Der globale Wandel hin zu nachhaltigen Mobilitätslösungen führt zu einem bedeutenden Wandel in der kommerziellen Transportlandschaft. An der Spitze dieses Wandels stehen elektrische Nutzfahrzeuge, die von hochentwickelten Umrichtersystemen angetrieben werden und einen wirtschaftlicheren und umweltfreundlicheren Ersatz für herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor darstellen. Wechselrichtersysteme sind ein wesentlicher Bestandteil des elektrischen Antriebssystems des Fahrzeugs. Sie überbrücken die Lücke zwischen der Hochspannungsbatterie und den Elektromotoren, indem sie Gleichstrom (Direct Current, DC) präzise und effizient in Wechselstrom (Alternating Current, AC) und umgekehrt (zur Rekuperation) umwandeln.
Allerdings gibt es Hindernisse, die überwunden werden müssen, um Wechselrichtersysteme effektiv in elektrische Nutzfahrzeuge einzubauen. Diese Probleme reichen von Fragen der Sicherheit und des Umweltschutzes bis hin zur Energieverwaltung und Wärmeregulierung. Um das Potenzial der elektrischen Antriebstechnologie voll auszuschöpfen und die breite Nutzung elektrischer Nutzfahrzeuge zu fördern, müssen Ingenieure und Hersteller diese Herausforderungen meistern. In diesem Artikel werden die wichtigsten Herausforderungen bei der Installation eines Wechselrichtersystems für elektrische Nutzfahrzeuge eingehend erörtert. Hindernisse wie die Optimierung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads, Vibrationen, Korrosion usw. und deren Kompatibilität bringen jeweils eine eigene Reihe von Schwierigkeiten mit sich, deren Bewältigung Erfahrung, Teamwork und unermüdliche Innovation erfordert. Ziel ist es, den Weg in die Zukunft zu beleuchten, wobei elektrische Nutzfahrzeuge eine zentrale Rolle bei der Förderung nachhaltiger Verkehrsökosysteme spielen.
Installation
Platzierung und Ausrichtung der Wechselrichter sind zwei entscheidende Aspekte beim Einbau in Elektrofahrzeuge. Diese beiden Elemente sind notwendig, um die Lebensdauer der Wechselrichter zu verlängern, die Sicherheit zu verbessern und Umwelteinflüsse wie Vibrationen und Korrosion zu vermeiden. Die Ausrichtung der Wechselrichter verbessert ihre Funktionalität, verhindert das Korrosionsrisiko und macht sie für die Wartung besser zugänglich. In jeder Phase des Lebenszyklus eines Fahrzeugs ist der Einbau und die Positionierung des Wechselrichters von entscheidender Bedeutung, um seine optimale Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Bei der Installation von Wechselrichtern muss eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt werden, darunter elektrische Anschlüsse, Temperaturkontrolle und Sicherheitsverfahren.
Art der Anwendung
Ein Wechselrichter kann für mehrere Zwecke eingesetzt werden, darunter Traktion (und Rekuperation), Bremschopper und Nebenantriebe (Electric Power Take-Off, ePTO). Während die Traktion in der Regel die Hauptanwendung eines Wechselrichters ist, wird ein Bremschopper dazu verwendet, überschüssige Bremsenergie an einen oder mehrere Widerstände abzugeben, wo sie in Wärme umgewandelt wird, um eine Gefährdung der elektrischen Geräte und des gesamten Fahrzeugs zu vermeiden. Eine ePTO wird verwendet, um Zusatzgeräte wie die Stromversorgung von Zubehör oder Hydraulik von Baumaschinen oder Nutzfahrzeugen wie z. B. Müllwagen zu betreiben, ohne auf eine separate Stromversorgung angewiesen zu sein.
Dynamik der Kühlmittelströmung
Ein effektiver Kühlmittelfluss ist ein wesentliches Merkmal für die Kontrolle der Wechselrichtertemperaturen, den Schutz elektronischer Teile und die Erhaltung der Spitzenleistung. Der komplexe Austausch zwischen externen Kühltechnologien und internen Konstruktionsaspekten unterstreicht die Bedeutung einer sorgfältigen Systemintegration und stellt oft eine große technische Herausforderung dar.
Korrosion
Korrosion stellt eine beträchtliche Herausforderung für die Funktionalität von Wechselrichtern dar, insbesondere in rauen Umgebungen, in denen Nutzfahrzeuge unterwegs sind. Die Lebensdauer und Leistung von Wechselrichtersystemen sind durch Korrosion ernsthaft gefährdet, insbesondere in elektrischen Nutzfahrzeugen, die extremen Witterungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Salznebel und Straßenschmutz ausgesetzt sind. Eine eingehende gemeinsame Abstimmung mit Herstellern, die auf die Infrastruktur von Elektrofahrzeugen spezialisiert sind, führt zu Lösungen für korrosionsbeständige Beschichtungen, Verkapselungen und Gehäusematerialien, die speziell auf die Bedürfnisse von Wechselrichtersystemen zugeschnitten sind. Die Erfahrung zeigt, dass das Eindringen von Wasser, das zu Korrosion an der Unterseite des Wechselrichters führt, ein großes Problem darstellt. Durch durchdachte Entscheidungen bei der Installation von Wechselrichtern kann das Korrosionsrisiko erheblich reduziert und damit die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Wechselrichters gesichert werden.
Elektrische Überlegungen
Um optimale Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten, müssen zahlreiche elektrische Phänomene bei der Entwicklung und Implementierung von Wechselrichtersystemen für elektrische Nutzfahrzeuge sorgfältig berücksichtigt werden. Die Erdung von Elektrofahrzeugen ist aus Sicherheitsgründen und aufgrund gesetzlicher Bestimmungen vorgeschrieben. Sichere Verbindungen zwischen Wechselrichtern und Chassis sind oft schwierig herzustellen, daher sind kreative Lösungen gefragt, um die Preise niedrig und die Zuverlässigkeit hoch zu halten. Weitere elektrische Probleme, die bei der Integration von Elektrofahrzeugsystemen eine Rolle spielen, sind Abschirmströme, Common Mode Ströme und dU/dt (Rate der Spannungsänderung über die Zeit), die in vielen Fallstudien untersucht wurden. Ein effektives Management dieser Phänomene ist notwendig, um die Gefahren von elektrischen Fehlern, Systeminstabilität und elektromagnetischen Störungen (Electromagnetic Interference, EMI) zu verringern. Fachwissen über die Integrität, Funktionalität und Sicherheit von Wechselrichtersystemen durch die Nutzung von Anwendungswissen über Leistungselektronik und elektromagnetische Kompatibilität wirkt synergetisch mit Fortschritten bei der Entwicklung von umweltfreundlichen Transportoptionen.
High Voltage Interlock Systems
Um elektrischen Risiken vorzubeugen und die Sicherheit der Fahrzeuginsassen, des Wartungspersonals und der Umstehenden zu gewährleisten, müssen elektrische Nutzfahrzeuge mit Hochspannungsverriegelungsschleifen (High Voltage Interlock Loop, HVIL) ausgestattet sein. Kurz gesagt, eine HVIL überwacht die Verbindungen, insbesondere die Hochspannungskabel und gegebenenfalls die Verbindung zum Fahrzeugsteuergerät. Tritt hier ein Fehler auf (z.B. durchtrennte Leitung), löst dies einen Sicherheitsmechanismus zur schnellen Entladung des Wechselrichters aus.
Entsorgung
Wechselrichter müssen wie jedes andere elektronische Bauteil bereits in der Entwicklungsphase die Umweltanforderungen an Materialverträglichkeit und Recyclingfähigkeit (am Ende der Lebensdauer) erfüllen. Diese Anforderungen werden immer strenger, so dass es sinnvoll ist, sich frühzeitig an den Standards der Umweltfreundlichkeit der Zukunft zu orientieren. Für die Europäische Union kommen hier insbesondere REACH (Registration, Evaluation, Authorization, and Restriction of Chemicals) und RoHS (Restriction of Hazardous Substances) ins Spiel und definieren die Regeln für die Materialzusammensetzung eines Wechselrichters. RoHS sieht beispielsweise die Abschaffung aller Ausnahmeregelungen für Blei bis 2025 vor und kann die Ausnahmeregelungen für andere Materialien wie Quecksilber, Cadmium usw. ändern.
Schlussfolgerung
Umrichteranwendungen in Nutzfahrzeugen unterliegen zahlreichen Herausforderungen wie Vibrationen, Korrosion, elektrischen und sicherheitstechnischen Aspekten. Auch Aspekte wie Wartbarkeit und Wiederverwertbarkeit müssen berücksichtigt werden. Um diese Herausforderungen beim Einsatz von Wechselrichtern in Nutzfahrzeugen zu meistern, ist eine umfassende Strategie erforderlich, die bewährte Maßnahmen, strenge Tests und aus Erfahrung gewonnene Best Practices für die Installation umfasst.
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