Výkonová elektronika – klíč k elektromobilitě budoucnosti – Přednáška k 60. mezinárodnímu kolokviu pro motoristický tisk – Dr. Rainer Kallenbach, Executive Vice President, Automotive Electronics, Robert Bosch GmbH.

 Vážené dámy, vážení pánové,

elektromobilita vyžaduje od automobilové elektroniky zcela nová řešení – kromě vysoce komplexních řídicích funkcí jsou nyní zapotřebí také spínací funkce pro vysoká provozní napětí a velké proudy. Automobilová elektronika je již 30 let zdrojem nepřetržitého pokroku v oblasti bezpečnosti, čistoty emisí, energetické účinnosti a komfortu moderních vozidel. Na tomto vývoji se od začátku významně podílí společnost Bosch. A elektronika tvoří stále větší podíl na celkové hodnotě automobilu. Dodává vozidlům více „inteligence“ a navzdory stále menším rozměrům zvyšuje postupně svou výkonnost.

Klíčem k úspěchu jsou vysoce integrované polovodičové čipy a senzory. Bosch proto vyrábí již mnoho let polovodiče a senzory pro automobilovou elektroniku ve vlastní režii. Technický pokrok je nezbytným předpokladem pro zlevňování výroby stále výkonnější automobilové elektroniky, která tak může být dostupná pro každého.

Nová výzva v oblasti automobilové elektroniky
Elektrifikace automobilu klade nové nároky na automobilovou elektroniku. Vývojáři se dosud zaměřovali na zvyšování inteligence řídicích a regulačních systémů v automobilu. Nyní mají za úkol řídit elektronickou cestou vysoké elektrické výkony v řádu až stovek kilowattů mezi zdroji energie a spotřebiči. Vysokých výkonů dosahují nejen elektrické stroje v hnacím řetězci hybridních vozidel a elektromobilů, ale i vedlejší agregáty, jako jsou posilovače řízení nebo čerpadla chladicí kapaliny, přecházející na elektrický pohon řízený elektronikou.

Výkonová elektronika se dosud používala u elektrických průmyslových pohonů, v elektricky poháněných kolejových vozidlech nebo ve střídačích pro solární a větrné elektrárny. Tento druh výkonové elektroniky pochází z průmyslové techniky a zpravidla je uložen ve velkých skříňových rozvaděčích. Taková technika se však pro automobily nehodí. Zde jsou sice potřebná napětí, proudy a výkony výrazně nižší, automobilové prostředí ovšem na druhé straně klade mimořádné požadavky na rozměry a hmotnost, odolnost vůči extrémním mechanickým a klimatickým vlivům a v neposlední řadě na způsobilost k velkosériové výrobě s nízkými náklady. Bosch má s tím jako přední dodavatel automobilové techniky nejlepší zkušenosti. Inženýři společnosti Bosch proto pracují již od roku 2005 intenzivně na nových technologických řešeních pro automobilovou výkonovou elektroniku.

Příklad: řízení energetických toků v hybridních vozidlech
Zásadní součástí výkonové elektroniky hybridního vozidla nebo elektromobilu je tzv. invertor, který zajišťuje řízení energetických toků v hnacím řetězci. U hybridního pohonu reguluje invertor energii pro elektrický pohon, mění stejnosměrný proud z vysokovýkonného trakčního akumulátoru na střídavý proud a napájí jím elektrický stroj pracující jako elektromotor. Invertor dále řídí důležitou funkci rekuperace kinetické energie, a přispívá tak k úspoře paliva. Během brzdění pracuje elektrický stroj jako generátor, vyrábí elektrický proud a přitom brzdí vůz – kinetická energie je přeměňována na elektrickou energii. Invertor reguluje proud pro dobíjení akumulátoru. Uložená energie poslouží později opět k pohonu vozidla.

Hlavní roli v řízení energetických toků přitom hraje výkonová elektronika. Inženýři společnosti Bosch pracují intenzivně na tom, aby ji postupně optimalizovali. Zmenšují rozměry, snižují hmotnost, zvyšují výkony a účinnost a snižují výrobní náklady. A dosahují přitom viditelného pokroku. Invertor první generace, který se montuje od roku 2010 do vozů Porsche Cayenne Hybrid a Volkswagen Touareg Hybrid, zabírá prostor o objemu přibližně deset litrů. V aktuální druhé generaci, jejíž sériová výroba bude zahájena v roce 2012, má tato elektronika při srovnatelném výkonu objem už jen osm litrů. A pro rok 2013 vyvíjíme další generaci, která odvede při stejných rozměrech o třetinu vyšší výkon.

Miniaturizace – klíč k elektromobilitě
Cílem důsledné miniaturizace výkonové elektroniky je také zpřístupnění hospodárné hybridní techniky stále většímu okruhu řidičů snižováním výrobních nákladů. Bosch jde přitom stejnou cestou, která se osvědčila v úspěšné historii automobilové elektroniky během uplynulých desetiletí, a vyvíjí výkonovou elektroniku, která bude výkonnější, menší a levnější. V tom hraje důležitou roli soustředěný vývoj systémů, řídicích jednotek a polovodičových komponentů mezioborovými týmy inženýrů společnosti Bosch. Tímto způsobem jsme zkonstruovali mimořádně kompaktní invertor, jehož vhodná konstrukce je zárukou optimálních elektrických vlastností bez rizika nadměrného zahřívání.

K řízení a regulaci elektrické energie v invertoru slouží integrované výkonové moduly vyrobené speciální technologií lisování a novými postupy montáže a propojení, které umožňují sdružovat větší počty polovodičových komponentů, jako jsou výkonové tranzistory, a také regulačních obvodů do velmi kompaktní a robustní konstrukční jednotky s účinným chlazením a snadnou montáží. Oproti dosavadním řešením tím vývojáři dosáhli výrazného zlepšení z hlediska hustoty proudu, účinnosti a spolehlivosti.

Bosch vyvíjí a vyrábí invertory a výkonové moduly převážně vlastními silami, a to včetně integrovaných výkonových polovodičových komponentů. Pouze těsným propojením vývoje invertorů, modulů a polovodičů je možné dosáhnout náročných cílů.

Na poli výkonových polovodičů navázal Bosch v roce 2009 spolupráci se společností Infineon, která má v této oblasti vedoucí postavení na trhu, a zakoupil licenci na základní proces výroby výkonových polovodičů. Díky tomu může Bosch vyrábět nejmodernější výkonové polovodiče ve vlastním výrobním závodě na polovodiče. Závod Bosch na výrobu polovodičů byl nedávno rozšířen o další výrobní halu, jejíž výstavba si vyžádala investici ve výši 600 milionů eur.

Vážené dámy a pánové,

elektromobily budou hrát v budoucnosti důležitou roli pro zajištění energeticky hospodárné individuální mobility. Bosch na to vynakládá velkou část svých celkových investic do výzkumu a vývoje – a to i na nová řešení v oblasti výkonové elektroniky. Ta se však neomezuje pouze na automobil, ale stále častěji nalézá uplatnění také při efektivním zásobování energií v našem každodenním životě – zcela v souladu s naším sloganem „Stvořeno pro život“.

Zdroj: Bosch