Elektromobilität Projekt Dauerpower: Dauerlastfähige Wechselrichter verbessert Leistung elektrischer Antriebe

Überhitzende Komponenten minimieren die Leistungsfähigkeit von Antriebssträngen bei Elektrofahrzeugen erheblich. Vor allem Wechselrichtern fällt dabei eine große thermische Last zu, weshalb sie aktiv gekühlt werden müssen. Im Projekt Dauerpower entwickelt man einen neuen elektrischen Wechselrichter. Dieser kann dank eines optimierten Kühlmanagements bei einer geringeren Betriebstemperatur arbeiten, wodurch sich die Verlustleistung reduzieren lässt.

Effiziente Antriebsstränge spielen für Elektrofahrzeuge eine große Rolle. Ihre Leistungsfähigkeit ist allerdings zu einem hohen Maße von den thermischen Eigenschaften der verbauten Komponenten abhängig. Neben Batterie und Motor ist vor allem die thermische Performance des Wechselrichters wichtig für einen möglichst hohen Wirkungsgrad: Er wandelt den Gleichstrom der Batterie in den von elektrischen Motoren benötigten Wechselstrom um und versorgt die gesamte Antriebseinheit mit Energie.

Kooperation zwischen Porsche, Bosch und Fraunhofer IZM

In Kooperation mit Porsche und Bosch arbeitet das Fraunhofer IZM jetzt an einem kompakten 3-phasigen Antriebswechselrichter mit einer hohen Dauerleistung von 720 kW beziehungsweise 979 PS und einem Nennstrom von 900 A. Eugen Erhardt betreut das Projekt am Fraunhofer IZM und ordnet die Leistungsfähigkeit des neuen Systems ein: „Gegenüber existierenden Wechselrichtern auf Siliziumbasis erreichen wir mit unserem Ansatz eine Leistungssteigerung zwischen 20 und 30 Prozent.“ Den Forschern gelang diese Steigerung der Leistungsdichte durch die thermische Optimierung neuer Materialien und optimierten Embedding-Prozessen in der Fertigung. Mit diesen hatte man sich bereits im Vorläuferprojekt SICeffizient beschäftigt.

Transistoren aus hitzeresistentem Siliziumkarbid

Damit die passiven Bauteile eines Wechselrichters, wie Kondensatoren und Kupferelemente nicht durch Hitzeentwicklung beschädigt werden, drosseln herkömmliche Systeme ihre Maximalleistung im Dauerbetrieb. Dieser Prozess nennt sich auch „Derating“: Chips aus Siliziumkarbid (SiC) ermöglichen eine geringere Kühlfläche, bei gleichbleibender Leistung, wodurch im Vergleich zu Siliziumchips Halbleitermaterial eingespart werden kann, weil eine optimalere Kühlung gegeben ist.

Das vom Fraunhofer IZM entwickelte System nutzt moderne SiC-Transistoren, die im Vergleich zu reinem Silizium einen höheren Wirkungsgrad, sowie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Zwei dieser SiC-Transistoren werden am Fraunhofer IZM in einem Pre-Packaging-Verfahren direkt auf ein Keramiksubstrat aufgebracht. Diese Pre-Packages lassen sich dann flexibel in herkömmliche Leiterplatten einbetten. Durch die dünne Bauweise und eine Reduzierung der benötigten Materialien gibt es weniger mechanischen Stress und ein einheitlicheres Verformungsverhalten bei Hitzeeinwirkung. Außerdem kann der knappe Bauraum durch die segmentierten Keramiksubstrate optimal ausgenutzt werden, um die spezifischen Anforderungsprofile der Fahrzeugindustrie optimal bedienen zu können.

Kupfer-Kühlelemente aus dem 3D-Drucker

Neben den optimierten Materialien beschäftigt sich das Institut auch mit der Kühlung der einzelnen Bauteile. Je besser die Kühlwirkung, desto weniger teures Halbleitermaterial wird benötigt, weil die Anordnung der Chips noch kompakter erfolgen kann. Ziel ist es, sowohl eine hohe thermische Integration der verschiedenen Halbleiterelemente, als auch der passiven Bauteile, wie Kondensatoren und Kupferleiter zu erreichen. Dazu werden die temperaturkritischen Komponenten über Silbersinterverbindungen direkt an das Kühlsystem angeschlossen und bestmöglich thermisch integriert: Durch eine parallele Anordnung erreicht die Kühlflüssigkeit alle Kühlkörper und angeschlossene Halbleiterelemente gleichzeitig, und die thermische Energie wird gleichmäßig abgeführt. Zur Herstellung der Kühlelemente wird außerdem zum ersten Mal Kupfer in einem 3D-Druckverfahren angewendet. So kann die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit der vollen Flexibilität des 3D-Druckens kombiniert werden, anstatt wie zuvor nur auf Kühlkörper aus Aluminium zugreifen zu können. Im Vergleich zu CNC-Fräsverfahren erlaubt der 3D-Druck eine große Freiheit bezüglich der Gestaltung des Kühlkanals und wiederum eine optimale Ausnutzung des knappen Bauraums.

Hohe Modularität des Prototyps

Neben Fortschritten bei Material und Produktionsprozessen konnte man für den Prototyp auch eine höhere Modularität der einzelnen Elemente erreichen. Basierte das im Vorläuferprojekt angedachte Konzept noch auf einer Lösung, bei der alle Komponenten fest miteinander verbunden sind, können die Elemente des Wechselrichters nun als Teilmodule leichter ausgetauscht und repariert werden. In der Folge können Elektrofahrzeuge so noch ressourcenschonender produziert und auch länger genutzt werden.

Nach einer Simulationsphase befindet sich der Prototyp aktuell im Aufbau und soll schließlich bei Porsche einen umfangreichen Prüfprozess durchlaufen, um eines Tages auch Wege in die Serienproduktion zu finden.  (se)

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