Een belangrijke tekortkoming van de meeste elektrische voertuigen is nog steeds de relatief beperkte actieradius. Je kunt meer accu’s plaatsen. Maar als je de hele aandrijflijn verbetert, kan ook nog eens flink aantal extra kilometers worden bereikt. Deskundigen van het Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlijn hebben nu een verbeterde omvormer ontworpen. Deze zet gelijkstroom van de accu om in wisselstroom. Daarmee wordt de elektromotor aangedreven.
Aangezien deze omvormer zich tussen de accu en de motor bevindt, wordt hij gemakkelijk zeer heet, net als de transistors. Om dit te voorkomen, moet de warmte via koellichamen worden afgevoerd. Daarom gebruiken de wetenschappers bijzonder efficiënte halfgeleiders van siliciumcarbide (SiC). Deze hebben veel lagere verliezen wanneer er warmte doorheen stroomt. Het nadeel is dat deze halfgeleiders zeer duur zijn.
Meer actieradius
Vandaar dat er zo weinig mogelijk van die transistors worden gebruikt. Dat leidt er echter weer toe dat ze meer moeten presteren en daardoor meer opwarmen. Om vermogensverlies te voorkomen moeten ze bijzonder goed gekoeld worden. De deskundigen hebben daarom een heel nieuw type koelelementen ontworpen. De grootste verliezen in de omvormer treden op tijdens het optrekken, remmen en snel rijden. Dan gaan er namelijk grote hoeveelheden stroom heen en weer tussen de motor, de omvormer en de accu. Dit is waar de SiC-halfgeleiders hun werk gaan doen. Ze verminderen die verliezen. “We gaan ervan uit dat elektrische auto’s uiteindelijk tot zes procent meer actieradius zullen hebben dankzij deze optimalisatie van de aandrijflijn,” zegt Eugen Erhardt, die bij Fraunhofer IZM verantwoordelijk is voor SiCeffizient. Die verbetering is aanzienlijk. Want normaal gesproken lukt dat alleen maar door extra batterijen te plaatsen.
Water
Op de transistoren zijn koelvinnen geplaatst. Deze zitten in een waterreservoir. Zo kan de hitte worden afgevoerd. Het koellichaam voor de SiC-transistors is 3D-geprint en heeft relatief dunne wanden. “De koelribben zijn ontworpen als zuilen die een dak ondersteunen”, leggen de wetenschappers uit. “Dit ontwerp is zo sterk dat het koellichaam bestand is tegen zowel de druk van het koelwater als de krachten die optreden bij de montage van de transistoren op het koellichaam.”
Maar er was nog een obstakel te overwinnen. De verschillende materialen waaruit de energiemodules zijn opgebouwd, zetten namelijk verschillend uit bij verhitting. Hierdoor ontstaan spanningen in de structuur. Deze kunnen vervolgens leiden tot materiaalmoeheid. Daardoor kan uiteindelijk de omvormer uitvallen. De dunne metalen platen van het nieuwe koellichaam kunnen deze spanningen tijdens het opwarmen of afkoelen echter compenseren door iets te vervormen.
Dit vrij flexibele thermo-elektrische ontwerp beschermt de dure SiC-halfgeleiders en draagt bij tot een langere levensduur. Een ander voordeel van de nieuwe omvormermodules is dat zij niet met andere elektronische componenten zijn verbonden via massieve koperen geleiders. Dat is gewoonlijk het geval. “In plaats daarvan zijn het koellichaam en de SiC-transistors verbonden met de rest van de elektronica met flexibele, fijne koperdraden” leggen de wetenschappers uit. De spanning in de omvormers verlaagt mede daardoor.
De nieuwe omvormer wordt de komende maanden bij Bosch getest. Daarna wordt hij in een Porsche ingebouwd in een nieuw ontworpen aandrijflijn die volledig is aangepast aan de SiC-structuur. “Het zal echter nog wel even duren voordat het klaar is voor serieproductie,” zegt Eugen Erhardt. “In de eerste plaats brengen we alles samen tot een prototype. Daarna moeten de afzonderlijke processtappen worden geoptimaliseerd.”
Foto: De nieuwe omvormers voor e-auto’s. © Fraunhofer IZM
Ook interessant: Krijg je het warm van het draadloos opladen van je e-auto?
