Die Zahl der neu zugelassenen Elektroautos erreichte 2018 mit weltweit rund zwei Millionen Einheiten einen neuen Rekord. Doch nach wie vor machen Elektrofahrzeuge (xEVs) – darunter vollelektrische Fahrzeuge und Plug-in-Hybride – nur etwa zwei Prozent der hergestellten Leichtfahrzeuge aus. In den nächsten Jahren ist zwar ein Anstieg des Anteils von xEVs zu erwarten, aber bis 2022 dürften rund 98 Prozent der Autos ausschließlich oder teilweise einen Verbrennungsmotor (ICE) als Antrieb nutzen (Bild 1).

Bild 1: Prognose für den weltweiten Absatz von Verbrennungsmotoren und vollelektrischen Fahrzeugen (Quelle: LMC Automotive).

Bild 1: Prognose für den weltweiten Absatz von Verbrennungsmotoren und vollelektrischen Fahrzeugen (Quelle: LMC Automotive). Littelfuse

Um die Auswirkungen von Schadstoffen zu reduzieren, müssen Hersteller die kraftstoffbetriebenen Fahrzeuge umweltfreundlicher gestalten. In diesem Zusammenhang fordern Regierungen und internationale Institutionen durch die Verabschiedung restriktiverer Gesetze von den Automobilherstellern, die Fahrzeugemissionen zu reduzieren.

Hauptproblem Schadstoffe

Verbrennungsmotoren erzeugen mechanische Arbeit durch eine chemische Hochtemperaturreaktion zwischen einem Kraftstoff – Benzin oder Diesel – und dem Sauerstoff in der Luft. Als Ergebnis der chemischen Reaktion erzeugt der Motor Rauch. Je nach Kraftstoff und Qualität der Verbrennung setzt sich dieser Rauch aus einer größeren oder kleineren Anzahl von Schadstoffen zusammen, nämlich Kohlendioxid (CO2), Stickoxide (NOx) und Wasser. Welche Art von Schadstoff dominant ist, hängt stark vom Motortyp ab. In Benzinfahrzeugen ist CO2 der vorherrschende Schadstoff. Als Treibhausgas führt CO2 zu einem Anstieg der globalen Oberflächentemperatur. Die CO2-Emissionen stehen in direktem Zusammenhang mit dem Kraftstoffverbrauch. Aus diesem Grund zielen verschiedene europäische Normen darauf ab, den CO2-Ausstoß durch weniger Kraftstoffverbrauch zu senken.

Zur Vermeidung von CO2 reduzieren die Autohersteller den Kraftstoffverbrauch auf verschiedene Weise. Dabei sind die Verkleinerung der Motoren und Direkteinspritzung die am häufigsten verwendeten Techniken. Unter bestimmten Bedingungen wie bei gleichbleibender Geschwindigkeit erfolgt dies sehr effektiv, wobei die restlichen Schadstoffe vernachlässigbar sind. Unter realen Fahrbedingungen haben sich diese Mechanismen jedoch als nicht effektiv erwiesen und führen gelegentlich sogar zu einer schlechteren Verbrennung. In diesem Fall können die Motoren mehr CO2 als erwartet, aber auch NOx und andere Partikel produzieren. Diese lassen sich dann zum Teil selbst durch Filter und Katalysator nicht vollständig aus der Abgasluft entfernen.

Neue und strengere Emissionsvorschriften

Eck-Daten

In einer immer umweltbewussteren Gesellschaft wollen führende Komponentenhersteller die Kunden dabei unterstützen, effizientere und umweltfreundlichere Lösungen für die Mobilität zu finden. Aktuelle Zündungs-IGBTs ermöglichen zuverlässige und leistungsstarke Geräte für alle benzin- oder erdgasbetriebenen Fahrzeuge und Motorräder. Die Technologien der fünften Generation der IGBTs sind auf die kommenden Herausforderungen an die neuen Motormanagementsysteme vorbereitet. Die Analyse der zukünftigen Emissionsvorschriften und die Untersuchung geeigneter Komponenten in einem echten Motorenprüfstand ermöglichen ein tieferes Verständnis für Systeme, Anwendungen und Technologien, die demnächst erscheinen. So sind auch Lieferanten und Automobilhersteller optimal auf die Zukunft vorbereitet.

Schon seit längerem ist die Öffentlichkeit besorgt über Schadstoffe und ihre Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen und die Umwelt. Doch zuletzt hat der Dieselgate-Skandal einige Lücken in den Normen und auch fehlerhafte Prozesse bei den Emissionstests offenbart. Regierungen und internationale Institutionen verlangen durch die Verabschiedung restriktiverer Gesetze von den Automobilherstellern, die Emissionen von Fahrzeugen drastisch zu reduzieren. Diese neuen Vorschriften betreffen die realen Antriebsbedingungen und überwachen strenger die Wirksamkeit der verschiedenen genannten Mechanismen.

Optimierungen in der Aerodynamik, die Reduzierung der mechanischen Reibung und aktuelle Lösungen zur Antriebsunterstützung tragen perspektivisch dazu bei, diese Ziele zu erreichen. Dabei spielt der Antriebsstrang eine entscheidende Rolle. Eine fortschrittlichere On-Board-Diagnose ist hier unbedingt erforderlich. Zudem spielt die Zuverlässigkeit der elektronischen Subsysteme eine entscheidende Rolle bei der Umweltfreundlichkeit des Fahrzeugs.

So trägt beispielsweise im Benzinmotor eine effizientere und präzisere Funkenbildung dazu bei, die Leistung des Motors zu verbessern und die Emissionen zu reduzieren. Durch die Variation des Zündzeitpunktes wird bei höheren Drehzahlen mehr Leistung erzeugt und beispielsweise die Auspuffemissionen beim Kaltstart reduziert. Neuere Emissionsvorschriften stellen auch höhere Anforderungen an die Elektronik, die das Motormanagementsystem steuert. Daher steht eine große und schnelle Revolution in der Emissionskontrolle bevor – weltweit.

Zündungs-IGBTs als Schlüsselkomponente

Die Zündungs-IGBTs (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor) bilden eine Schlüsselkomponente im Benzinmotor, da sie die Zündspule laden und entladen. Dies ermöglicht eine korrekte Funkenbildung und die anschließende Verbrennung, welche die mechanische Leistung erzeugt. Die ordnungsgemäße Funktion des Zündungs-IGBTs innerhalb des Zündsystems spielt eine entscheidende Rolle für die zuverlässige Funktion des Motors sowie des gesamten Fahrzeugs und beeinflusst die ausgestoßenen Schadstoffe. Entsprechend entwickeln sich die Anforderungen und Spezifikationen weiter – wie die Antriebstechnologien.

Bild 2: Motoren-Verkleinerungen und Direkteinspritzung als Maßnahmen zur Einhaltung von Abgasnormen haben direkten Einfluss auf den Zündungs-IGBT als Kernstück der Zündungsanlage.

Bild 2: Motoren-Verkleinerungen und Direkteinspritzung als Maßnahmen zur Einhaltung von Abgasnormen haben direkten Einfluss auf den Zündungs-IGBT als Kernstück der Zündungsanlage. Littelfuse

Nun stellt sich die Frage, wie sich diese neuen Vorschriften auf die Zündanlage und damit auf den Zündungs-IGBT als Kernstück der Zündanlage auswirken. Welchen Einfluss haben dabei die Motoren-Verkleinerung und die Direkteinspritzung (Bild 2)? Die Verbrennung in Zündanlagen wird durch den Funken über den Spalt in der Zündkerze ausgelöst. Die Funkencharakteristik bestimmen dabei Parameter wie die Funkenstreckenbreite, der sekundärseitige gepulste Spannungspegel, die Funkendauer und die Funkenenergie.

Diese Parameter hängen von den Betriebsbedingungen und Eigenschaften des Verbrennungsmotors ab. So erfordern beispielsweise dünnere Kraftstoffe eine größere Spalte, um mehr Luft-Gas-Moleküle zwischen den Funkenstrecken zu ermöglichen und damit eine korrekte Wärmeübertragung zu gewährleisten, wenn der Verbrennungsprozess eingeleitet wird. Die Verwendung größerer Lücken erfordert höhere Spannungswerte, um den Lichtbogen in der Funkenstrecke zu initiieren. Folglich sind höhere Spannungswerte für den Zündungs-IGBT und die in der Zündanlage verwendeten Elemente erforderlich.

Dies gilt auch dann, wenn höhere Verdichtungsverhältnisse nötig sind. Zum Beispiel erfordert der Druckanstieg höhere Spannungspegel, um den Lichtbogenübergang in der Funkenstrecke sicherzustellen. Darüber hinaus erfordern kleinere Motoren (mit kleineren Zylindern bei gleicher Leistung) und höhere Beschleunigungskapazitäten (für Hochleistungsfahrzeuge), dass eine höhere Anzahl von Verbrennungen und damit höhere Zündungs-IGBT-Schaltzyklen innerhalb eines bestimmten Zeitraums stattfinden. In beiden Fällen führt dies zu höheren Betriebstemperaturen.

Zukünftige Anforderungen

In einem sich ständig weiterentwickelnden und hart umkämpften Umfeld ist es ein bedeutender Vorteil, immer auf dem neuesten Stand zu bleiben – oder sogar den neuen System- und Komponentenanforderungen voraus zu sein. Dies erfordert eine zukunftsbezogene Entwicklung neuer Lösungen.

Bild 3: So beeinflussen Emissionsnormen die Anforderungen an Zündungs-IGBTs: von der Norm über den OEM, Tier 1 und schließlich zum Tier 2, der die Komponenten für das Zündsystem liefert.

Bild 3: So beeinflussen Emissionsnormen die Anforderungen an Zündungs-IGBTs: von der Norm über den OEM, Tier 1 und schließlich zum Tier 2, der die Komponenten für das Zündsystem liefert. Littelfuse

Im Allgemeinen werden für das Zündsystem die Tabellen und Kurven zur Definition der maximalen Emissionspartikel und des Gasgehalts von den Automobilherstellern in eine spezifischere technische Spezifikation übersetzt und an die Tier-1-Lieferanten gegeben. Damit können sie besser das Zündsystem, die Spulen und Zündkerzen auswählen. Die Lieferanten wiederum legen die technische Spezifikation für die in den elektronischen Zündsystemen enthaltenen elektrischen und elektronischen Komponenten fest, einschließlich des Zündungs-IGBTs. Die Hersteller der Zündungs-IGBTs, wie Littelfuse, erhalten dann den Anforderungskatalog, um die richtigen Lösungen bereitzustellen (Bild 3).

Gerade in einem sich schnell verändernden Umfeld mit immer neuen Vorschriften und Spezifikationen ist es aufgrund der langen Entwicklungszyklen notwendig, dass die Lieferanten so früh wie möglich neue Anforderungen der Kunden voraussehen. Im Idealfall entwickelt der Lieferant dann schon in der frühen Designphase das richtige Produkt. Auf diese Weise kann er das Design des Kunden beurteilen und beeinflussen und somit die Innovation im Markt vorantreiben.

Erforschung der Trends bei Zündsystemen

Durch eine gründliche Analyse der neuen und zukünftigen Emissionsvorschriften der kommenden Jahre sowie mithilfe von Experten für Motorenmanagement ermitteln vorausschauende Hersteller die wahrscheinlichsten Betriebsbedingungen des Motors und replizieren sie in einem Testmotor im Labor. Der Testmotor besteht aus einem einstellbaren Einzelzylindermotor mit der Möglichkeit zur Direkteinspritzung.

Der Einlass ist steuerbar und einstellbar für Druck, Temperatur und Zusammensetzung. Auch eine Abgasrückführung (ERG) ist möglich und regulierbar. Der Zündzeitpunkt und die Zünderzeugung lassen sich in Echtzeit mit der Zündelektronik steuern, die geeignete Zünd-IGBTs enthält. Zudem lassen sich die Abgase CO2, NOx, CO und andere Partikel kontinuierlich analysieren und messen.

Bild 4: Ein mögliches Szenario für Untersuchungen an einem Testmotor. Hier lassen sich Schlüsselmerkmale wie Sättigungsspannung, Strom- und Kurzschlussfähigkeit oder Klemmspannung bewerten.

Bild 4: Ein mögliches Szenario für Untersuchungen an einem Testmotor. Hier lassen sich Schlüsselmerkmale wie Sättigungsspannung, Strom- und Kurzschlussfähigkeit oder Klemmspannung bewerten. Littelfuse

Mit solchen Geräten können Hersteller alle möglichen Bedingungen nachahmen und dadurch gewährleisten, dass die Abgase allen zuvor festgelegten Zukunftsszenarien entsprechen. Auf diese Weise lassen sich die Anforderungen für die künftigen Generationen von Zündungs-IGBTs viele Jahre im Voraus messen. Außerdem können die Forscher Schlüsselmerkmale wie die Sättigungsspannung, Strom- und Kurzschlussfähigkeit, Klemmspannung, Energiefähigkeit und die zeitlichen Abläufe bewerten (Bild 4).

Bild 5: Zur Senkung der Gehäusetemperatur im Zündsystem ist eine verdoppelte Lötfläche empfehlenswert.

Bild 5: Zur Senkung der Gehäusetemperatur im Zündsystem ist eine verdoppelte Lötfläche empfehlenswert. Littelfuse

Bild 6: Das Diagramm zeigt den Zusammenhang von Leiterplatten-Lötfläche und Gehäusetemperatur bei verschiedenen Frequenzen. Mit verdoppelter Lötfläche lässt sich die Temperatur bei hohen Frequenzen um etwa 10 °C senken.

Bild 6: Das Diagramm zeigt den Zusammenhang von Leiterplatten-Lötfläche und Gehäusetemperatur bei verschiedenen Frequenzen. Mit verdoppelter Lötfläche lässt sich die Temperatur bei hohen Frequenzen um etwa 10 °C senken. Littelfuse

Aufgrund der Verkleinerung von Motoren zur Reduzierung der CO2-Emissionen sind höhere Schaltfrequenzen zu erwarten. Mit steigender Schaltfrequenz ist es umso wichtiger, ein gutes thermisches Leiterplatten-Design zu nutzen, um das Gerät innerhalb der Spezifikation und im sicheren Betriebsbereich zu halten. Die Autoren und ihre Teams haben festgestellt, dass das richtige Design der Leiterplatte die Durchschnittstemperatur des Geräts erheblich beeinflusst. Als Ergebnis der Laboruntersuchungen ist festzustellen, dass unterhalb des Gerätes ein Bereich mit mindestens der doppelten Lötfläche, beidseitig mit Wärmeverteilern, zum Einsatz kommen sollte, um die Gehäusetemperatur um durchschnittlich 10 °C zu senken (Bilder 5 und 6).

IGBTs der fünften Generation

Die Anforderungen aktueller und künftiger Trends erfüllt zum Beispiel die neue IGBT-Generation 5 (LGx5-Serie) von Littelfuse. Dazu wurden die Forschungsergebnisse des Unternehmens auf System- und Motorebene erfasst und auf diese Plattform übertragen. Mit dem bekannten niedrigen Vce(sat) der Vorgängergenerationen, den guten Energieeigenschaften und den höheren Klemmspannungen über 450 V hinaus eignet sich die Lösung optimal für neuere Zündsysteme. Sie lässt sich zum Beispiel für mehrteilige und mehrstufige Zündsysteme, Motoren mit hohem Verdichtungsverhältnis und verkleinerte Motoren mit oder ohne Einspritzung einsetzen. Diese befinden sich auch in Motorrädern, 2-Rad- und 3-Rad-Fahrzeugen, wo höhere Drehzahlen eine hohe thermische Zuverlässigkeit und Robustheit erfordern.