Porsche entwickelt Wechselstrom-Batterie für Elektroautos

Normale Elektroauto-Akkus sind immer Gleichstrom-Batterien. Da die Elektromotoren in aller Regel Wechselstrom brauchen, wird der Gleichstrom aus dem Akku durch einen Inverter in Dreiphasen-Wechselstrom umgewandelt. Ein anderes Konzept liegt der so genannten Wechselstrom-Batterie zugrunde, die Porsche nun in einem Demonstrator-Fahrzeug eingebaut hat.

Da die einzelnen Zellen natürlich (wie bei jedem Akku) Gleichstrom erzeugen, wird der Wechselstrom durch die Verschaltung erzeugt: Schaltet man die Zellen in Reihe, erhöht sich die Spannung, schaltet man sie parallel, bleibt sie gleich und nur die Speicherkapazität erhöht sich. So lässt sich aus der Gleichspannung der einzelnen Zellen eine sinusförmige Wechselspannung auf Systemebene erzeugen (im Bild unten links gezeigt):

Das Funktionsprinzip der Wechselstrom-Batterie von Porsche

Bild von: Porsche

Dazu wird die Batterie in 18 Module eingeteilt. Jedes wird von einer eigenen Leistungselektronik gesteuert, die aus acht Leistungselektronik-Chips (MOSFETs) besteht. Diese Elektronik sorgt dafür, dass die Module parallel oder seriell geschaltet werden. Je sechs Module werden den drei Phasen zugeordnet; so ergeben sich drei sinusförmige Spannungen, wie sie der Antriebsmotor braucht.

Das Ganze nennt Porsche Modular Multilevel Series Parallel Converter (MMSPC). "Mit dem MMSPC ist sowohl die direkte Ansteuerung des Elektro-Antriebsmotors beim Fahren als auch die direkte Anbindung ans Wechselstromnetz zum Laden der Batterie möglich", erklärt Daniel Simon, Fachprojektleiter bei Porsche Engineering. Das System übernimmt die Funktionen des Batteriemanagements, des Pulswechselrichters und des Bordladers: Statt drei Komponenten braucht man nur eine.

"Der Trend in der Automobilindustrie geht in Richtung Hochintegration von Komponenten", erklärt Fachprojektleiter Thomas Wenka. "Das eröffnet uns neue Möglichkeiten hinsichtlich Gehäusegröße, Gewichts- und Kostenreduzierung, Zuverlässigkeit und Effizienz."

Weitere Vorteile sind die einfache Skalierbarkeit auf verschiedene Antriebsderivate sowie eine sicherere Handhabung der stromführenden Bauteile beim Service oder bei einem Unfall, so Porsche. "Dann wird der MMSPC ausgeschaltet, und das System fällt quasi auf seine Einzelmodule zurück, das heißt, es kann nur noch die Modulspannung gemessen werden", so Wenka.

Wenn einzelne Batteriezellen ausfallen, kann die Steuerung das betroffene Batteriemodul überbrücken. So wird eine so genannte "Limp-Home-Funktion" (von englisch to limp, hinken) möglich: In diesem Notfallmodus kann man immer noch zur nächstgelegenen Werkstatt fahren, wenn auch mit reduzierter Leistung. Ein Auto mit konventioneller Batterie bliebe dagegen liegen. Auch ermöglicht die Wechselstrom-Batterie eine verbesserte Schnellladefähigkeit durch gepulstes Laden.

Eine Herausforderung war die Entwicklung einer leistungsfähigen und schnellen Elektronik zur Ansteuerung der einzelnen Batteriemodule. Dies muss unter allen Umständen in Echtzeit geschehen, denn ein Zeitverzug beim Schalten der Module würde zu Defekten an den Batteriepacks und den Leistungselektroniken führen.

Eine weitere Steuerung ist für Funktionen wie Motor- und Batteriemanagement sowie die Ladefunktion nötig. Die Recheneinheit ist als einzelnes "System-on-Chip" ausgeführt, das zwei Elemente umfasst:

• ein Field Programmable Gate Array (FPGA) – ein integrierter Schaltkreis mit programmierbarer Hardware – für die Datensteuerung und Überwachung im Hinblick auf die Echtzeitfähigkeit
• ein leistungsstarker Multi-Core-Prozessor für die Verarbeitung großer Datenmengen

Über diesen System-on-Chip-Ansatz mit CPU und FPGA wird die "harte" (das heißt in allen Situationen garantierte) Echtzeitfähigkeit ermöglicht, die sich mit normalen Mikrocontrollern nicht realisieren lässt, so Porsche.

Das Team hat das Konzept der Wechselstrom- Batterie zusammen mit der neuen Steuergeräte- Plattform in verschiedenen Prototypen umgesetzt und erfolgreich am Prüfstand getestet. Auch wurde das System in ein Testfahrzeug integriert, um die grundlegende Funktionsfähigkeit zu demonstrieren.

"Für die Wechselstrom-Batterie war die Entwicklung der neuen Steuergeräte-Plattform zwingend notwendig. Da sie sich aber flexibel anpassen lässt, wurde daraus ein eigenständiges Projekt, das fortgeführt wird", sagt Wenka. Bei neuen Projekten kann das System-on-Chip und ein Teil der zugehörigen Software wiederverwendet werden.

Die neue Steuergeräte-Plattform soll zunächst für die Prototypenentwicklung bei Porsche Engineering eingesetzt werden, berichtet Wenka. "Grundsätzlich eignet sich das Konzept in leicht abgewandelter Form jedoch auch für Serienapplikationen."

Mehr zu ähnlichen Konzepten:

Multilevel-Batterie von Bavertis soll Inverter überflüssig machen

Mercedes zeigt Akku mit zellindividuellen Stromwandlern

Unter dem Strich

Das faszinierende Konzept der Wechselstrom-Batterie alias Multilevel-Inverter macht Schule. Zuerst machte uns das Münchner Start-up Bavertis damit vertraut, das inzwischen Pulsetrain heißt. Dann folgte Mercedes mit einem ähnlichen Konzept. Und nun verkündet Porsche, dass man ebenfalls an dem Thema dran ist. Uns gefällt an der Grundidee, dass sie so einfach ist zeigt. Und das Konzept zeigt, dass der derzeitige Aufbau eines Elektroautos mit Gleichstrom-Batterie, Inverter und Wechselstrommotor nicht gottgegeben ist – es gibt auch andere Möglichkeiten.