Leistungselektronik (Power-Control-Unit)

Die PCU stellt das zentrale Bindeglied zwischen Hochvoltbatterie und E-Maschine und meist auch zwischen dem HV-Netz und dem 12-V-Bordnetz dar. Um diese Bindegliedfunktion erfüllen zu können, sind in der Leistungselektronik verschiedene Strom- beziehungsweise Spannungswandler mit zugehöriger Steuerelektronik zusammengefasst.

Konkret handelt es sich dabei um den DC/DC- und AC/DC-Wandler. Weil beim Wandeln von Spannungen zum Teil relativ hohe Temperaturen entstehen, muss die Leistungselektronik gekühlt werden. Nahe liegend, sie deshalb in den Kühlkreislauf zu integrieren.

AC/DC-Wandler (Inverter)

Betrachtet man die englische Übersetzung von Inverter, so handelt es sich dabei um einen Wechselrichter, also um einen Wandler, der Gleichspannung beziehungsweise -strom (engl.: DC – direct current) in Wechselspannung beziehungsweise -strom (engl.: AC – alternating current) umformt.

So gesehen könnte er DC/AC-Wandler heißen. Allerdings hat es sich eingebürgert, im Hinblick auf den Inverter als Alternative den Begriff AC/DC-Wandler zu verwenden. In Hinblick auf Hochvoltfahrzeuge ist das sowieso passend. Denn in der Regel vereint hier der Inverter die beiden Funktionen Wechselrichten und Gleichrichten.

Zum Beispiel ist beides mit dem sogenannten bidirektionalen Pulswechselrichter möglich. Dieser verfügt zum Wandeln von Gleich- in Wechselstrom über Halbleiterschaltungen, bestehend aus Hochleistungstransistoren und Dioden.
Für das Wechselrichten wird Plus und Minus an den jeweiligen Phasen blitzartig hin und hergeschaltet.

Der Mittelwert der ‚geswitchten’ Spannung ist dann sinusförmig. Wegen des Umschaltens der Phasen werden Wechselrichter oft auch als Phasenwandler betitelt.

Der AC/DC-Wandler stellt die entscheidende Komponente zwischen HV-Batterie und E-Maschine dar. Und das nicht nur, weil er den vom Energiespeicher bereit gestellten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

Vielmehr regelt der Wechselrichter in Abhängigkeit der Steuerbefehle des Hybridsteuergeräts auch, mit welcher Leistung der Elektromotor das Fahrzeug antreibt.

Mit anderen Worten: Der AC/DC-Wandler beziehungsweise dessen Steuerelektronik regelt, mit welcher Stromstärke und Frequenz der Motor versorgt wird. Immerhin hängen von diesen beiden Faktoren das Motordreh­moment und die Motordrehzahl ab.

Ferner ist der AC/DC-Wandler notwendig, um den Wechselstrom, der im Generatormodus der E-Maschine erzeugt wird, während der Brems- und Schubphasen für das Laden der Batterie gleichzurichten.

DC/DC-Wandler (Konverter)

Der DC/DC-Wandler – oder auch Gleichspannungswandler – bildet die Schnittstelle zwischen HV-System und dem Bordnetz. Seine Aufgabe: Das 12-V-Bordnetz mit Spannung zu versorgen und gegebenenfalls die 12-V-Batterie aufzuladen. Dazu muss der DC/DC-Wandler die Hochspannung aus dem jeweiligen HV-Netz auf ein Niveau zwischen etwa 12 und 14 V absenken.

Letztendlich macht der  Gleichspannungswandler in Hybridfahrzeugen damit den herkömmlichen, durch den Verbrennungsmotor via Riemen angetriebenen Generator überflüssig.

Prinzipiell gibt es verschiedene Wandlerarten

Zum einen unterscheidet man den Abwärts- vom Aufwärtswandler, zum anderen zwischen Inverswandler, Sperrwandler und beispielsweise Gegentaktwandler. Um die Gleichspannung aufwärts oder abwärts zu wandeln, verfügen Spannungswandler über eine Tansformatoreinheit. Bekanntlich erfolgt hier die Spannungswandlung über das Induktionsprinzip durch zwei, nicht physisch miteinander verbundene Spulen.

Kfz-Profis kennen dieses Prinzip von der klassischen Zünd­spule, die die Bordspannung auf die Höhe der Zündspannung transformiert. Um die Höhe der ausgehenden Spannung am DC/DC-Wandler auf das gewünschte Niveau einzustellen, wird er mit einem PWM-Signal angesteuert. In Abhängigkeit des Tastverhältnisses ändert sich die Ausgangsspannung.

Der Transformator im Gleichspannungswandler stellt nicht nur die Spannungswandlung, sondern auch die gal­vanische Trennung zwischen dem 12-V-Bordnetz und dem HV-Netz sicher.

Das heißt: Zwischen beiden Netzen besteht keine Verbindung, über die Strom fließen kann. Die Zuverlässigkeit der galvanischen Trennung ist überaus wichtig. Käme es zu einem Kurzschluss zwischen HV-Netz und Bordnetz, könnte das fatale Folgen für die 12-V-Komponten haben. Von der elektrischen Gefährdung für Personen ganz zu schweigen.