BorgWarner hat mit der zweiten Generation des elektrisch angetriebenen Verdichters wichtige Weiterentwicklungsstufen durchlaufen. Aufgrund seiner kompakten Abmessungen ist das robuste Aggregat für den Einsatz in kleinen Motoren geeignet. Es zeichnet sich zudem durch verbessertes NVH-Verhalten, höheren Wirkungsgrad und optimierte Arbeitsweise aus.

Unterstützt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs

Elektrifizierungskonzepte wie 48V-Bordnetze werden von Automobilherstellern vermehrt eingesetzt, um die Effizienz von Motoren zu verbessern und Emissionsvorgaben einzuhalten. Der eBooster von BorgWarner hilft bei der Erreichung dieser Ziele und sorgt außerdem für optimiertes Ansprechverhalten sowie deutliche Drehmomentsteigerung insbesondere bei niedrigen Drehzahlen.

Im Zusammenspiel mit dem eBooster, der die Aufladung im Teillastbereich des Motors optimiert, kann der Turbolader zielgenau für den Volllastbetrieb ausgelegt werden. Dies führt zu verbessertem Ladungswechsel, senkt den Abgasgegendruck im Krümmer und verbessert die Motorleistung.

Die zweite Generation des eBoosters geht an den Start

BorgWarners eBooster wurde seit der Markteinführung 2017 kontinuierlich weiterentwickelt und zeichnet sich in der Gen2 durch deutliche Leistungssteigerungen und eine verbesserte Betriebseffizienz aus. Erlaubte die erste Generation des elektrisch angetriebenen 48V-Verdichters dynamischen Betrieb lediglich mit maximal 5 kW elektrischer Leistung für 20 Sekunden pro Minute, ermöglicht das Gen2-Modell erhöhte Spitzenleistung von 7 kW und zusätzlich eine kontinuierliche Nutzung mit 2,5 kW.

Der eBooster der zweiten Generation ging Anfang 2020 in die Serienfertigung und verfügt über eine ganze Reihe weiterer Verbesserungen. Dazu gehört eine Verbindung von Leistungselektronik und Stator mit geringerem Widerstand und damit besserem Wirkungsgrad sowie ein für höhere Drehzahlen ausgelegter robuster Rotor. Ein weiterentwickelter Verdichter mit reduzierter Massenträgheit sorgt für ein besseres transientes Verhalten, der neue EMV-Filter für geringere Leistungsverluste und eine optimierte Filterwirkung. Unterbrechungsfreien Betrieb gewährleistet der modellbasierte Softwarekomponentenschutz, und ein Prozessor mit zusätzlicher Rechenkapazität übernimmt die feldorientierte Regelung (Field Oriented Control, FOC).

Beiden Generationen gemeinsam ist der permanenterregte Synchronmotor (PMS), der bereits in der ersten Generation des eBoosters mit Vorteilen wie deutlich verbessertem NVH- und Ansprechverhalten des Motors sowie höherer Drehmomentdichte und optimiertem Wirkungsgrad überzeugte. Auch der Energiebedarf während der Beschleunigung konnte damit gegenüber einem herkömmlichen Reluktanzmotor erheblich reduziert werden. Für die neueste Generation des eBoosters wurde die Leistung des PMS-Motors noch weiter verbessert, indem das Trägheitsmoment des Rotors und des Verdichters reduziert und somit ein geringerer Stromverbrauch und ein schnelleres Hochlaufen ermöglicht wurden. Tabelle 1 und Abbildung 1 zeigen Gemeinsamkeiten und Veränderungen zwischen Gen1 und Gen2 im detaillierten Vergleich.

Leistungsfähiger durch Sinuskommutierung

Um die Performance der zweiten Generation des elektrisch angetriebenen Verdichters zu steigern und Dauerbetrieb möglich zu machen, setzt BorgWarner beim Gen2 eBooster auf Sinuskommutierung. Denn gegenüber der Blockkommutierung können damit die Wirbelstromverluste im Elektromotor reduziert werden. Die Sinuskommutierung sorgt darüber hinaus für einen weicheren Übergang bei weniger Welligkeit, wogegen bei Blockkommutierung schnellere Schwankungen erzeugt werden.

Permanente Aufladung durch modellbasierten Komponentenschutz, schnellere Strom- und Drehzahlregelung, Überstromschutz von Hard- und Software sowie Strommessung aller drei Phasen, 40 µs Zykluszeit des PI-Reglers und 28 kHz PWM sind weitere Vorteile dieser zweiten Generation des eBooster.

Temperaturmodell zum Schutz der Komponenten

Die Komponenten des Gen2 eBooster müssen selbst bei starker Beanspruchung zuverlässig vor zu hoher thermischer Belastung geschützt werden. Dazu wurde ein intelligentes Temperaturmodell entwickelt, welches kritische Temperaturen durch Messdaten von Sensoren ermittelt. Aus diesen Temperaturen ergibt sich ein Prozentbereich als Basis für den Auslastungsindex. Auf dieser Basis wird angesichts der höchsten tolerierbaren Temperaturen in kritischen Bereichen der Schutz der Komponenten durch intelligentes Derating des eBooster sichergestellt. Die Temperaturdaten liefert die Leiterplatte des eBooster; sie misst über drei Heißleiter-Sensoren die Kühlmitteltemperatur in kritischen Bereichen im leistungselektronischen Teil der Leiterplatte.

Höhere Leistung bei niedrigeren Kosten

Um diese schwierige Vorgabe zu erfüllen, wurde der EMV-Filter zwischen Hauptplatine und Gleichstromversorgung für den Gen2 eBooster neu konzipiert. Die Drossel wurde so gestaltet, dass sie im Gleichtakt- und Differenzialmodus als Filter arbeitet, gleichzeitig wurden Differenzialmodusdrossel und Gleichtaktdrossel in einem Teil kombiniert. Die neue Gestaltung ermöglicht es, dass der Ferritkern den Ferritaußenring als Gleichtaktpfad nutzen kann. Der definierte Differentialmoduspfad ist in dieser Konfiguration die Zunge, kombiniert mit einem Luftspalt und dem Außenring, was Gleichstromverluste wegen der geringen Stromdichte der Stromschienen verringert. Der magnetische Fluss bleibt weitestgehend im Ferritkern, das Kerndesign kann nun auf den Differenzialmodus einwirken.

Fortschrittliche Technologie für mehr Kraftstoffeinsparung und Leistung

Der neue Gen2 eBooster von BorgWarner unterstützt Fahrzeughersteller bei ihrem Bestreben, kompaktere und leistungsstarke Motoren mit niedrigeren Drehzahlen zu entwickeln. Der elektrisch angetriebene 48V-Verdichter kommt als Ergänzung des herkömmlichen Turboladers zum Einsatz und verbessert deutlich Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

Autoren des Beitrges

Dr.-Ing. Hermann Breitbach, Vice President Fuel Injection System Engineering
Dr.-Ing. Ralf Christmann, Director Product Development PC Turbochargers
Dipl.-Ing. Holger Gabriel, Director Engineering Europe CV
Dipl.-Ing. Dietmar Metz, Technical Specialist eProducts

(Quelle: OEM&Lieferant, Ausgabe I/2021)