04.05.2021 - 10:15

„SiCeffizent“: Fraunhofer-Team entwickelt effizientere Wechselrichter

Ein Fraunhofer-Team entwickelt neue Wechselrichter für Elektroautos, welche die Energie viel effizienter als bisher zwischen Batterie und Motor umwandeln sollen. Im Projekt „SiCeffizent“ gemeinsam mit Porsche und Bosch steht vor allem die Kühlung der Siliziumkarbid-Halbleiter im Fokus.

Die erste Effizienzsteigerung ergibt sich durch den Einsatz von Halbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) anstelle von reinem Silizium, da diese beim Durchfließen deutlich weniger Verluste haben – erste Serienfahrzeuge setzen bereits SiC-Halbleiter ein. Diese sind aber noch recht teuer.

Daher erachtet es das Team des Fraunhofer IZM zusammen mit Industriepartnern wie Bosch und Porsche für sinnvoll, möglichst wenige Transistoren einzusetzen. Daraus ergeben sich aber neue Herausforderungen: Da diese wenigen Transistoren 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 die Kühlelemente der Wechselrichter jetzt völlig neu gestaltet.

Dass die SiC-Halbleiter mit der neuen Kühlung in den Wechselrichtern eingesetzt werden, ist kein Zufall: Durch dieses Bauteil fließen beim Beschleunigen, Rekuperieren und schnellen Fahren hohe Ströme zwischen Batterie und Motor. „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.

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Bisher verfügen die Transistoren in den mit Wasser gekühlten Wechselrichtern über massive Kühlkörper, deren Kühlstäbe oder -rippen in das Kühlwasser ragen und so die Wärme abgeben. Bei der Fraunhofer-Entwicklung kommen jetzt Kühlkörper aus dem 3D-Drucker zum Einsatz. Damit konnten die Kühlkörper so dünn gestaltet werden, dass die Transistoren auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte sitzen. Damit rücken die Transistoren dichter an das Kühlmedium heran, was die Kühlwirkung verstärkt. Dank ihrer Form sollen die Kühl-Finnen nicht nur dem Druck des Kühlwassers standhalten können, sondern auch den Kräften, die beim Aufsintern der Transistoren auf den Kühlkörper auftreten.

Ein weiterer Vorteil der neuen Kühl-Lösung: Laut der Mitteilung der Fraunhofer-Gesellschaft können die dünnen Metallplatten Spannungen bei der Erwärmung oder beim Abkühlen durch leichte Verformung ausgleichen. Die verschiedenen Werkstoffe der Leistungsmodule dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus, was zur Materialermüdung führen könnte – bei dem neuen Wechselrichter soll das aber kein Problem sein.

In den kommenden Monaten wird der neue Wechselrichter beim Projektpartner Bosch getestet. 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.“
fraunhofer.de

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4 Kommentare zu “„SiCeffizent“: Fraunhofer-Team entwickelt effizientere Wechselrichter

  1. Peter W

    Es wäre interessant zu erfahren wo da der Unterschied zwischen diesem und der Neuentwicklung von Infineon ist, dessen WR bereits bei Hyundai eingesetzt werden.

  2. BEV

    Lassen Sie mich raten: Der Unterschied ist die Kühlung? Nur, dass es SiC-Technologie ist, bedeutet ja nicht zwangsweise, dass es auch eine innovative Kühllösung wie hier beschrieben sein muss.

    Andersrum: Hätte Infineon eine innovative Kühllösung aus dem 3D-Drucker, hätten sie dieses Buzzword sicher in ihrer Beschreibung untergebracht.

  3. Wolf

    Auf dem Bild sehe ich vier SIC-Elemente vermutlich aufgesintert auf einem ziemlich mächtigen Kühlkörper. Da kommt jetzt noch keine wirkliche Stimmung auf 🙂

  4. Megaschorsch

    Bevor wieder Halbwahrheiten erzählt werden möchte ich kurz den Hintergrund erklären:

    SiCs (Silizium-Carbid) Mosfets “schalten” deutlich schneller als die normalerweise verbauten Silizium Halbleiter. Da bei jedem schalten (8.000 – 16.000x pro Sekunde) Verluste entstehen, sind diese bei kürzerer Schaltzeit deutlich geringer. Das heißt es muss weniger Wärme abgeführt werden und die Bauteile können kleiner ausgelegt werden. Alles in allem steigt dadurch der Wirkungsgrad der Leistungselektronik, das Packaging wird kleiner und muss nicht mehr so stark gekühlt werden – da weniger Verlustleistung.

    Nunja ein Weltneuheit ist es ja nicht gerade, SiCs sind schon seit vielen Jahren auf dem Markt. Dennoch interessant das der Sprung in die Massenproduktion nun endlich stattfindet.

    Dem standen bisher 2 Faktoren im wege. Der Preis für die Teile und die elektrischen Störungen die entstehen bei höheren Schaltfrequenzen mit entsprechender Leistung (EMV). Mit Optimierungen und Tests konnte letztes aber sicherlich in den Griff bekommen werden. Preis fällt mit der Stückzahl.

    Aber es wird interessant ob die Halbleiter bei der aktuellen Lage überhaupt in entsprechender Stückzahl verfügbar sein werden.

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Gefunden bei electrive.net
https://www.electrive.net/2021/05/04/siceffizent-fraunhofer-team-entwickelt-effizientere-wechselrichter/
04.05.2021 10:11