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Bosch elektrifiziert die Zukunft der Automobilbranche

Die weltweite Umstellung auf Elektroautos wird von Zulieferern wie Robert Bosch vorangetrieben, die elektrische Komponenten und Systeme für Automobilhersteller liefern. Das Bosch-Team optimiert dreiphasige Wechselrichter und ihre Zwischenkreiskondensatoren mit einem simulationsgestützten Designprozess, der es ermöglicht, potenziell schädliche "Hot Spots" frühzeitig im Entwicklungszyklus zu identifizieren.

Von Alan Petrillo
Dezember 2021

So wie die Touristen in Paris in den Louvre strömen, so kommen auch die Besucher in Stuttgart in Scharen in die Museen, welche die großen Werke der Stadt zeigen. Stuttgart kann sich zwar nicht mit Degas oder Monet rühmen, aber seine prominenten Namen sind vielleicht noch berühmter als die der Pariser Maler: Mercedes-Benz und Porsche. Jeder dieser symbolträchtigen Autohersteller unterhält ein Museum in der südwestdeutschen Stadt, die sie ihre Heimat nennen. In den glänzenden Galerien sind viele historische und bahnbrechende Autos ausgestellt, die fast alle von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Mit Blick auf die Zukunft wird Stuttgart wohl auch weiterhin das Herz der deutschen Autoindustrie sein, aber wie lange wird der Verbrennungsmotor das Herz des Automobils bleiben?

Auch die erfolgreichsten Hersteller müssen sich an veränderte Bedingungen anpassen. Der deutsche Automobilsektor tut dies ebenso wie seine weltweiten Konkurrenten, indem er Elektroautos entwickelt. Elektroautos sind ein wichtiger Schwerpunkt von Robert Bosch – ein führender Automobilzulieferer, der in Stuttgart gegründet wurde. Heute liefert Bosch elektrische Antriebe, Systeme und Komponenten an Automobilhersteller weltweit.

Da die Automobilindustrie auf eine elektrifizierte Zukunft zusteuert, beschleunigt Bosch seine Forschung und Entwicklung bei den wesentlichen Bausteinen des elektrischen Antriebsstrangs. Eine dieser Komponenten ist der Wechselrichter, der den Gleichstrom aus den Fahrzeugbatterien in Wechselstrom umwandelt, um den Antriebsmotor anzutreiben (Abbildung 1). Die Fähigkeit des Wechselrichters, einen reibungslosen Stromfluss zu gewährleisten, hängt von seinem integrierten Zwischenkreiskondensator ab (Abbildung 2). „Der Kondensator ist eine der teuersten Komponenten des Wechselrichters. Seine Leistung wirkt sich direkt auf die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit des Wechselrichters aus, und ist damit für den Betrieb des Antriebsstrangs von grundlegender Bedeutung“, erklärt Martin Kessler, Senior-Experte für Automobilelektronik bei Bosch.

Damit der globale Automobilsektor seine ehrgeizigen Elektrifizierungsziele erreichen kann, müssen Wechselrichter und ihre Kondensatoren kontinuierlich verbessert und optimiert werden. Martin Kessler und sein Team nutzen die Multiphysik-Simulation, um die Zwischenkreiskondensatoren von Bosch zu testen und weiter zu verbessern. Ihre simulationsgestützte prädiktive Analyse ergänzt und optimiert den realen Prototypenbau von neuen Designs. „Es ist einfach nicht möglich, potenzielle Probleme allein durch Tests vorherzusagen; wir müssen Simulation und Test Hand in Hand arbeiten lassen“, sagt Kessler.

Die neue Ära des Elektromobils

„Autofahrer, startet eure Motoren!“ Als würde man dem Aufruf zum Start eines weltweiten Rennens folgen, beginnen Menschen überall ihren Tag mit dem Anlassen eines rumpelnden Verbrennungsmotors. Doch dieses vertraute Geräusch kann beunruhigend klingen, vor allem, weil die Umweltauswirkungen von Fahrzeugemissionen immer deutlicher werden. Um diese Emissionen und ihren Beitrag zum globalen Klimawandel zu verringern, steigert die Automobilindustrie die Produktion von elektrisch betriebenen Pkw und Lkw. Viele der heute erhältlichen Elektrofahrzeuge tragen bekannte Markennamen, aber unter der Motorhaube sind diese Fahrzeuge oft auf die Technologie und das Fachwissen von externen Zulieferern angewiesen.

Dies stellt für eine globale Industrie eine große Veränderung dar. Führende Automobilhersteller gehören zu den größten Arbeitgebern der Welt, und ein großer Teil ihrer Mitarbeiter, ihrer Forschungs- und Entwicklungsabteilung und ihrer Produktionskapazitäten ist für die Herstellung von Verbrennungsmotoren bestimmt. Die zentrale Bedeutung des Verbrennungsmotors für diese Unternehmen lässt sich an ihren Namen ablesen, von General Motors bis zu den Bayerischen Motoren Werken (besser bekannt als BMW). Warum sollten sich Unternehmen, die für ihre Motoren bekannt sind, an Außenstehende wenden, um ihre Autos zum Laufen zu bringen? Vielleicht liegt es daran, dass die Elektrifizierung die Industrie in gewisser Weise dazu zwingt, zu lernen, wie man eine völlig andere Art von Maschine herstellt.

Anatomie eines Elektroantriebsstrangs

Um ein reines Elektroauto zu bauen, reicht es nicht aus, den Motor durch einen Elektromotor und den Benzintank durch eine Batterie zu ersetzen. Diese bekannten Komponenten sind nur Teile eines größeren Systems, das zu einer reibungslosen und zuverlässigen Leistung beiträgt, indem es sich an die ständig wechselnden Bedingungen anpasst, unter denen jedes Fahrzeug funktionieren muss (Abbildung 3).

Unverzichtbarer Wechselrichter, entscheidender Kondensator

Die Rolle des Wechselrichters in einem Kfz-Antriebsstrang ist vom Konzept her einfach, in der Praxis jedoch komplex. Der Wechselrichter muss den Wechselstrombedarf des Motors mit dem von der Batterie gelieferten Gleichstrom decken, aber er muss sich auch an die ständigen Schwankungen von Last, Ladung, Temperatur und anderen Faktoren anpassen, die das Verhalten jeder Komponente des Systems beeinflussen können. All dies muss innerhalb enger Kosten- und Bauraumvorgaben geschehen, und die Komponente muss diese Leistung über Jahre hinweg aufrechterhalten.

Um die Funktion des Wechselrichters zu verstehen, muss man sich vor Augen führen, was ein Drehstrommotor braucht, um zu funktionieren. Wenn er an Gleichstrom angeschlossen ist, kann sich der Motor nicht drehen. Stattdessen muss er mit Wechselstrom mit drei unterschiedlichen, aber komplementären Wellenformen versorgt werden, damit die dreiteilige Feldspule des Motors die Segmente seines Rotors in einem aufeinanderfolgenden Muster magnetisch anziehen kann. „Um die Aktivität des Motors zu steuern, müssen wir die Amplitude und die Ausgangsstromfrequenz des Wechselrichters kontrollieren“, erklärt Kessler. „Die Geschwindigkeit des Motors ist proportional zur Frequenz, während die Amplitude sein Drehmoment bestimmt.“

„Die gewünschte Stromkurve durch die Transistoren hat einen relativ steilen Gradienten. Die einzige Möglichkeit, einen Schaltstrom mit diesem hohen Gradienten zu erreichen, ist eine sehr geringe Induktivität im Source-Pfad“, sagt Kessler. Die Induktivität ist die besondere Kraft, die Änderungen des Stromflusses entgegenwirkt. Jede geringfügige Stromänderung wird durch eine induzierte Gegenspannung begrenzt, welche die gewünschte Wellenform –und die gleichmäßige Drehung des Motors – stört.

Um die Induktivität im Source-Pfad der Transistoren zu verringern, wird ein Kondensator parallel zur Eingangsleitung von der Batterie geschaltet, der als DC-Link bezeichnet wird. Der Zwischenkreiskondensator (Abbildung 5) befindet sich in unmittelbarer Nähe der Transistoren und liefert die gewünschten Stromwellenformen durch die Transistoren. Die niedrige Impedanz des Kondensators minimiert die verbleibende Restwelligkeitsspannung auf der Batterieseite.

Ein typischer Kondensator besteht aus zwei Elektroden, die durch einen isolierenden, aus Luft oder einem anderen Material bestehenden Zwischenraum getrennt sind. In dieser Anwendung verwendet Bosch Kondensatoren, die aus metallisierter Polypropylenfolie bestehen. Eine dünne Metallschicht (welche die Elektroden bildet) wird auf jede Seite der Folie aufgesprüht, wodurch der erforderliche dielektrische Spalt entsteht. Die metallisierte Folie wird dann fest zu einer Kanisterform gewickelt. Wie beim Wechselrichter selbst verbirgt sich hinter der konzeptionellen Einfachheit des Kondensators ein vielschichtiges Konstruktionsproblem.

Herausforderungen bei der Auslegung von Zwischenkreiskondensatoren für Fahrzeugwechselrichter

Kondensatoren sind weit verbreitete Bauteile, die in unzähligen elektronischen Geräten verbaut werden. Seit sieben Jahren ist Martin Kessler bei Bosch für die Entwicklung von Zwischenkreiskondensatoren zuständig. Er ist seit 1989 im Unternehmen und arbeitet seit 2010 an der Elektroauto-Technik. Dass sich ein so erfahrener Ingenieur diesem einen Bauteil widmet, zeigt dessen Bedeutung – und seine Komplexität.

„Warum können wir nicht einfach einen Kondensator auf dem Markt kaufen?“, fragt Kessler rhetorisch. „Hier spielen mehrere voneinander abhängige Faktoren eine Rolle. Erstens haben wir hohe Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit. Zweitens gibt es sehr enge räumliche Anforderungen. Drittens haben wir es mit schwierigen thermischen Bedingungen zu tun, da die Polypropylenfolie in einem Kondensator nur Temperaturen bis zu etwa 105 °C standhalten kann. Dieses Problem wird durch die Wechselwirkung von elektromagnetischer und thermischer Aktivität im gesamten Wechselrichter noch verschärft. Und schließlich ist der Kondensator relativ teuer“, erklärt Kessler.

Simulation (nicht Glück) hilft bei der Lösung des Black-Box-Problems

Um die Herausforderungen bei der Entwicklung eines Zwischenkreiskondensators zu meistern, hat Kessler ein Verfahren entwickelt, das experimentelle Tests mit Multiphysik-Simulationen kombiniert. Als Beispiel dafür, warum die simulationsgestützte Analyse ein notwendiger Teil seiner Arbeit ist, nennt er die Schwierigkeit, potenzielle Hot Spots zu finden und zu ermitteln, wo hohe Wärme und gekoppelte Effekte zu Ausfällen führen können. „Wir versuchen, Hot Spots zu lokalisieren, indem wir viele Thermoelemente im Inneren von Prototypen anbringen und die Temperaturen an verschiedenen Belastungspunkten messen“, sagt Kessler. „Aber mein Mantra ist, dass man einen solchen Hot Spot nur mit viel Glück finden kann! Man muss schon Glück haben, um das Thermoelement an der richtigen Stelle zu platzieren“, lacht er.

„Ein einfaches 2D-Modell eines Kondensators reicht auch nicht aus“, fährt Kessler fort. „Der Zwischenkreiskondensator ist ein verteiltes System mit internen Resonanzen und einer komplexen Verlustverteilung. Unsere gekoppelte EM- und thermische Analyse muss Skin- und Proximity-Effekte berücksichtigen. Ohne einen 3D-Finite-Elemente-Ansatz, der auch die räumliche Verteilung der gekoppelten EM- und thermischen Effekte modelliert, können wir keinen absoluten Wert für Spitzentemperaturen berechnen. Dies ist eine ideale Aufgabe für die COMSOL Multiphysics®-Software“, sagt Kessler. (Abbildungen 6-7)

Kesslers Design-Prozess validiert Simulationsmodelle nach Möglichkeit anhand von Messergebnissen und nutzt dann die validierten Modelle, um potenzielle Probleme zu erkennen (Abbildung 8). „Indem uns die Simulation hilft, heiße Stellen im Modell zu finden, können wir Probleme vermeiden, die erst spät im Entwicklungsprozess oder sogar erst nach Produktionsbeginn aufgetreten wären“, sagt Kessler. „Stattdessen können wir spezifische Ergebnisse erhalten und frühzeitig im Prozess Anpassungen vornehmen.“

„Wir führen bei jedem neuen Entwurf eine EM-Modellierung und Validierung durch. Wir vergleichen die berechnete Kurve des äquivalenten Serienwiderstands (ESR) mit der ESR-Kurve, die an einem Prototyp gemessen wurde (Abbildung 9). Wenn diese Kurven übereinstimmen, können wir die Randbedingungen für stationäre und instationäre Wärmeberechnungen festlegen“, sagt Kessler. „Wir können die Temperaturkurven unserer Thermoelemente mit den Ergebnissen der Sonden im COMSOL Multiphysics®-Modell vergleichen. Wenn sie übereinstimmen, können wir alle kritischen Punkte simulieren, an denen wir die Temperaturen in Grenzen halten müssen.“ Die Kurvendaten werden über das Schnittstellenprodukt LiveLink™ für MATLAB® in die COMSOL Multiphysics®-Software übertragen.

„Bevor wir das tun können, müssen wir uns überlegen, welche Faktoren in das Modell einfließen sollen“, sagt Kessler. „Einige der Variablen, die wir vom OEM erhalten, wie die maximale Zwischenkreisspannung, sind für unsere Simulation nicht sehr relevant“, fährt er fort. „Aber der Strom, die Schaltfrequenz, die Werte der E-Maschine und die Modulationsverfahren tragen alle dazu bei, ein Stromspektrum zu definieren. Wir müssen das Stromspektrum für alle drei Phasen unseres Ausgangs berechnen, um die Leistungsverluste zu ermitteln. Danach können wir die harmonische Analyse mit COMSOL Multiphysics® für die Frequenzen des Stromspektrums durchführen. Dann summieren wir unsere Verluste für jede Oberschwingung“, erklärt Kessler.

Weitere wichtige Werte sind die Randbedingungen, die Kessler und seinem Team helfen, gekoppelte Effekte zu bestimmen. „Wir berechnen die parasitäre Induktivität des Kondensators mit dem AC/DC Module“, sagt Kessler. „Wir ermitteln auch die komplette AC-Verlustverteilung durch die Kondensatorwicklungen oder die interne Stromschiene. Dann können wir die Ergebnisse koppeln und mit dem Heat Transfer Module die maximale Hot-Spot-Temperatur der Elemente ermitteln, die sich aus der EM-Aktivität ergibt.“

Die Erkenntnisse aus ihren Analysen können dann zu Designänderungen führen. Kessler erklärt, dass jedes neue Kondensatordesign in der Regel drei Testrunden durchläuft. „Bei der Simulation ist der Gradient der Verbesserungskurve von einer Phase zur nächsten viel steiler. Unser Wissen wächst schnell, und das spiegelt sich im Endprodukt wider.“ Die neueste Generation von Bosch-Wechselrichtern verspricht eine um 6 % höhere Reichweite und eine um 200 % höhere Leistungsdichte im Vergleich zu früheren Designs.

Die Elektrifizierung schaltet auf Hochtouren

Da die Automobilhersteller immer mehr ihrer Produktlinien auf Elektroantrieb umstellen, wird nach Ansicht von Martin Kessler auch der Bedarf an schneller, kostenbewusster Forschung und Entwicklung steigen. „Die Elektromobilität wird jetzt erwachsen“, sagt er. „Wir gehen davon aus, dass die OEMs mit vielfältigeren Anforderungen für Wechselrichter in verschiedenen Leistungsklassen und mit engeren räumlichen Vorgaben an uns herantreten werden “, sagt Kessler. „Ich glaube, dass die Zahl der Produkte, die neue Kondensator-Designs erfordern, weiter steigen wird. Mit unseren simulationsgestützten Entwicklungsmethoden sind wir zuversichtlich, dass wir mit diesem Wachstum Schritt halten können.“

In den kommenden Jahren werden die Besucher der Stuttgarter Automobilmuseen vielleicht Halt machen, um die historischen Motoren und Umrichter zu bewundern, welche die Industrie in ein neues elektrisches Zeitalter geführt haben.