„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.

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.“
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