Ein großes Manko der meisten Elektrofahrzeuge ist noch immer die relativ begrenze Reichweite, bevor die Batterie wieder aufgeladen werden muss. Das Problem ist aber nicht nur eine zu geringe Speicherkapazität des Akkus. Verbessert man den gesamten Antriebsstrang, lassen sich einige zusätzliche Kilometer herausholen. Dazu entwickeln Experten des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin nun einen sogenannten Wechselrichter, der den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom umwandelt, mit dem der Elektromotor angetrieben wird. Da dieser Wechselrichter zwischen der Batterie und dem Motor angesiedelt ist, wird er, ebenso wie seine Transistoren, leicht sehr heiß. Um das zu verhindern, ist es nötig, die Wärme über Kühlkörper abzuführen.
Die Wissenschaftler nutzen für die Transistoren deshalb besonders effiziente Halbleiter aus Silizium-Carbid (SiC). Sie haben beim Durchfließen viel geringere Verluste. Der Nachteil ist, dass diese Halbleiter sehr teuer sind, weshalb möglichst wenige Transistoren eingesetzt werden sollten. Allerdings würden diese sich dann stärker erhitzen, da sie mehr Verlustleistung erzeugen würden. Also müssen sie besonders gut gekühlt werden. Um den Halbleiter bei gleicher Verlustleistung besser zu kühlen, haben die Experten die Kühlelemente der Wechselrichter komplett neugestaltet.
Bis zu sechs Prozent größere Reichweite
Beim Beschleunigen, Abbremsen und beim schnellen Fahren, wenn große Mengen Strom zwischen Motor, Wechselrichter und Batterie hin und her fließen, gibt es im Wechselrichter die größten Verluste. Hier kommen die SiC-Halbleiter ins Spiel. Sie 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 das nicht nach viel klingt, sind sechs Prozent beachtlich, denn normalerweise sind für einen solchen Leistungssprung bei einem Elektroauto-Akku mehr Akkus nötig.
Die Kühlung der Wechselrichter in Elektroautos geschieht mit Wasser, wobei die Kühlstäbe, sogenannte Finnen, des Kühlkörpers ins Wasser ragen und die Wärme, die in den Transistoren entsteht, abgeben. Der Kühlkörper für die SiC-Transistoren wurde durch 3D-Druck erzeugt und hat verhältnismäßig dünne Wände. Hier sitzen die Transistoren auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte und sind somit dichter am kühlenden Wasser – wodurch wiederum die Kühlwirkung verstärkt wird. “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”, erklären die Wissenschaftler. “Dieser Aufbau ist so stabil, dass der Kühlkörper sowohl dem Druck des Kühlwassers als auch den Kräften widersteht, die beim Aufsintern der Transistoren auf den Kühlkörper auftreten.”
Serienreife noch Zukunftsmusik
Es musste aber noch ein weiteres Hindernis überwunden werden. Die verschiedenen Werkstoffe, aus denen die Leistungsmodule bestehen, dehnen sich nämlich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus. Die Folge ist, dass es in dem Aufbau zu Spannungen kommt – was in der Folge zu Materialermüdung und dann zum Ausfall des Wechselrichters führen kann. Die dünnen Metallplatten des neuen Kühlkörpers können diese Spannungen bei der Erwärmung oder beim Abkühlen aber ausgleichen, indem sie sich leicht verformen. Dieser recht flexible thermoelektrische Aufbau schont die teuren SiC-Halbleiter und trägt zu einer längeren Lebensdauer bei.
Ein weiterer Vorteil der neuen Wechselrichter-Module ist, dass sie nicht wie üblich über feste Leiterbahnen aus Kupfer mit anderen elektronischen Komponenten verbunden werden. “Stattdessen wird der Aufbau aus Kühlkörper und SiC-Transistoren mit Kupferlitzen – flexiblen, feinen Kupferdrähten – mit der übrigen Elektronik verknüpft”, betonen die Wissenschaftler. Auch dies würde die Spannung in den Wechselrichtern verringern.
Der neue Wechselrichter soll in den kommenden Monaten beim Projektpartner Robert Bosch getestet werden. Anschließend wird Porsche ihn 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.”
Titelbild: Gut gekühlt und effizient – Wechselrichter für Porsche-Antriebe. © Fraunhofer IZM
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