FRIEDRICHSHAFEN — Immer mehr Automobilhersteller weltweit realisieren kürzere Ladezeiten bei batterieelektrischen Fahrzeugen mit einer veränderten Bordnetz-Architektur: Das Hochvolt-Bordnetz insbesondere bei E‑Autos im Premium- und Sportwagensegment wird auf eine Spannung von 800 Volt ausgelegt statt wie bislang auf 400 Volt. Dazu entwickelt und produziert ZF entsprechende Komponenten für den elektrischen Antriebsstrang. Im Zentrum: eine Leistungselektronik mit Siliziumcarbid als Halbleiter. Die Technologie wird von ZF bereits in der Rennserie Formula E genutzt und kommt noch in diesem Jahr in mehreren Fahrzeugen gehobener Segmente auf den Markt.
„Es zeichnet sich ab, dass sich bei künftigen Premiumfahrzeugen oder Sport-Stromern die 800-Volt-Architektur etabliert, wohingegen im Volumenmarkt weiterhin die 400-Volt-Architektur Standard bleibt“, sagt Bert Hellwig, bei ZF verantwortlich für die Systementwicklung elektrischer Antriebe. „Für 400-Volt-Anwendungen liefern wir bereits seit Jahren Serientechnologie, für 800-Volt-Anwendungen bereiten wir nun den Serienstart für dieses Jahr vor.“
Bei der Anwenderfreundlichkeit von E‑Fahrzeugen spielt die Ladezeit eine wichtige Rolle. Sollen Elektroautos langstreckentauglich werden, muss die Batterie innerhalb einer Stunde wieder nahezu vollständig geladen sein. Das Grundsatzproblem beim Schnellladen: Fließen höhere Ströme, müssen dickere Kabel verwendet oder besser gekühlt werden, weil sich mehr Wärme entwickelt. Dadurch steigen Fahrzeuggewicht und Komplexität der Lade-Infrastruktur – es sei denn, die Bordnetz-Architektur ist bereits von vornherein auf höhere Leistung ausgelegt. Daher planen viele Automobilhersteller kommende Serienfahrzeuge mit der höheren Spannung von 800 Volt.
Serienanläufe für 800-Volt-Leistungselektronik von ZF
Eine wesentliche Komponente für den elektrischen Antriebsstrang ist die Leistungselektronik, deren Hauptaufgabe die Umformung zwischen verschiedenen Arten elektrischer Energie ist. Für 400-Volt-Architekturen gehört sie längst zum ZF-Produktportfolio in Serienfahrzeugen. Und auch für Antriebe mit erhöhter Spannung liefert der Technologiekonzern dieses zentrale Element: „Derzeit arbeiten wir am Serienstart für mehrere 800-Volt-Projekte“, sagt Hellwig. „Für mehrere Modelle eines chinesischen Herstellers liefern wir den kompletten elektrischen Antriebsstrang inklusive Leistungselektronik. Und für einen europäischen Sportwagenhersteller steuert ZF die Leistungselektronik für eine Hochvolt-Anwendung bei.“ Weitere Serienanläufe zeichnen sich bereits ab. „Bei der Auslegung der Leistungselektroniken auf 800 Volt können wir Synergien zwischen Pkw und anderen Anwendungen ausbauen“, so Hellwig.
ZF setzt dabei erstmals in der Serie auf eine neue Technologie für die in den Leistungselektroniken verbauten Chips: Statt Silizium-Transistoren kommen Bauteile aus Siliziumcarbid zum Einsatz. So lassen sich die internen Schaltverluste bei Leistungselektroniken nochmals senken. Weil die Leistungselektronik beim elektrischen Fahren und Rekuperieren einen sehr hohen Energiedurchsatz hat, steigt der Wirkungsgrad des gesamten elektrischen Antriebsstrangs – und mithin die Reichweite. ZF hat Siliziumcarbid-Leistungselektroniken erstmals in der Formel E eingesetzt. Aus dieser Rennsport-Klasse fließen Erfahrungen und Erkenntnisse kontinuierlich in die Serienentwicklung ein.
