Neuer Wechselrichter verbessert Leistung von E-Fahrzeugen
Forschende des Fraunhofer IZM entwickeln einen speziellen Wechselrichter, der nicht nur die Leistungsfähigkeit elektrischer Antriebe deutlich steigert, sondern auch die Kosten für die Mobilitätswende senken kann. Ein optimiertes Kühlmanagement und eine hohe Modularität spielen dabei eine wichtige Rolle.
Eingebettete Halbbrücken-Prepackages für dauerlastfähige Wechselrichter.
Foto: Fraunhofer IZM
Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom aus der Batterie eines Elektrofahrzeugs in den vom Motor benötigten Wechselstrom um. Damit trägt der Wechselrichter, neben Batterie und Motor, wesentlich zur Leistung und Reichweite eines Elektrofahrzeugs bei. Jedoch unterliegt der Wechselrichter extrem hohen thermischen Belastungen. Die Wärme, die während des Betriebs erzeugt wird, kann die elektronischen Komponenten im Wechselrichter beschädigen. Um das zu verhindern, muss der Wechselrichter aktiv gekühlt werden. Die Kühlung erfordert allerdings viel Energie, was wiederum zu Einbußen der Leistung elektrischer Antriebe führt.
Damit weniger Verlustleistung entsteht, entwickeln das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM zusammen mit Projektpartnern aus der Automobilindustrie (Porsche AG und der Robert Bosch GmbH) im Projekt Dauerpower einen neuen Wechselrichter. Dieser kann auch bei geringeren Betriebstemperaturen arbeiten. Die Lösung liegt in einem optimierten Kühlmanagement, ausgewählten Materialien und angepassten Produktionsprozessen. Neben einer längeren Volllastnutzung ermöglicht der neue Wechselrichter auch die Einsparung von Materialien.
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Neuer Wechselrichter enthält hitzeresistentes Silizium-Karbid
Damit die wichtigen Bauteile im Wechselrichter nicht durch die Hitzeentwicklung beschädigt werden, drosseln die meisten Systeme ihre Maximalleistung im Dauerbetrieb. Diesen Vorgang bezeichnet man als Derating. In herkömmlichen Wechselrichtern werden dafür Chips aus reinem Silizium verwendet. Das Fraunhofer IZM nutzt hingegen moderne Transistoren aus hitzeresistentem Silizium-Karbid. Diese weisen nicht nur eine höhere Temperaturbeständigkeit auf, sondern besitzen gegenüber reinem Silizium auch einen höheren Wirkungsgrad.
„Gegenüber existierenden Wechselrichtern auf Siliziumbasis erreichen wir mit unserem Ansatz eine Leistungssteigerung zwischen 20 Prozent und 30 Prozent,“ sagt Eugen Erhardt, der das Projekt am Fraunhofer IZM begleitet. Der neue Antriebswechselrichter erreicht so eine Dauerleistung von 720 Kilowatt beziehungsweise 979 PS und einen Nennstrom von 900 Ampère.
Zwei der Transistoren werden am Fraunhofer IZM in einem innovativen Pre-Packaging-Verfahren direkt auf Keramiksubstrat aufgebracht. Dieser Prozess führt zu einer dünnen Bauweise und einer Reduzierung der benötigten Materialien. Dadurch wird der mechanische Stress verringert und ein einheitliches Verformungsverhalten bei Hitzeeinwirkung erreicht.
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Effiziente Kühlung der Materialien
Neben dem Einsatz von temperaturbeständigen Materialien arbeiten die Forschenden des Fraunhofer IZM ebenso an einer verbesserten Kühlung der einzelnen Bauteile des Wechselrichters. Die Rechnung ist einfach: Je effizienter die Kühlwirkung, desto weniger Halbleitermaterial wird benötigt, welches dazu noch sehr teuer ist. Die Forschenden wollen dafür sowohl eine hohe thermische Integration der verschiedenen Halbleiterelemente als auch der passiven Bauteile wie Kupferleiter und Kondensatoren erreichen. Dazu werden die die temperaturkritischen Komponenten über Silbersinterverbindungen direkt an das Kühlsystem angeschlossen. Außerdem wird zur Herstellung der Kühlelemente zum erstem Mal Kupfer in einem 3D-Druckverfahren angewendet. Auf diese Weise lässt sich die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit der Flexibilität des 3D-Druckers kombinieren. Zuvor wurden Kühlkörper aus Aluminium eingesetzt. Die neuen Kuper-Kühlelemente bieten eine verbesserte Wärmeableitung und ermöglichen zudem eine optimale Nutzung des verfügbaren Bauraums.
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Neuer Wechselrichter schont Ressourcen
Ein weiterer Vorteil des neuartigen Wechselrichters liegt in seiner hohen Modularität. In herkömmlichen Wechselrichtern sind meist alle Komponenten fest miteinander verbaut. Die Forschenden des Fraunhofer IZM sahen darin jedoch eher Nachteile und haben daher die einzelnen Elemente als Teilmodule konzipiert. Das ermöglicht einen einfachen Austausch und eine schnelle Reparatur der einzelnen Komponenten. Eine hohe Modularität trägt somit dazu bei, Elektrofahrzeuge ressourcenschonender herzustellen. Darüber hinaus könnten clevere Produktionsprozesse die Kosten für Elektrofahrzeuge künftig senken.
Derzeit befindet sich der Wechselrichter-Prototyp noch im Aufbau. Bevor er in Serienproduktion gehen kann, wird er zunächst bei der Porsche AG einem umfangreichen Prüfprozess unterzogen. Das Projekt Dauerpower startete im Jahr 2021 und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 1,2 Millionen Euro gefördert.
Um den Ausstieg aus fossilen Energieträgern zu beschleunigen, sind effiziente Antriebstechnologien für Elektrofahrzeuge von großer Bedeutung. Sie bieten die Chance, die Leistung, Reichweite und Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen zu verbessern und den Ausbau der Mobilitätswende voranzutreiben.
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