Der I-Pace von Jaguar ist das „Auto des Jahres 2019“. Der Traditionshersteller hat in seiner langen Geschichte viele Autos auf den Markt gebracht, die Geschichte schrieben. Doch den renommiertesten Autopreis Europas gewinnt der britische Hersteller ausgerechnet mit einem Elektroauto.

Prof. Dr. Ralf Speth, CEO von Jaguar Land Rover: „Der I-Pace wurde auf einem weißen Blatt Papier von einem Design- und Ingenieurteam im Vereinigten Königreich entwickelt. Von der ersten Konzeptstudie bis zum fertigen Serienmodell vergingen nur vier Jahre. Er ist unser bislang technologisch fortschrittlichstes Modell und wir sehen ihn als starken Impulsgeber für die Elektromobilität.“

Selbstentwickelte Elektromotoren

Indem Jaguar den vollen Nutzen aus dem elektrischen Antriebsstrang und der Aluminium-Leichtbaukonstruktion zog, kombiniert das Fahrzeug sportwagenartige Performance mit der Praktikabilität eines SUV.

Das Auto wird von zwei permanenterregten Synchronmotoren angetrieben, die Jaguar Land Rover selbst entwickelt hat.

Von der Antriebstypologie her ähneln sie den im Formel E-Rennwagen I-Type verwendeten Elektromotoren. Sie können eine Leistung von 294 Kilowatt erzeugen und ein Drehmoment von 696 Newtonmeter bereitstellen.

Um eine möglichst kompakte Lösung zu erreichen, werden die Antriebswellen durch die Motoren hindurchgeführt.

Die beiden Motoren sind in die Vorder- und Hinterachse integriert. Sie liefern einen kräftigen Antritt schon aus dem Stand und Allradtraktion auf allen Fahrbahnoberflächen.

Dabei ist der I-Pace nicht auf ein herkömmliches Getriebe angewiesen.

Ganz ohne Gangwechsel wird eine Beschleunigung ohne Zugkraftunterbrechung ermöglicht – über das gesamte Drehzahlband von null bis 12.000 Umdrehungen pro Minute. Der Elektro-Jaguar ist damit in nur 4,8 Sekunden auf Tempo 100.

Schlüsselkomponente Leistungselektronik

Um diese hohe Kraftentfaltung zu erreichen, arbeitet der Elektroantrieb mit Stromstärken von bis zu 650 Ampere.

Damit diese starken Ströme und die damit verbundenen extremen Lastwechsel bewältigt werden können, entwickelte Continental für Jaguar Land Rover eine speziell auf sportliche Hochleistungsantriebe zugeschnittene Systemlösung.

Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist die Leistungselektronik eine Schlüsselkomponente des Elektroantriebs.

Sie versorgt den Elektromotor mit Strom und steuert darüber hinaus die Energierückgewinnung (Rekuperation).

Von der Leistungselektronik hängt es ab, ob das Potenzial des elektrischen Antriebs voll ausgeschöpft werden kann. Damit trägt sie auch entscheidend zum Fahrspaß bei, der aus dem hohen Anfahrdrehmoment und dem schnellen Ansprechen von Elektromotoren resultiert.

Hohe Leistungsdichte beim Auto des Jahres 2019 dank IGBT

Die Leistungselektronik muss die volle Stromstärke in Sekundenbruchteilen zur Verfügung stellen, zum Beispiel bei maximaler Beschleunigung aus dem Stand.

Die besondere Herausforderung für die Entwickler bestand darin, diesen sehr großen Lastwechsel zu bewältigen und zugleich die für Automotive-Systeme erforderliche hohe Zyklenfestigkeit und Lebensdauer zu gewährleisten.

Ein weiteres Entwicklungsziel war eine hohe Leistungsdichte, um den Bauraum so klein wie möglich zu halten. Erreicht wurde diese Kombination von Leistungsfähigkeit, Lebensdauer und Kompaktheit vor allem durch ein innovatives Powermodul, das Herzstück des Wechselrichters.

Hier kommen so genannte doppelseitig gesinterte Chips (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) zum Einsatz.

Im Vergleich zu herkömmlichen gelöteten Drahtverbindungen (Bonds) lassen sich mit der Sintertechnologie Verbindungen herstellen, die hinsichtlich Lebensdauer, Zuverlässigkeit und thermischer Belastbarkeit deutlich höhere Anforderungen erfüllen und deshalb vor allem für den Premium-Bereich geeignet sind.

Continental ist das erste Unternehmen, das dieses aufwändige Verfahren in der Automobilelektronik einsetzt.

„Neben der doppelseitigen Sintertechnik kommen unter anderem auch spezielle ‚Direct-Copper-Bonded‘-Substrate, kurz DCB-Substrate, sowie eigens für Continental angefertigte Leistungshalbleiter zum Einsatz. Insgesamt sind der Aufbau und die verwendeten Materialien dieser Leistungselektronik voll auf Power und maximale Fahrdynamik optimiert“, erläutert Projektleiter Alexander Reich.

Eine weitere wichtige Besonderheit der neuen Leistungselektronik: Ein und dasselbe System lässt sich in ganz unterschiedlichen Fahrzeugen einsetzen.

So sind die Leistungselektroniken des Range Rover Sport Plug-In-Hybrid und des Jaguar I-Pace von der Hardware her völlig identisch und unterscheiden sich nur in der Software.

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Lange Zeit – und auch heute noch in konventionellen Applikationen – wurden Sensoren und Antriebe über analoge Signale mit einer Steuerung oder auch untereinander verbunden.

Dazu war für jede Verbindung zwischen einem Antrieb und einem anderen Gerät ein separates Kabel notwendig.

Bei großen Anlagen oder komplexen Antriebssystemen waren entsprechend viele Kabel notwendig. Mit den heutigen Bussystemen, wird eine neue Grundlage der Kommunikation geschaffen.

Weniger Kabel, mehr Leistung

Diesen Verkabelungsaufwand konnte die Einführung von Bussystemen erheblich reduzieren.

Hierüber werden innerhalb eines Netzwerkes – gleich ob kabelgebunden oder per Funk – Daten zwischen den einzelnen Teilnehmern übertragen. Über den digitalen Bus lassen sich die Informationen bidirektional austauschen.

Dabei werden neben grundlegenden Prozessdaten wie zum Beispiel Umdrehungszahl auch Betriebsparameter, Stör- oder Wartungssignale übertragen.

Jede Branche hat ihre Bussysteme

Heute existiert eine große Anzahl von Bussystemen. Jede Branche und Anwendung hat andere Anforderungen an die Daten­übertragung, wodurch es verschiedene technische ­Lösungsmöglichkeiten für Bussysteme gibt.

Letztendlich haben auch verschiedene Hersteller eigene ­Bussysteme auf den Markt gebracht.

Einige Systeme haben sich aber im Laufe der Zeit als führend in verschiedenen ­Applikationen der Antriebstechnik durchgesetzt.

So wurde der CAN-Bus (Control Area Network) ursprünglich für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt.

Denn auch in den Autos nimmt die Zahl von Sensoren und Aktoren kontinuierlich zu.

Schon heute sind neben dem Antriebsmotor bis zu 40 weitere Elektromotoren zum Beispiel für die Wischwasserpumpe, die Scheibenwischer oder zur Sitz­einstellung im Einsatz.

Mit dem Trend zum vollauto­ma­tisierten Fahren wird diese Zahl noch ­zunehmen und so eine effiziente Vernetzung der Komponenten ­immer ­wichtiger. Inzwischen hat sich CAN-Bus aber auch im ­industriellen Einsatz bewährt.

Daneben werden ­heute ­weitere ­Bussysteme im Automotive-­Sektor eingesetzt. ­Jeder hat ­spezielle Anforderungen im Fokus:

LIN (Local Interconnect Network) ermöglicht eine kostengünstige Integration von Sensoren und Aktoren in Fahrzeugnetzwerken. FlexRay kann in sicherheitsrelevanten verteilten Regelungen eingesetzt werden.

In industriellen Anwendungen bzw. in der Automatisierungstechnik haben sich Systeme wie Profibus, Modbus, CC-Link oder DeviceNet (das auf CAN basiert) etabliert.

Andere Branchen setzen wiederum andere Lösungen ein: In der Gebäudetechnik sind das zum Beispiel KNX, LON (Local Operating Network), BACnet oder auch sehr spezielle Bussysteme wie Standard Motor Interface (SMI) zur Ansteuerung von elektronischen Antrieben.

Ethernet gewinnt an Anteilen

Die bisher eingesetzten Bussysteme punkten mit ­Einfachheit, niedrigen Kosten und mit ­Zuverlässigkeit.

Doch die zunehmende Digitalisierung in allen Bereichen führt auch in ­Sachen Kommunikation zu immer höheren Anforderungen.

Eine Lösung ­versprechen hier Bussysteme, die auf dem ­Ethernet-Standard ­basieren.

Dieser Bus wurde bereits in der ersten Hälfte der 1970er Jahre entwickelt und ist heute der ­ Übertragungsstandard in der IT-Welt.

Millionen von Computern und ­Bürogeräten sind bereits mit dieser Schnittstelle vernetzt. Durch die große Verbreitung sind die Kosten niedrig und die Akzeptanz hoch.

Für industrielle Anwendungen wurde Ethernet so angepasst, dass das System schnell genug ist für die hohen Anforderungen in der industriellen Automatisierung.

Zu diesen „Industrial Ethernet“-Protokollen zählt zum Beispiel Profinet, EtherCAT oder Ethernet IP.

Wachstumstreiber bei Industrial-Ethernet-Systemen sind höhere Leistung, größere Datenmengen, bessere Echtzeiteigenschaften, die Integration von Safety Protokollen sowie die Durchgängigkeit in die Büronetzwerke.

Damit auch die einfachere Anbindung ans Internet der Dinge und an die Cloud.

Gerade wo es wie bei der Antriebssteuerung sehr stark auf die Taktzeit und auf die Synchronisation von verschiedenen Antrieben ankommt, bieten Ethernet-basierte Systeme Vorteile.

Neueste Systeme schaffen dabei Übertragungsraten von 1 Gbit/s, wie zum Beispiel das jüngst entwickelte EtherCAT G; die als Technologiestudie vorgestellte Variante EtherCAT G10 schafft sogar 10 Gbit/s.

Damit ist man auch für zukünftige, extrem große Applikationen sowie die vermehrte Einbindung besonders datenintensiver Geräte, wie z.B. komplexe Motion-Systeme, gerüstet.

Echtzeit plus Herstellerunabhängigkeit

Dennoch bleibt das Problem, dass Geräte verschiedener Hersteller nicht unbedingt miteinander kommunizieren können.

Daher wurde in enger Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Anwendern, Forschungsinstituten und Konsortien der Datenaustausch-Standard OPC-Unified Architecture (OPC-UA) entwickelt.

OPC-UA schlägt die Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und der Produktionswelt.

Parallel wurde Ethernet erweitert, um eine sichere Datenübertragung sowie Echtzeitfunktionen bieten zu können.

Dazu wurden mit TSN (Time Sensitive Networking) eine Reihe von Standards zusammengefasst, die das Ethernet um Funktionen für die Echtzeitübertragung von Daten ­erweitert.

Wichtige Ziele der Technik sind die ­Verringerung von Latenzzeiten, präzise Zeitbezüge und höhere Verfügbarkeiten.

Aktuell werden beide Entwicklungen zusammengefasst, um mit OPC-UA over TSN einen einheitlichen Kommunikationsstandard im Industrial IoT zu schaffen.

Damit sollen zukünftig „Plug-and-produce“-fähige Netzwerke möglich sein, die sich einfach administrieren und ­ konfigurieren ­lassen.

Zugleich können Netzwerkteilnehmer bis zu ­18-mal schneller kommunizieren als mit allen heute am Markt verfügbaren Protokollen.

Das eröffnet unter ­anderem neue Möglichkeiten im Bereich ­hochsynchroner Antriebsapplikationen und Steuerungsaufgaben.

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