Die Marktchancen von Elektrofahrzeugen werden sich verbessern, wenn diese noch leistungsfähiger, zuverlässiger und günstiger werden. Wie das funktionieren könnte, untersucht das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 10 Millionen Euro geförderte Forschungsprojekt EMiLE unter der Leitung von ZF. Ziel ist es, die Leistungselektronik eines Elektrofahrzeugs direkt in die Antriebsmaschine zu integrieren. Wirkungsgrad und Leistungsdichte nehmen dadurch zu, Fehler lassen sich leichter erkennen und eine Serienproduktion deutlich günstiger realisieren.
In aktuellen Elektrofahrzeugen befindet sich die Leistungselektronik für den elektrischen Antrieb in einem separaten Gehäuse, das über Kabel mit der elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist. Diese Lösung benötigt Platz für die Elektronik. Zudem verursachen die notwendigen Kabel zusätzliche Kosten, steigern das Gewicht und erhöhen die Störanfälligkeit. Im Förderprojekt „Elektro-Motor integrierte Leistungs-Elektronik“ (EMiLE) will das Partnerkonsortium unter Leitung der ZF Friedrichshafen AG daher einen Schritt weiter gehen: Die Leistungselektronik soll zu großen Teilen direkt in die Antriebsmaschine integriert werden.

Schematische Zeichnung der Grundidee von EMiLE: Direkte Integration der Leistungselektronik in die E-Maschine.

Schematische Zeichnung der Grundidee von EMiLE: Direkte Integration der Leistungselektronik in die E-Maschine.ZF

Zusammen mit den Industriepartnern AixControl GmbH, Infineon Technologies AG, Lenze SE, Robert Bosch GmbH, Siemens AG, TDK-EPC Corporation, Volkswagen AG, dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB sowie dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen sollen die dafür nötigen Technologien erforscht werden. Die strategische und inhaltliche Basis des Projekts EMiLE entstand in enger Abstimmung mit der Arbeitsgruppe 1 der Nationalen Plattform Elektromobilität.

Kooperation mit vielen Vorteilen

Ziel der Förderung durch das BMBF ist es, durch eine frühe Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen mit deutschen Automobil- und Zulieferunternehmen entlang der ganzen Wertschöpfungskette vom Bauelement bis zum elektrischen Antriebssystem den Weg für Kooperationen bei möglichen Praxisanwendungen zu ebnen. Zudem soll durch das Projekt ein wichtiger Wissenstransfer rund um das Thema E-Mobilität stattfinden. Wird die Leistungselektronik direkt in die Antriebsmaschine integriert, profitieren davon aber nicht nur Elektrofahrzeuge. Auch in der industriellen Automatisierungstechnik lassen sich die Vorteile gezielt für mehr Effizienz und eine wirtschaftlichere Produktion nutzen.

Direkte Integration der Leistungselektronik

Ist die Leistungselektronik in der Nähe der Antriebsmaschine an den Statorwicklungen platziert, ergeben sich bereits viele Vorzüge: Umrichter, die den Elektromotor mit Strom versorgen, lassen sich über wenige Schnittstellen einbinden. Das reduziert den Bauraum sowie das Gewicht und wirkt sich im Vergleich zu separaten Einzelsystemen positiv auf die Gesamtkosten aus. Zudem entfallen potenzielle EMV-Störquellen, da die mit Störströmen belasteten Motorkabel im Fahrzeug vermieden werden. Gleichzeitig steigen jedoch die thermischen und mechanischen Anforderungen an die Leistungselektronik.

Das Projekt EMiLE will aber noch mehr erreichen: Die Partner haben es sich zum Ziel gesetzt, die Leistungselektronik direkt in die Antriebsmaschine zu integrieren. Die Zahl einzelner Schnittstellen und Komponenten lässt sich so noch einmal reduzieren. Nicht zuletzt ergibt das auch die Möglichkeit, vormontierte Einzelsysteme für eine einfachere Produktion zu nutzen. Daneben werden noch weitere Vorteile in den Bereichen Fehlerbeherrschung, Redundanz, funktionale Sicherheit und Systemwirkungsgrad erwartet.

Die Ziele hinter dem Projekt EMiLE sind klar definiert: Um bis zu 50 Prozent soll die Systemleistungsdichte von Umrichter und E-Maschine wachsen – und das bei 40 Prozent geringeren Systemkosten im Vergleich zu separaten Teilsystemen. Diese Verbesserungen sollen sowohl für den Einsatz im Pkw-Bereich als auch für die Anwendung in der Industrie demonstriert werden.