Anforderungen an Effizienz, Skalierbarkeit, Kosten und Resilienz direkt aufeinander. Insbesondere der Traktionsinverter spielt hierbei eine zentrale Rolle. Welche Spielräume dabei tatsächlich zur Verfügung stehen, entscheidet sich letztlich mit dem Power-Modul als zentrale Kernkomponente. Somit sind die Anforderungen an moderne Power-Module ein direktes Spiegelbild der Marktdynamik:

Skalierbarkeit über Leistung und Spannung: Module müssen das gesamte Fahrzeugspektrum von 50 kW (Kleinwagen) bis über 400 kW (Oberklasse) und vom Pkw-Segment bis zu Nutzfahrzeugen abdecken – und dabei gleichzeitig für 400 V, 800 V und perspektivisch 1200 V ausgelegt sein. Nur so lassen sich unterschiedliche Fahrzeugklassen mit einer Plattform bedienen.

Neuartige EMV-Schirmung auf Basis eines Multilayer-CFK-Materials

Elektronische Systeme leiden bei hohen Frequenzen unter „Resonanzkatastrophen“, bei denen die EMV-Schirmdämpfung stark einbricht. Ein CFK-Multilayerabsorber mit magnetischen Füllstoffen reduziert Resonanzen und verbessert die Schirmdämpfung über kHz- bis GHz-Bereiche.

Frank Gräbner

Maximale Leistungsdichte: Bauraum ist in Fahrzeugen knapp und teuer. Eine hohe Leistungsdichte (kW/l) ist die Grundvoraussetzung, um leistungsstarke Wechselrichter in die unterschiedlichen Bauräume verschiedener Fahrzeugmodelle zu integrieren, vom Kompaktwagen bis zum SUV und ggf. auch darüber hinaus.

Flexibilität in der Schaltungstopologie: Die größte Herausforderung liegt in der topologischen Vielfalt: OEMs verfolgen unterschiedliche technische Philosophien beim Wechselrichter-Design: von klassischen Architekturen bis zu hocheffizienten Multilevel-Lösungen. Ob ein Power-Modul sich als skalierbare Plattform eignet oder lediglich punktuelle Anforderungen erfüllt, zeigt sich an den unterstützten Schaltungstopologien. Ein Blick auf die drei zentralen Anwendungsfälle macht deutlich, wo die technischen Unterschiede liegen. 

Anwendungen von Power-Modulen im elektrischen Antriebsstrang

Bei der Elektrifizierung des Antriebsstrangs existieren unterschiedliche Anwendungen für Power-Module. Drei beispielhafte Einsatzfälle (Schaltungstopologien) sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Im Umfeld von Hybridantrieben kommen teilweise Spannungshochsetzsteller-Schaltungen zum Einsatz. Abhängig vom Ladezustand schwankt die Batteriespannung, die dem Wechselrichter zum Antrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung steht. Der Spannungshochsetzsteller hilft, die E-Maschine unter diesen Bedingungen besser auszulegen und zu betreiben, indem er die Eingangsspannung des Wechselrichters über alle Ladezustände hinweg möglichst konstant hält. Typische Leistungen dieser Schaltungen liegen zwischen 25 kW und ca. 125 kW. Am weitesten verbreitet sind sie bei Batteriespannungslagen von 400 V.

Die bekannteste und gängigste Schaltung im elektrischen Antriebsstrang ist die sogenannte B6-Brücke. Sie besteht aus drei Halbbrücken – jeweils eine pro Motorphase – und kann die Ausgänge des Wechselrichters (U, V, W) entweder mit dem positiven oder dem negativen Potential der Batterie verbinden. Es stehen somit zwei Potentiale oder Level für die Modulation zur Verfügung (2-Level). Mithilfe einer Pulsweitenmodulation wird der erforderliche sinusförmige Strom in der Maschine erzeugt und damit das gewünschte Drehmoment eingestellt.

Aufgrund des breiten Einsatzspektrums der B6-Brücke variiert die erforderliche elektrische Leistung zwischen etwa 50 kW und über 400 kW (im Bereich Passenger Cars). Um Wechselrichter und damit die kompletten elektrischen Antriebsstränge möglichst kompakt zu gestalten, haben sich entsprechende Bauraumanforderungen etabliert (siehe Werte in Tabelle 1). Um die Effizienz des Antriebsstrangs zu steigern und damit die Fahrzeugreichweite zu erhöhen, werden zunehmend SiC-MOSFETs in Wechselrichtern und Leistungsmodulen für elektrische Antriebe eingesetzt.

Eine weitere Möglichkeit zur Reichweitensteigerung bietet der Einsatz sogenannter 3-Level-Schaltungen. Im Gegensatz zur klassischen B6-Brücke, die nur zwei Spannungspotentiale nutzt (Batterie Plus und Batterie Minus), wird hier eine zusätzliche Spannungslage verwendet, die ungefähr der halben Batteriespannung entspricht. Hierfür sind zwei weitere Leistungsschalter nötig, die den Ausgang (U) mit dieser mittleren Spannungslage verbinden. Dabei werden drei dieser 3-Level Halbbrücken (B2) wieder zu einer dreiphasigen B6 Brücke zusammengeschaltet.

Durch die zusätzliche Spannungsebene kann der sinusförmige Ausgangsstrom mit geringeren Verlusten erzeugt werden, insbesondere in der elektrischen Maschine. Dadurch lässt sich die Reichweite im Vergleich zur klassischen B6-Brücke etwa um weitere 5 Prozent steigern.

Die Vielfalt der Applikationen zeigt: Es gibt keine universelle Lösung für den elektrischen Antriebsstrang. Entscheidend ist vielmehr ein modular aufgebautes Portfolio, das unterschiedliche Schaltungstopologien, Leistungsbereiche und Spannungsebenen konsistent unterstützt. Wie sich diese Anforderungen in konkreten Produktlösungen umsetzen lassen, zeigen die folgenden Beispiele.

48 V statt 12 V: DC/DC-Wandler im Fokus des SDV

Das Fahrzeug von morgen hat mehrere Spannungsebenen integriert. 12 V, 48 V sowie 400- und 800-Volt-Systeme erhöhen die Komplexität im Bordnetz. Welche Rolle DC/DC-Wandler dabei übernehmen, erläutern Haris Muhedinovic und Andreas Wisser von Vicor.

Alfred Vollmer

Power-Module für unterschiedliche Topologien: Beispiele von Bosch

Auf dem Markt existiert ein diverses Angebot an Power-Modulen von unterschiedlichen Herstellern. Exemplarisch werden zwei Ansätze vorgestellt, die unterschiedliche Strategien abbilden: das hochflexible DSL-Modul, sowie die Topologie-optimierte Generation PM6.

Das DSL (siehe Bild 2) ist ein sehr flexibles, kompaktes Paket, das zwei parallel geschaltete SiC-MOSFETs enthält. Dadurch kann es in allen drei Schaltungstopologien eingesetzt werden. Neben dieser Flexibilität lässt sich die Ausgangsleistung dieses Power-Moduls aufgrund seiner kompakten Bauweise besonders einfach durch Parallelschaltung skalieren. Die benötigte Modulanzahl wächst dabei proportional zur gewünschten Leistung; etwa ein einzelnes DSL für kleinere Leistungen oder sechs DSL-Module für eine B6-Schaltung. Für höhere Leistungen können jeweils zwei DSL-Module parallel betrieben werden, was bei einer B6-Brücke insgesamt zwölf DSL-Modulen entspricht (6 × 2). Für nochmals höhere Leistungsanforderungen ist auch die Parallelschaltung von drei oder vier DSL-Modulen möglich, sofern entsprechend mehr Bauraum zur Verfügung steht.

Das PM6 (Bild 3) beinhaltet zwei topologische Schalter und bildet damit eine Halbbrücke. Aus drei PM6-Modulen lässt sich eine sehr kompakte B6-Brücke (Bild 4) aufbauen, mit der Leistungen im Bereich von etwa 50 bis 400 kW realisiert werden können. Andere Schaltungen wie der Hochsetzsteller oder 3L-Schaltungen lassen sich aufgrund ihrer stark abweichenden Anforderungen nicht effizient im Rahmen dieser Plattform umsetzen.

Durch die Optimierung der Topologie zeichnet sich das PM6 durch besonders kompakte Abmessungen aus. Die Leistungsanpassung erfolgt nicht über die Parallelschaltung mehrerer Module, sondern über eine Skalierung innerhalb des Leistungsmoduls selbst. Hierzu können beispielsweise 4, 8 oder 12 SiC-MOSFETs mit Chipflächen zwischen 20 und 40 mm² im PM6 integriert werden. Dieser Ansatz ermöglicht es, eine einheitliche Wechselrichterplattform über mehrere Fahrzeugklassen hinweg zu nutzen, was Entwicklungsaufwand, Variantenvielfalt und Fertigungskomplexität deutlich reduziert.

Das PM6 erreicht seine hohe Leistungsdichte durch sein thermisches und elektrisches Design. Es nutzt spezielle Siliziumnitrid-Substrate und angepasste Materialen für effektive Wärmeableitung und hohe Temperaturwechselbeständigkeit. Ein symmetrisches Layout reduziert zudem Schaltverluste und Spannungsspitzen, was höhere Schaltfrequenzen, eine bessere Effizienz und eine längere Lebensdauer ermöglicht. Für Wechselrichteranwendungen, bei denen Effizienz, Leistungsdichte und Robustheit entscheidend sind, sind Module mit fortschrittlichen Designs gefordert.

Zukunftsfähig dank Plattformtechnologien

Die angeführten Beispiele zeigen, dass Power-Module im elektrischen Antriebsstrang weit über einzelne Komponenten hinausgehen. Entscheidend ist ihre Rolle als skalierbare Plattform, die unterschiedliche Leistungsbereiche, Spannungslagen und Schaltungstopologien konsistent abdeckt. Eine strategisch aufgebaute Vielfalt bei Power-Modulen schafft damit die Grundlage, technische Anforderungen, Marktgeschehen und industrielle Skalierung in Einklang zu bringen. Die Wahl des richtigen Technologiepartners, der die gesamte Bandbreite abdeckt, wird so zu einem zentralen Hebel für Wettbewerbsfähigkeit in der Elektromobilität. (na)