Vom DC zum BLDC Wie modulare Software den Wechsel vereinfacht

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Der Umstieg von DC- auf BLDC-Motoren bietet viele Vorteile, aber auch technische Herausforderungen. Modulare Software vereinfacht die Ansteuerung und ermöglicht mehr Leistung, längere Lebensdauer und präzisere Kontrolle.

Präzises Thermal-Management wird in elektrifizierten Fahrzeugarchitekturen immer wichtiger – dadurch rücken mechatronische Antriebskomponenten stärker in den Entwicklungsfokus. Insbesondere Anwendungen wie die Batteriekühlung stellen hohe Anforderungen an Energieeffizienz, Lebensdauer und Regelgenauigkeit der eingesetzten Antriebssysteme. Vor diesem Hintergrund vollzieht sich in der Automobilindustrie derzeit ein technischer Paradigmenwechsel: der Ersatz klassischer Gleichstrommotoren durch bürstenlose DC-Motoren (BLDC) gewinnt an Relevanz. Der Grund: BLDC-Motoren zeichnen sich durch ein höheres spezifisches Drehmoment, einen verbesserten Wirkungsgrad und reduzierte Wartungsanforderungen aus. Diesen Vorteilen steht jedoch ein signifikant erhöhter Aufwand bei der Ansteuerung und Regelung gegenüber. Im Gegensatz zur einfachen PWM-Ansteuerung konventioneller DC-Motoren erfordern BLDC-Systeme eine sensor- oder sensorlose Kommutierung, feldorientierte Regelverfahren (FOC) sowie eine darauf abgestimmte Leistungselektronik mit ausreichender Rechenkapazität. Zusätzlich ist zur Sicherstellung von Wiederverwendbarkeit und Variantenmanagement eine modulare und skalierbare Softwarearchitektur unerlässlich.

Diese technischen Anforderungen bedingen eine ganzheitliche Systembetrachtung und stellen Entwickler vor neue Herausforderungen in der Konzeption, Auslegung und Integration mechatronischer Antriebslösungen im Fahrzeugumfeld.

Herausforderungen beim Umstieg von DC auf BLDC

Der Einsatz eines BLDC-Motors beeinflusst nicht nur die mechanischen Eigenschaften eines Antriebssystems, sondern hat auch weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Systemarchitektur – von der Steuerung über die Softwarealgorithmen bis hin zu Hardwaredesign und EMV-Konzepten:

Steuerung: Bei der Ansteuerung von DC-Motoren genügt in der Regel eine einfache Spannungsregelung oder PWM-Ansteuerung über eine H-Brücke. Die Regelung erfolgt oft direkt über einen geschlossenen Regelkreis für die Drehzahl, wobei lediglich ein einfacher PI-Regler ausreicht. Das Verhalten ist linear und gut prognostizierbar. Demgegenüber erfordert die Ansteuerung eines BLDC-Motors eine aufwendigere Regelung. Da die Kommutierung nicht mechanisch, sondern elektronisch erfolgt, muss die Rotorposition erfasst oder geschätzt werden, um die richtigen Phasenströme einzuschalten. Dies erfordert einen dreiphasigen Inverter, eine präzise Taktung der Leistungshalbleiter sowie eine deutlich feinere Steuerungslogik. Die Herausforderung liegt hier vor allem in der Echtzeitfähigkeit der Steuerung, insbesondere bei schnellen Lastwechseln oder im sensorlosen Betrieb.

Algorithmen: Der Regelungsaufwand bei BLDC-Motoren ist signifikant höher. Während bei DC-Motoren einfache Drehzahl- und Stromregelkreise genügen, kommen bei BLDC-Antrieben komplexe Algorithmen wie die sensorlose Kommutierung über Back-EMF-Auswertung oder feldorientierte Regelung (FOC) zum Einsatz. Diese Algorithmen erfordern nicht nur ein tiefes Verständnis der Motorphysik, sondern auch eine leistungsfähige Softwareumgebung. Besonders herausfordernd ist der Übergang vom Stillstand zur Drehbewegung im sensorlosen Betrieb, da die zur Kommutierung notwendige Gegen-EMK erst bei nennenswerter Drehzahl vorhanden ist.

Hardware: Auch auf Hardwareebene unterscheiden sich die Anforderungen erheblich. DC-Motoren benötigen lediglich eine einfache H-Brücke, wohingegen BLDC-Motoren eine dreiphasige Leistungsendstufe mit präzisem Timing und Strommessung voraussetzen. Die Auswahl geeigneter Mikrocontroller mit ausreichender Rechenleistung, mehreren synchronisierten PWM-Kanälen und schnellen ADCs ist entscheidend. Zusätzlich erfordert der Aufbau einer sicheren und effizienten Ansteuerschaltung für BLDC-Motoren besondere Sorgfalt in der Leiterplattenentwicklung – insbesondere bei der Trennung von Leistungs- und Signalpfaden.

EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit): In puncto elektromagnetischer Verträglichkeit stellen beide Motortypen spezifische Herausforderungen dar. DC-Motoren erzeugen durch ihre Bürstenkontakte breitbandige Störungen, die schwer zu filtern sind und insbesondere im unteren Frequenzbereich auftreten. Funkenbildung und Schleifkontakte stellen zusätzliche Störquellen dar. BLDC-Motoren hingegen verursachen EMV-Probleme vor allem durch die steilen Flanken der hochfrequenten Schaltvorgänge im Inverter. Diese können zu leitungs- und feldgebundenen Störungen führen, die gezielt durch angepasstes Layout, sternförmige Masseführung, Filtermaßnahmen (z. B. EMV-Drosseln, Snubber-Netzwerke) und geeignete Schirmung kontrolliert werden müssen. Eine besonders kritische Rolle spielt dabei das Zusammenspiel von Software und Hardware, etwa bei der Gestaltung der PWM-Modulation oder der Begrenzung der Schaltgeschwindigkeit durch Gate-Widerstände.

Verkürzte Entwicklungszyklen durch modulare Softwarearchitektur

Die Entwickler und Antriebstechnikexperten von BURGER ENGINEERING standen genau vor dieser Herausforderung. Sie suchten nach einer Möglichkeit, schnell und flexibel auf die Anforderungen verschiedener Kundenprojekte einzugehen und die jeweils optimale Motortechnologie für die spezifische Anwendung bereitzustellen. Das Ergebnis dieser Suche ist das Konzept einer modularen Softwarearchitektur, die es ermöglicht, sowohl DC- als auch BLDC-Motoren von einer gemeinsamen Plattform aus anzusteuern. Durch die Trennung von Funktionseinheiten, klare Schnittstellen und abstrahierte Hardwarezugriffe las-sen sich Systeme entwickeln, die leicht erweiterbar, wartbar und an neue Anforderungen adaptierbar sind. Gerade im Kontext baukastenbasierter Produktfamilien stellt dies einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil dar.

Modulare Software ermöglicht es, Funktionseinheiten wie Signalverarbeitung, Kommutierung, Stromregelung und Fehlermanagement flexibel zu kombinieren, wiederzuverwenden und auf unterschiedliche Motortypen oder Hardwareplattformen zu skalieren. Mit diesem Modell verfolgt BURGER ENGINEERING einen innovativen Ansatz, der Hardware- und Softwareentwicklung effizient vereint. Er ermöglicht nicht nur eine einfache Erweiterung und Validierung von Funktionen, sondern ermöglicht auch die flexible und unabhängige Auswahl der eingesetzten Motortechnologie flexibel – egal ob DC, BLDC oder zukünftige Technologien.

Ein zentraler Bestandteil dieser Softwarearchitektur sind abstrakte Interfaces zwischen den einzelnen Softwaremodulen. Mit Hilfe dieser kann die Anwendungsebene unabhängig von der eingesetzten Motortechnologie agieren. So wird beispielsweise der Motor-Control-Schicht lediglich mitgeteilt, ob und in welcher Geschwindigkeit sich der Motor drehen soll, ohne dass die zugrunde liegende Technologie offengelegt wird. Durch diese modulare Struktur lassen sich Motorvarianten flexibel durch Konfiguration oder Austausch einzelner Softwaremodule anpassen.

Die zentralen Vorteile von modularer Software

Die modulare Struktur Software bietet Entwicklern zahlreiche Vorteile. Sowohl für die konkrete Produktentwicklung, als auch für eine langfristige Plattformstrategie.

Wiederverwendbarkeit und Standardisierung: Ein zentraler Vorteil modularer Architekturen liegt in der Wiederverwendbarkeit von Code. Funktionseinheiten wie PWM-Erzeugung, Drehzahlregelung, Strommessung oder Kommunikationsschnittstellen sind unabhängig vom konkreten Motortyp implementiert und können in unterschiedlichen Projekten oder Produktvarianten wiederverwendet werden. Dies fördert eine Standardisierung innerhalb der Softwarelandschaft, reduziert Entwicklungsaufwand und erleichtert die Einarbeitung neuer Entwickler.

Flexibilität und Erweiterbarkeit: Durch klar definierte Modulgrenzen und standardisierte Schnittstellen können neue Funktionalitäten – etwa alternative Kommutierungsverfahren, zusätzliche Sensorik oder neue Feldbusprotokolle – modular ergänzt oder ausgetauscht werden. Auch der Wechsel von DC- auf BLDC-Motoren (oder umgekehrt) er-fordert lediglich die Anpassung oder den Austausch einzelner Module, während der Großteil der Software unverändert bleibt. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf neue Anforderungen oder Kunden-wünsche.

Trennung von Applikation und Hardware: Ein modularer Aufbau erlaubt eine saubere Trennung zwischen anwendungsspezifischer Logik und hardwareabhängigen Funktionen. Die Hardware-Abstraktionsschicht (HAL) kapselt alle direkten Zugriffe auf Mikrocontroller-Peripherie, wodurch die Applikationslogik unabhängig von der Zielplattform entwickelt werden kann. Dies erleichtert die Portierung auf unterschiedliche Mikrocontroller, ermöglicht herstellerunabhängige Designs und verbessert die langfristige Wartbarkeit der Software.

Testbarkeit und Qualitätssicherung: Modular aufgebaute Systeme lassen sich leichter testen und validieren. Jedes Modul kann isoliert in Unit- oder Integrationstests überprüft werden, was die Fehlersuche vereinfacht und die Qualität verbessert. Zudem lassen sich Module mit definierten Ein- und Ausgängen einfacher in Simulationen einbinden, was insbesondere für Regelalgorithmen und sicherheitskritische Funktionen von Vorteil ist.

Skalierbarkeit für Produktfamilien: Viele Hersteller entwickeln nicht nur ein einzelnes Produkt, sondern ganze Produktfamilien mit unterschiedlichen Leistungsstufen, Schnittstellen oder Motortypen. Eine modulare Softwarearchitektur erlaubt es, diese Varianten effizient zu bedienen, indem nur spezifische Module angepasst werden – beispielsweise der Stromregelkreis für eine leistungsstärkere Ausführung oder die Kommunikationsschnittstelle für ein kundenspezifisches Protokoll. Das Grundgerüst bleibt dabei unverändert, was Entwicklungs- und Wartungsaufwand drastisch reduziert.

Modularität als Grundlage für langfristig wartbare Antriebslösungen

Die Migration von klassischen DC-Motoren zu bürstenlosen BLDC-Antrieben eröffnet im automobilen Thermal Management – insbesondere bei Anwendungen wie der Batteriekühlung – neue technische Möglichkeiten. Höhere Wirkungsgrade, eine präzisere Drehmomentregelung sowie eine längere Lebensdauer der Antriebseinheit tragen wesentlich zur Effizienz und Betriebssicherheit thermischer Systeme bei. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an das Gesamtsystem: Komplexe Regelalgorithmen, höhere Integrationsdichte und die Notwendigkeit einer robusten EMV-Auslegung erfordern eine sorgfältige Abstimmung von Elektronik, Software und Mechanik. Gerade im Bereich des Thermal-Managements, wo die exakte Regelung von Volumenströmen, Reaktionsschnelligkeit und Dauerbetrieb im Vordergrund stehen, sind robuste und adaptive Steuerungskonzepte unerlässlich. Die konsequente Umsetzung modularer Softwarearchitekturen ermöglicht dabei nicht nur die Wiederverwendbarkeit funktionaler Komponenten, sondern auch eine schnelle Anpassung an unterschiedliche Fahrzeugplattformen, Umgebungsbedingungen und Kühlanforderungen. Vor dem Hintergrund zunehmender Systemkomplexität, kürzerer Entwicklungszyklen und wachsender Variantenvielfalt ist ein integrativer, modularer Ansatz bei der Entwicklung mechatronischer Antriebe für thermische Anwendungen heute kein optionales Entwicklungsziel mehr, sondern ein wesentlicher Erfolgsfaktor für eine zuverlässige, skalierbare und wirtschaftliche Systemarchitektur. (mr)

* Jörg Klenke ist Mitglied der Geschäftsführung und PMO bei Burger Engineering GmbH

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