Leistungselektronik für Nutzfahrzeuge im Baukasten

Ob Bochum, München, Stuttgart oder Hamburg – in immer mehr Großstädten testen Entsorger, Stadtwerke und Transportunternehmen Lkws, Busse und mobile Maschinen mit Hybrid- oder Elektroantrieb. Daran knüpft sich die Erwartung, die Kosten für den Betrieb der Fahrzeugflotten zu reduzieren und gleichzeitig Anwohner, Fahrgäste und die Umwelt vor Abgas- und Lärmemissionen zu schützen. Die von den Herstellern angegebene Kraftstoffeinsparung eines Hybridfahrzeugs gegenüber dem konventionell angetriebenen Pendant in Höhe von 10 bis 30 % lässt sich nur erreichen, wenn konsequent auch die Nebenaggregate elektrifiziert und bedarfsgerecht angesteuert werden.

Damit lassen sich beispielsweise nach Untersuchungen von namhaften Automotive-Dienstleistern bei Fernverkehrslastkraftwagen 3 bis 4 % Kraftstoff einsparen. Bei Fahrzeugen mit vielen Starts und Stopps wie Stadtbussen oder Müllwagen liegt das Einsparpotenzial entsprechend dem Fahrzyklus natürlich deutlich höher.

Bedarfsgerecht ansteuern heißt, dass die Nebenaggregate wie Klimakompressor, Lenkhilfepumpe oder Druckluftkompressor nur dann betrieben werden, wenn dies auch erforderlich ist. Sie müssen also nicht nur zum richtigen Zeitpunkt ein- und ausgeschaltet werden, sondern es muss auch die Drehzahl an die tatsächlich benötigte Leistung angepasst werden. Die Leistungsaufnahme und damit der Kraftstoffverbrauch lässt sich deutlich senken, indem die Kühlmittelpumpe erst dann zugeschaltet wird, wenn der Motor warm ist beziehungsweise der Durchfluss entsprechend der Motortemperatur geregelt wird. Als angenehmer Nebeneffekt der Elektrifizierung erhöhen sich zudem die Dynamik und das Ansprechverhalten des Fahrzeugs spürbar, weil das Hochdrehen der Kurbelwelle beim Beschleunigen nicht mehr – wie bei konventionellen Fahrzeugen – durch die mitlaufenden Nebenaggregate gehemmt wird.

Die Anzahl, Ausführung und Anordnung der Nebenaggregate unterscheidet sich je nach Fahrzeugtyp und Antriebsarchitektur des Nutzfahrzeugs mehr oder weniger deutlich. Darüber hinaus kommt es gerade bei Versuchsfahrzeugen zu häufigen Modifikationen oder schrittweisen Weiterentwicklungen. Die Konstrukteure benötigen daher für das Energiemanagement und die Ansteuerung von Nebenaggregaten eine Lösung, mit der sie schnell auf sich ändernde technische Rahmenbedingungen sowie Rückmeldungen aus dem Praxisbetrieb oder neue Markttrends reagieren können. Lenze Schmidhauser hat als Unternehmen mit langjähriger Erfahrungbei energieeffizienter und umweltschonender Antriebstechnik den Wunsch aufgegriffen und im Baukasten Mobile verwirklicht.

Anders als viele andere auf dem Markt erhältliche Umrichter sind alle Geräte aus dem Portfolio Mobile von Lenze Schmidhauser wie schon die Vorgängergeneration MCB speziell für den Einsatz in Fahrzeugen konzipiert. Sie sind nach ECE R100 zertifiziert und erfüllen die im Nutzfahrzeugbau geforderten Qualitätsstandards sowie Anforderungen an die spezifischen Nutzungsprofile. Die flüssigkeitsgekühlten (Wasser/Glykol) Geräte zeichnen sich durch eine besondere Temperaturbeständigkeit und Vibrationsfestigkeit sowie eine hohe Schutzart (IP6K9K) aus.

Der Produktbaukasten umfasst derzeit mehrere Doppelumrichter (DCU), zwei DC/DC-Converter (PSU) und verschiedene Kombimodule. Die Doppelumrichter sind jeweils mit zwei Motor- beziehungsweise Generatorausgängen im Leistungsbereich von 7,5 bis 60 kW ausgestattet. Sie arbeiten direkt an einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (bis zu 850 V, 112 A), an dem auch alle Hochvoltkomponenten des Fahrzeugs, wie ein Traktionsumrichter oder eine Batterie, betrieben werden können.

Zwei integrierte Resolvereingänge erlauben es, mit den Umrichtern eine besonders präzise Regelung aufzubauen. Die Umrichter können für die Ansteuerung von Synchron- und Asynchronmotoren (dreiphasig; mit oder ohne Geber) eingesetzt werden. Sie eignen sich damit sowohl für die Ansteuerung (in U/F- oder Vektor-Betriebsart) von Nebenaggregaten als auch kleineren Hauptantrieben. Als Gleichspannungswandler sind eine 5-kW- und eine 10-kW-Variante mit 14 oder 28 VDC-Ausgang (max. 200 A) verfügbar. Die Converter ermöglichen damit den Aufbau eines Bordnetzes oder können die Lichtmaschine ersetzen. Mehrere Kombi-Module, die jeweils einen 5-kW-DC/DC-Converter und einen Einzel-Umrichter in einem Modul vereinen, runden das Produktangebot ab.

Alle Module der Produktplattform sind in einem einheitlichen Gehäuse mit identischem Aufbau untergebracht, lassen sich platzsparend stapeln und gewährleisten so eine hohe Integrationsdichte. Eine Abdeckung schützt die Anschlüsse der Module vor Strahlwasser. Für die Integration in das Fahrzeugmanagement verfügen die Module über ein CANopen- und eine J1939-Schnittstelle. Es bestehen zudem am Modul Anschlussmöglichkeiten für eine breite Palette an Sensoren, wie Temperaturfühler, digitale I/Os oder Drehgeber. Zusätzlich sind die Module mit einer UDS-Schnittstelle (Unified Diagnostic Services) ausgerüstet. Daher können sie problemlos mit einem entsprechenden externen Diagnosegerät analysiert und in ein durchgängiges Diagnosekonzept eingebunden werden. Entwickler können damit Systemoptimierungen und Wartungsarbeiten einfacher und zielgerichteter durchführen.

Die Mobile-Produkte sind mit zwei unabhängigen Controllern ausgestattet. Nutzfahrzeughersteller können sie einsetzen, um ihre Systeme an die individuelle Konfiguration und die Betriebsbedingungen der jeweiligen Anwendung in Bus, Lkw oder anderem Nutzfahrzeug flexibel anzupassen. Die Experten von Schmidhauser unterstützen sie bei der Systemintegration und können bei Bedarf auch Software und Hardware modifizieren.

Jonas Schuster Leiter Vertrieb und Marketing, Lenze Schmidhauser, Romanshorn/Schweiz