SCAPE-Projekt will Leistungselektronik für E-Autos verbessern
Um die Wettbewerbsfähigkeit Europas zu stärken und die Abhängigkeit von externen Technologien zu verringern, entwickelt das EU-finanzierte Projekt SCAPE (Switching-Cell-Array-Based Power Electronics Conversion for Future Electric Vehicles) einen neuen Designansatz für Leistungswandler für Elektrofahrzeuge. Das Projekt wird vom Catalonia Institute for Energy Research (IREC) in Barcelona koordiniert.
SCAPE peilt dabei einen Wirkungsgrad von über 97,5 Prozent an. Das Projekt will eine Verdoppelung der Leistungsdichte und eine Halbierung der Kosten pro Kilowatt im Vergleich zu aktuellen Standards erreichen. Das würde zu größere Reichweiten, erschwinglicheren Elektrofahrzeugen und einer Stärkung der europäischen Automobilindustrie führen.
Bausteinsystem für kleine wie große Fahrzeuge
SCAPE setzt bei seinem neuartigen Designansatz auf eine Art Bausteinsystem: Der Kern des Projekts ist die sogenannte Schaltzelle, ein standardisierter und kompakter Grundbaustein, der fortschrittliche Leistungshalbleitertechnologie und Zusatzschaltungen umfasst. Mehrere dieser Schaltzellen können zu „Wandlersträngen“ zusammengeschaltet werden, die sich dann zu kompletten Stromrichtern zusammenfügen. Dadurch soll die selbe Technologie für diverse Fahrzeugarten vom kleinen Stadtauto bis zum großen Elektro-Lkw verwendet werden können. Dabei sollen Skaleneffekte entstehen, die die Entwicklungs- und Herstellungskosten deutlich senken.
Weiterhin möchte SCAPE auch eine kombinierte Einheit aus einem On-Board Charger und einem Traktionswechselrichter entwickeln. Das soll die Fahrzeugkonstruktion und -herstellung vereinfachen, erhöht die Antriebsleistung erheblich, senkt die Kosten und erhöht die Zuverlässigkeit durch Fehlertoleranz.
Chips direkt in die Leiterplatte einbetten
Ein weiterer Ansatzpunkt des Projektes ist die Chip-Embedding-Technologie: Normalerweise werden Leistungschips auf Platinen aufgesetzt. SCAPE bettet sie stattdessen aber direkt in die Leiterplatte ein. Dadurch soll die Technik kleiner, kühler, schneller und effizienter werden – und für weniger Stromverlust und längere Lebensdauer sorgen. SCAPE hat auch bereits eine erste Charge solcher Chip-Embedding-Schaltzellen entwickelt. Experimentelle Validierungen bestätigen den erfolgreichen Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen und zeigen eine 45-prozentige Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Kühlkörper sowie eine 85-prozentige Reduzierung der Streuinduktivität im Leistungskreis im Vergleich zu einer konventionellen Implementierung.
Auch die Überwachung der Gesundheit des Systems ist elementar: Das SCAPE-Projekt setzt dabei auf einen digitalen Zwilling des Antriebsstrangs und somit eine exakte virtuelle Nachbildung des physischen Systems. Dabei geht es um vorausschauende Wartungswarnungen und eine Lastumverteilung zwischen Schaltzellen, Wandlerstrang und Batteriemodulen, um den Betrieb bis zur Wartung aufrechtzuerhalten.
Das SCAPE-Projekt wird von der EU mit insgesamt rund sechs Millionen Euro gefördert und läuft noch bis Juni 2026. Neben dem federführenden Catalonia Institute for Energy Research (IREC) aus Barcelona nehmen u.a. die Universität Modena und Reggio Emilia aus Italien, Deep Concept aus Frankreich sowie der Mobiliäts-Technologieentwickler AVL teil.
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