Damit Elektroautos größere Strecken bewältigen können, muss neben den Batterien unter anderem auch der ganze Antriebsstrang verbessert werden. Ein Fraunhofer-Team entwickelt dazu elektronische Steuergeräte, sogenannte Wechselrichter, die die Energie effizienter als bisher zwischen Batterie und Motor umwandeln.
Laut den Experten vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin lässt sich aus dem Antriebsstrang „noch einiges herauskitzeln“. Sie konzentrieren sich dabei auf den Wechselrichter, der den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Betrieb des Elektromotors umwandelt. Aufgrund seiner zentralen Lage zwischen Batterie und Motor durchfließen hohe Ströme den Wechselrichter und dessen Transistoren. Um zu verhindern, dass sich das Gerät dabei wie ein Toaster erhitzt, muss die Wärme über Kühlkörper abgeführt werden.
Im Projekt „SiCeffizient“ setzen Wissenschaftler vom Fraunhofer IZM zusammen mit Industriepartnern für die Transistoren effizienter arbeitende Halbleiter aus Silizium-Carbid (SiC) ein, die beim Durchfließen deutlich weniger Verluste haben. Diese Halbleiter sind recht teuer, daher ist der Einsatz möglichst weniger Transistoren sinnvoll. Da diese dann aber pro Stück mehr Verlustleistung erzeugen und sich stärker erhitzen würden, müssen sie besonders gut gekühlt werden. Um bei gleicher Verlustleistung den Halbleiter kälter zu halten, wurden am Fraunhofer IZM die Kühlelemente der Wechselrichter neu gestaltet.
In Wechselrichtern treten vor allem beim Beschleunigen, Abbremsen und beim schnellen Fahren Verluste auf, wenn große Mengen Strom zwischen Motor, Wechselrichter und Batterie hin- und herfließen. 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“, so Eugen Erhardt, der am Fraunhofer IZM für SiCeffizient zuständig ist. Bei einem Elektroauto-Batteriesystem lasse sich ein solcher Leistungssprung nur durch den Einsatz von mehr einzelnen Akkus oder erheblichem 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 ab-geben. Für die Kühlung der wertvollen SiC-Transistoren haben die Fraunhofer-Experten einen Kühlkörper mit vergleichsweise dünnen Wänden per 3D-Druck erzeugt. Dieser ist so gestaltet, dass die Transistoren auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte sitzen. Damit rücken die Transistoren dichter an das Kühlmedium Wasser heran, was die Kühlwirkung verstärkt. 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 so stabil, dass der Kühlkörper sowohl dem Druck des Kühlwassers als auch den Kräften widersteht, die beim Aufsintern der Transistoren auf den Kühlkörper auftreten.
Leistungsmodule werden aus verschiedenen Werkstoffen zusammengebaut. Das Problem: Die verschiedenen Werkstoffe dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus, sodass es in dem Aufbau zu Spannungen kommt. Das kann zur Materialermüdung und in der Folge zum Ausfall des Wechselrichters führen. Auch dieses Problem löst der neue Kühlkörper. Da die Metallplatten recht dünn gehalten sind, können sie Spannungen bei der Erwärmung oder beim Abkühlen durch leichte Verformung ausgleichen. Damit ist der thermoelektrische Aufbau sehr flexibel. Das schont nicht zuletzt die teuren SiC-Halbleiter, die Lebensdauer erhöht sich.
Noch etwas verringert die Spannung in den neuen Wechselrichter-Modulen des Fraunhofer-Instituts: Sie werden nicht wie üblich über feste Leiterbahnen aus Kupfer mit anderen elektronischen Komponenten verbunden. Stattdessen wird der Aufbau aus Kühlkörper und SiC-Transistoren mit Kupferlitzen – flexiblen, feinen Kupferdrähten – mit der übrigen Elektronik verknüpft.
In den kommenden Monaten wird der neue Wechselrichter beim Projektpartner Robert Bosch getestet. Sportwagenbauer Porsche wird das Gerät anschließend in einen neu konzipierten Antriebsstrang einbauen, der auf den SiC-Aufbau abgestimmt ist. „Bis zur Serienreife wird es aber noch etwas dauern“, erklärt Eugen Erhardt. „Zunächst einmal führen wir alles zu einem Prototypen zusammen. Danach müssen die einzelnen Prozessschritte dann noch optimiert werden.“
Jeru meint
Es ist erstaunlich wie viel Potenzial in der Leistungselektronik noch vorhanden zu sein scheint. Das Mehr an Reichweite ist schon beachtlich und eine tolle Entwicklung.
Ich freue mich auf die BEV´s, die auf uns zukommen!
Egon Meier meint
letztens gab es (in der FAZ ?) ein Interview mit einem US-Minister. Der bezeichnete die praxisnahe Forschung in Deutschland durch die Fraunhofer-institute als vorbildlich.
Man kriegt nicht immer was davon mit aber es gab schon öfter Meldungen, dass das war rüberflossen ist.
Ich kann mich noch gut an die Zeiten erinnern, in denen Deutschland zwar jede Menge erfolgreiche Grundlagenforschung machte aber die praxisnahen Arbeiten zu banal erschienen. Es hat sich zum Glück gewandelt.
Ich kenne mehrere Unternehmen, die eng und erfolgreich mit Fraunhofer-Instituten zusammenarbeiten.
OnlyAFoolUsesGoogleAndroid meint
„Ich kenne mehrere Unternehmen, die eng und erfolgreich mit Fraunhofer-Instituten zusammenarbeiten.“
Und wie viele reale Produkte haben diese Unternehmen auf Basis der Zusammenarbeit in die Praxis gebracht?
Andi meint
Da das Fraunhofer Institut (mit seinen vielen Fachrichtungen) auf allen möglichen Gebieten in enger Verbindung mit der Industrie zusammenarbeitet ist das pauschal nicht zu bestimmen.
Es handelt sich oft um die Überführung von Forschungsergebnissen in reale verkaufbare Produkte. Z.B. in der Lasertechnik (Verbesserung der Leistung, Strahlqualität, Lasermaterialbearbeitung, 3D-Druck, usw.
Es arbeiten aber zahlreiche Firmen sehr erfolgreich mit der Fraunhofer Gruppe.
Egon Meier meint
Die betreffenden Unternehmen arbeiten kontiunierlich mit Fraunhofer zusammen und zahlen Geld dafür.
Auftragsforschung
Es muss wohl sehr valide Ergebnisse geben. Das landet alles in Produkten. Ein wertvolles Ergebnis kann auch sein, dass ein bestimmter Ansatz nicht erfolgversprechend ist.
Franz Mueller meint
Das Fraunhofer forscht also an SiC, was andere bereits in Serie haben (Model3 jetzt schon, PPE in Kürze).
Außerdem ist ein fachlicher Fehler im Artikel:
„Sie werden nicht wie üblich über feste Leiterbahnen aus Kupfer mit anderen elektronischen Komponenten verbunden. Stattdessen wird der Aufbau aus Kühlkörper und SiC-Transistoren mit Kupferlitzen – flexiblen, feinen Kupferdrähten – mit der übrigen Elektronik verknüpft.“
Flexible, feine Kupferdrähte bezeichnet man als Drahtbonden. Das ist bei SiC aber aufgrund der Induktivitätserhöhung nicht möglich, man verwendet stattdessen Planartechnik – feste Leiterbahnen aus Kupfer.
Im Artikel ist es genau anders herum geschrieben. Solche Fehler zeigen auch schön die Qualität des Fraunhofers.
150kW meint
In den Beitrag gibt es speziell um die Kühltechnik und nicht um SiC generell.
Und warum sollte das Fraunhofer nicht genau daran forschen die Leiterbahn aus Kupfer durch Bond-Draht zu ersetzen?
150kW meint
SiC Bonding siehe auch:
https://www.elektroniknet.de/halbleiter/kupfer-bondbaendchen-fuer-sic-module.178040.html
Carsten Mühe meint
Im Taycan sind von Anfang an SiC Wechselricher verbaut, darum geht es aber in dem Bericht nicht. Einfach mal genau lesen anstatt gleich wieder “ hat Tesla schon lange, mimimimi “ zu posten.
Egon Meier meint
„Das Fraunhofer forscht also an SiC, was andere bereits in Serie haben (Model3 jetzt schon).“
Ach .. Tesla hat Fahrzeuge mit denen durch Fraunhofer und Bosch optimierten Wechselricher? Können die sowas nicht selbst?
Als kleiner Hinweis: Man forscht auch an Reifen obwohl die schon in Serie überall und von jedem eingebaut werden.
andi_nün meint
Im Gegensatz zu allen anderen Autoherstellern, baut Tesla die Wechselrichter tatsächlich selber. Nennt sich vertikale Integration, kennt man bei deutschen Autobauern wenig.
Egon Meier meint
Das war nicht die Frage.
Aber das interessiert sie nicht. Es geht hier um die von Fraunhofer/Bosch optimierten Wechselrichter und nicht den Tesla-Bastelkram.
Also .. die Wechselrichter, um die es hier geht,. baut Tesla also nicht. Tesla hat sie auch nicht entwickelt und auch nicht mitentwickelt. Sonst würde das im Artikel stehen.
Oder haben sie andere, belegbare Informationen?
Andi meint
@ Franz Müller
„Flexible, feine Kupferdrähte bezeichnet man als Drahtbonden.“
Das ist so nicht richtig. Drahtbonden bezeichent eine Verbindungstechnik vom Halbleitersubstrat zum Gehäusepin. In der Regel sind dies Alu- oder Golddrähte.
Hier ist aber die Verbindung vom Transistor zur Steuerelektronik beschrieben (außerhalb des Transistors).
„Solche Fehler zeigen auch schön die Qualität des Fraunhofers.“
Sie kennen genügend Fraunhofer-Institute und arbeiten auch mit diesen zusammen?
Lassen Sie doch einfach diese wertenden Kommentare sein.
andi_nün meint
Ich kenne zwei Frauenhoferinstitute besser, unter anderem das, welches die fragwürdigen H2 Publikationen gemacht hat. Halte nichts von denen.
Egon Meier meint
Auftragsforschung.
Sie optimieren auch Wechselrichter in Zusammearbeit mit Bosch.
Davon halte ich sehr viel.