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Fraunhofer IZM entwickelt effizientere Wechselrichter für Elektro-Autos – Porsche hat Interesse

Fraunhofer-Forschung
Sechs Prozent mehr Reichweite durch effizientere Wechselrichter

Wechselrichter für Elektroautos.
Mehr Reichweite für Elektroautos verspricht sich das Fraunhofer IZM mit gut gekühlten und effizienten Wechselrichtern.
Bild: Fraunhofer IZM
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Es ist zu wenig, nur die Batterien zu optimieren: Damit E-Fahrzeuge größere Strecken bewältigen können, muss der gesamte Antriebsstrang verbessert werden. Aus diesem Grund sitzt ein Fraunhofer-Team derzeit an der Entwicklung elektronische Steuergeräte – sogenannten Wechselrichtern, die die Energie zwischen Batterie und Motor umwandeln. Diese sind deutlich effizienter als bisher, schreibt das Fraunhofer IZM in einer Pressemitteilung.

Die Batterie kommt den meisten Menschen als erstes in den Sinn, wenn es um die Reichweite von Elektroautos geht: Je mehr Energie diese speichern kann, desto weiter kann man mit dem Elektroauto fahren.

Doch die Batterie ist nicht alles. Tatsächlich lässt sich aus dem gesamten Antriebsstrang noch einiges herauskitzeln. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin wurde jetzt der sogenannte Wechselrichter in den Fokus genommen. Dieser wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom um, mit dem der Elektromotor angetrieben wird. Der Wechselrichter liegt zentral zwischen Batterie und Motor, weshalb er und seine Transistoren von hohen Strömen durchflossen werden. Um zu verhindern, dass sich das Gerät dabei wie ein Toaster erhitzt, muss die Wärme über Kühlkörper abgeführt werden.

Neue Wechselrichter bescheren bis zu 6 Prozent mehr Reichweite

Im Projekt „SiCeffizient“ setzen Experten vom Fraunhofer IZM zusammen mit Partnern aus der Industrie für die Transistoren jetzt effizient arbeitende Halbleiter aus Silizium-Carbid (SiC) ein. Diese haben beim Durchfließen deutlich weniger Verluste, sind aber recht teuer.

Es ist daher sinnvoll, möglichst wenige Transistoren einzusetzen. Das Problem: Pro Stück erzeugen die Halbleiter aus Silizium-Carbid mehr Verlustleistung und würden sich stärker erhitzen. Sie müssen also besonders gut gekühlt werden. Die Projektmitarbeiter haben daher die Kühlelemente der Wechselrichter völlig neu gestaltet. Dadurch können sie bei gleicher Verlustleistung den Halbleiter kälter halten.

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Verluste in den Wechselrichtern treten vor allem beim Beschleunigen, Abbremsen und beim schnellen Fahren auf. Dann nämlich fließen große Mengen Strom zwischen Motor, Wechselrichter und Batterie hin- und her. Die SiC-Halbleiter verringern diese Verluste.

„Wir gehen davon aus, dass Elektroautos durch diese Optimierung des Antriebsstrangs am Ende eine um bis zu sechs Prozent größere Reichweite haben“, sagt Eugen Erhardt, der am Fraunhofer IZM für SiCeffizient zuständig ist.

Auch wenn sechs Prozent Einsparung nach wenig klingt, lässt sich bei einem Elektroauto-Akku ein solcher Leistungssprung nur durch den Einsatz von mehr Akkus oder mit einem erheblichen Forschungsaufwand erreichen.

Druckfeste Kühlkörper durch 3D-Druck

Wechselrichter für Elektroautos werden mit Wasser gekühlt. Die Wärme, die in den Transistoren entsteht, wird für gewöhnlich über einen massiven Kühlkörper abgeleitet. Dieser besitzt Kühlstäbe, sogenannte Finnen, die ins Wasser ragen und die Wärme abgeben.

Für die Kühlung der SiC-Transistoren wurde jetzt ein Kühlkörper mit vergleichsweise dünnen Wänden per 3D-Druck erzeugt. Die Transistoren sitzen dort auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte. Damit rücken die Transistoren dichter an das Kühlmedium Wasser heran, was die Kühlwirkung verstärkt.

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Damit sich die dünne Metallplatte bei Belastung nicht verbiegt, werden die Kühl-Finnen im 3D-Druck so gestaltet, dass sie die Metallplatte wie die Säulen in einem Dom stützen. Dieser Aufbau ist extrem stabil: Der Kühlkörper widersteht dadurch dem Druck des Kühlwassers als auch den Kräften, die beim Aufsintern der Transistoren auf den Kühlkörper auftreten.

Verschiedene Werkstoffe dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus. So kommt es im Aufbau zu Spannungen. Die Folge: Materialermüdung und schließlich der Ausfall des Wechselrichters.

Der neue Kühlkörper soll auch dieses Problem lösen. Spannungen bei der Erwärmung oder beim Abkühlen können die recht dünn gehaltenen Metallplatten durch leichte Verformung ausgleichen. Damit ist der ganze thermoelektrische Aufbau flexibel. Das schont die teuren SiC-Halbleiter, deren Lebensdauer sich erhöht.

Kupferdraht verhindert Brüche

Und noch etwas verringert die Spannung in den neuen Wechselrichter-Modulen. Üblicherweise werden diese über feste Leiterbahnen aus Kupfer mit anderen elektronischen Komponenten verbunden. Im Fall der neuen Module wird der Aufbau aus Kühlkörper und SiC-Transistoren mit Kupferlitzen – flexiblen, feinen Kupferdrähten – mit der übrigen Elektronik verknüpft.

Der neue Wechselrichter soll in den kommenden Monaten beim Projektpartner Bosch getestet werden. Die Firma Porsche wird das Gerät anschließend in einen neu konzipierten Antriebsstrang einbauen, der ganz auf den SiC-Aufbau abgestimmt ist. „Bis zur Serienreife wird es aber noch etwas dauern“, sagt Eugen Erhardt. „Zunächst einmal führen wir alles zu einem Prototypen zusammen. Danach müssen die einzelnen Prozessschritte dann noch optimiert werden.“ (wag)


 


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