Größere Reichweite für Elektroautos

Gut gekühlt und effizient – Wechselrichter für Porsche-Antriebsstränge. Bildnachweis: Fraunhofer-Gesellschaft

Wenn Elektrofahrzeuge größere Entfernungen erreichen sollen, geht es nicht nur darum, ihre Batterien zu optimieren. Stattdessen muss der gesamte Antriebsstrang verbessert werden. Ein Fraunhofer-Team entwickelt daher elektronische Steuergeräte, sogenannte Leistungsumrichter, die die Energie zwischen Batterie und Motor wesentlich effizienter umwandeln als heute.

Wenn es um die Reichweite eines Elektroautos geht, denken viele von uns automatisch an die Batterie. Je mehr Energie eine Batterie speichern kann, desto weiter kann das Auto fahren. Die Batterie ist jedoch nicht das A und O. Tatsächlich spielt auch der Antriebsstrang eine entscheidende Rolle. So machen sich Experten des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin an die Arbeit am Wechselrichter. Dieses Gerät wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in den Wechselstrom um, der den Elektromotor antreibt. Aufgrund seiner zentralen Position zwischen Batterie und Motor fließen hohe elektrische Ströme durch den Wechselrichter und seine Transistoren. Damit sich das Gerät nicht wie ein Toaster erwärmt, muss die Wärme über Kühlelemente abgeführt werden.

Reichweite um bis zu sechs Prozent erweitert

Im Rahmen des SiCeffizient-Projekts stellen Experten des Fraunhofer IZM und seiner Industriepartner jetzt Transistoren aus besonders effizienten Siliziumkarbid (SiC) -Halbleitern her, die weniger Strom verbrauchen, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Diese Halbleiter sind jedoch relativ teuer. Es wäre daher sinnvoll, die Mindestanzahl von Transistoren zu haben. Da jedoch jeder mehr Energie abführen und sich stärker erwärmen würde, müssen sie besonders gut gekühlt werden. Die Kühlelemente der Wechselrichter wurden jetzt komplett überarbeitet. Ziel ist es, den Halbleiter kühler zu halten und dabei die gleiche Verlustleistung beizubehalten.

Insbesondere wenn das Fahrzeug beschleunigt, bremst und mit hohen Geschwindigkeiten fährt, geht die Leistung des Umrichters verloren, da große Mengen Strom zwischen Motor, Umrichter und Batterie hin und her fließen. SiC-Halbleiter reduzieren diese Verluste. “Wir erwarten, dass durch die Optimierung des Antriebsstrangs auf diese Weise die Reichweite von Elektroautos letztendlich um bis zu sechs Prozent erweitert wird”, sagt Eugen Erhardt, verantwortlich für das SiCeffizient-Projekt am IZM. Sechs Prozent klingen vielleicht nicht nach viel. Aber in Wirklichkeit ist es sehr viel. Wenn es um Batterien für Elektroautos geht, kann diese Art der Leistungssteigerung nur durch Erhöhen der Anzahl der Batterien oder durch erheblichen Forschungsaufwand erreicht werden.

Druckfeste Kühlkörper durch 3D-Druck

Wechselrichter für Elektroautos werden mit Wasser gekühlt. Die Wärme, die sich in den Transistoren aufbaut, wird üblicherweise über ein festes Kühlelement abgegeben. Dies hat Kühlkanäle, sogenannte Lamellen, die ins Wasser ragen und die Wärme abführen. Um diese hilfreichen SiC-Transistoren zu kühlen, haben die Experten mittels 3D-Druck ein Kühlelement mit vergleichsweise dünnen Wänden geschaffen. Dieses Element ist so angeordnet, dass die Transistoren auf einer nur wenige Millimeter dicken Metallplatte sitzen. Infolgedessen rücken die Transistoren näher an das Kühlwasser heran, was den Kühleffekt verstärkt. Um zu verhindern, dass sich die dünne Metallplatte unter Last verformt, werden die Kühlrippen im 3D-Drucker so modelliert, dass sie die Metallplatten genau wie die Säulen in einer Kuppel tragen. Diese Struktur ist so stabil, dass das Kühlelement sowohl dem Druck des Kühlwassers als auch den Kräften standhalten kann, die auftreten, wenn die Transistoren auf das Kühlelement gesintert werden.

Leistungsmodule bestehen immer aus unterschiedlichen Materialien, um die erforderlichen unterschiedlichen Funktionen zu übernehmen. Hier ist das Problem: Beim Erhitzen dehnen sich die unterschiedlichen Materialien mit so unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus, dass Spannungen in der Struktur auftreten. Dies kann dazu führen, dass der Wechselrichter reißt und ausfällt. Das neue Kühlelement löst auch dieses Problem. Da die Metallplatten extrem dünn gehalten werden, können sie die beim Erhitzen oder Abkühlen auftretenden Spannungen durch leichte Verformung ausgleichen. Dadurch ist die gesamte thermoelektrische Struktur sehr flexibel. Dies schont die teuren SiC-Halbleiter und verlängert deren Lebensdauer.

Kupferdraht verhindert Risse

Und es gibt noch etwas, das die Belastung der neuen Wechselrichtermodule verringert. Sie sind nicht in üblicher Weise über feste Kupferleiterspuren mit anderen elektronischen Bauteilen verbunden. Stattdessen ist die Struktur aus dem Kühlelement und den SiC-Transistoren durch verseilte, flexible, feine Kupferdrähte mit dem Rest des elektronischen Systems verbunden.

Der neue Wechselrichter wird in den nächsten Monaten beim Projektpartner Robert Bosch getestet. Das Unternehmen Porsche wird das Gerät dann in einen neu gestalteten Antriebsstrang einbauen, der genau auf die SiC-Struktur abgestimmt ist. “Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, bevor das Gerät in Produktion gehen kann”, sagt Eugen Erhardt. “In erster Linie ziehen wir alles zusammen, um einen Prototyp zu erstellen. Die einzelnen Prozessschritte müssen dann weiter optimiert werden.”

Das könnte dir auch gefallen
Hinterlasse eine Antwort

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Größere Reichweite für Elektroautos

Lesezeit: 3 min
0