Porsche: "Weiches Schalten" im Inverter soll Reichweite erhöhen

Wie kann man die Reichweite von Elektroautos weiter erhöhen? Durch Batterien mit mehr Speicherkapazität natürlich, oder durch einen niedrigeren Verbrauch. Porsche setzt am Strombedarf an und will mit Künstlicher Intelligenz (KI) die Reichweite um bis zu neun Prozent erhöhen. Möglich machen soll das eine intelligente Steuerung des Inverters.

Der Inverter wandelt bekanntlich den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Motor um. Dabei treten Verluste auf, die man aber durch eine geschickte Software-Steuerung verringern kann. So sollen sich die Schaltverluste um 70 bis 95 Prozent verringern lassen, was bis zu neun Prozent mehr Reichweite ermöglicht, berichtet das Fachportal BatteryTechOnline, dem wir den Hinweis auf die Porsche-Mitteilung verdanken. Nach der Originalmeldung soll die Reichweite um einen hohen einstelligen Prozentbetrag steigen.

Beim Wechselrichter gibt es zwei Arten von Verlusten: Leitungsverluste und Schaltverluste. Die Leitungsverluste sind eine physikalische Eigenschaft der Leistungstransistoren, zu denen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) gehören. Diese Elemente werden als Schalter verwendet, indem der Widerstand des Transistors verändert wird: Hoher Widerstand bedeutet "Aus", niedriger Widerstand bedeutet "Ein". Doch selbst im eingeschalteten Zustand wird der Widerstand nicht null, was zu Wärmeverlusten führt.

Interessanter sind die Schaltverluste. Sie entstehen beim Übergang zwischen den Zuständen "Ein" und "Aus". Für kurze Zeit liegt dabei am Leistungstransistor eine Spannung an, während bereits ein geringer Strom durch ihn hindurchfließt. Dieser unerwünschte Strom führt zu Verlusten. Die Verlustleistung ist proportional zu dem Strom und zur Spannung, denn Strom (gemessen in Ampere) mal Spannung (in Volt) ergibt eine Leistung (in Watt). Beim Schalten zwischen "Ein" und "Aus" ergeben sich charakteristische Peaks bei dieser unerwünschten Verlustleistung.

Spannung (U) und Strom (I) beim "harten" Schalten zwischen Ein und Aus sowie die sich daraus ergebende Verlustleistung P

Bild von: Porsche

Ein Inverter schaltet nun nicht nur einmal hin und her, sondern jede Sekunde viele tausend Mal, und zwar wird der Strom mal länger, mal kürzer angeschaltet. Das heißt, man arbeitet mit unterschiedlich breiten Strompulsen – das nennt man Pulsweitenmodulation. Im Endeffekt erzeugt man damit einen sinusförmigen Wechselstrom. Das folgende Video von Sven Stemmler erklärt das recht gut:

Da der Inverter sehr häufig schalten muss, sind die Schaltverluste hoch, und mit steigender Schaltfrequenz wird das Problem immer größer. Das betrifft vor allem die als besonders effizient geltenden Siliciumcarbid-Inverter, bei denen besonders schnell geschaltet wird. Andererseits sind hohe Frequenzen erwünscht, weil man dadurch einen besonders schönen Sinusstrom erhält, den der Motor gut verarbeiten kann.

Der Ausweg aus diesem Dilemma heißt Soft Switching. Dabei werden die Umschaltpunkte so gewählt, dass Strom und Spannung beim Schalten minimiert werden. Dafür gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten: Zero Current Switching (ZCS) und Zero Voltage Switching (ZVS). Bei ZCS wird der Transistor umgeschaltet, wenn fast kein Strom durch ihn fließt. Bei ZVS erfolgt das Umschalten, wenn die Spannung am Transistor nahe null ist.

Soft Switching: Zero Current Switching und Zero Voltage Switching

Bild von: Porsche

Porsche nutzt ZVS, um die Schaltverluste des Inverters zu senken. Bei den besonders schnell schaltenden Siliciumcarbid-Invertern führt diese Methode zu geringeren Verlusten als ZCS, zugleich sind die störenden elektromagnetischen Interferenzen geringer, so Porsche. Zudem ist ZVS die bessere Wahl bei sogenannten induktiven Lasten, also Bauteilen, die elektromagnetische Felder durch Spulen erzeugen – wie Elektromotoren. Diese verursachen eine Phasenverschiebung, bei der der Strom der Spannung nacheilt. Typisch sind hohe Einschaltströme und Spannungsspitzen beim Ausschalten.

ACRP: Die Erklärung von Porsche

Bild von: Porsche

"Wir platzieren um die Leistungstransistoren eine zusätzliche elektronische Schaltung aus Transistoren, Spulen und Kondensatoren", berichtet Porsche-Ingenieur Souhaib Touati. "Diese Wechselrichtertopologie ist schon lange als Auxiliary Resonant Pole Converter oder ARCP bekannt." Neu am Ansatz von Porsche ist der Einsatz von Künstlicher Intelligenz für die Steuerung des ARCP: Ein vortrainierter KI-Algorithmus verarbeitet in Echtzeit mehrere Dutzend aktuelle Daten wie Last, Drehmoment und Temperatur. Daraus werden die optimalen Schaltzeitpunkte berechnet.

Da ein Elektroauto mit ständig wechselnder Last gefahren wird, ändern sich die Betriebsbedingungen sehr schnell. Deshalb hat das Soft Switching bisher noch keine große Verwendung gefunden. Das kann man durch den Einsatz von KI ändern, so der Hersteller.

Ein weiterer Vorteil von Soft Switching ist die verringerte Wärmeentwicklung, wodurch sich die Anforderungen an die Kühlung verringern. Auch diverse Filter können entfallen, was Platz spart. Insgesamt soll das Volumen des Pulswechselrichters um 20 bis 50 Prozent verringert werden. Darüber hinaus wird durch das schonendere Schalten die Lebensdauer der Transistoren verbessert.

Die neue Technik ist laut Porsche bereits in einem fortgeschrittenen Entwicklungszustand. Die fertige Software will Porsche auch externen Kunden anbieten. Die Änderungen an der Hardware sollen gering sein, doch das KI-basierte Soft Switching ließe sich am besten im Rahmen einer Modellpflege oder Neuentwicklung implementieren. 

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Unter dem Strich

Puh, das war gewaltig viel Technik, zumindest für uns informierte Laien. Was davon sollte man sich merken? Nun, die ungefähre Funktionsweise der Pulsweitenmodulation wäre sicher hilfreich, und die Information, dass die Verluste beim Hin- und Herschalten mit der Schaltfrequenz steigen. Und dass ein weiches Schalten die Effizienz verbessern kann. Im Grunde geht es uns mit Pressemeldungen wie der von Porsche so: Wir verstehen von der Sache natürlich nicht so viel wie richtige Leistungselektronik-Fachleute, aber jedes Mal fügt sich ein neues Puzzleteil ein ...

Übrigens, für alle Fachleute, die lieber den Original-Wortlaut von Porsche lesen: Die Pressemitteilung finden Sie wie immer ganz unten in diesem Artikel verlinkt.

Unser Titelbild zeigt Antrieb und Akku des Porsche Taycan Turbo S.