Überhitzende Komponenten limitieren die Leistungsfähigkeit von Antriebssträngen bei Elektrofahrzeugen erheblich. Vor allem Wechselrichtern fällt dabei eine große thermische Last zu, weshalb sie aktiv gekühlt werden müssen. Das Projekt ‚Dauerpower’ nimmt sich dieses Problems an.
Das Fraunhofer IZM entwickelt zusammen mit Projektpartnern aus der Automobilindustrie einen elektrischen Wechselrichter, der aufgrund eines optimierten Kühlmanagements bei einer geringeren Betriebstemperatur arbeiten kann, wodurch es zu weniger Verlustleistung kommt. Neben einer längeren Volllastnutzung kann dadurch auch die benötigte Halbleiterfläche verringert werden. Neben Batterie und Motor von Elektrofahrzeugen ist vor allem die thermische Performance des Wechselrichters wichtig für einen hohen Wirkungsgrad: Er wandelt den Gleichstrom der Batterie in den von elektrischen Motoren benötigten Wechselstrom um und versorgt die gesamte Antriebseinheit mit Energie. In Kooperation mit Porsche und Bosch entwickelt das Fraunhofer IZM jetzt einen kompakten 3-phasigen Antriebswechselrichter mit einer hohen Dauerleistung von 720 kW bzw. 979 PS und einem Nennstrom von 900 A. Gegenüber bereits existierenden Wechselrichtern auf Siliciumbasis erreichen die Kooperationspartner mit ihrem Ansatz eine Leistungssteigerung zwischen 20 und 30 %. Den Forscherinnen und Forschern gelang diese Steigerung durch die thermische Optimierung fortschrittlicher Materialien und durch optimierte Embeddingprozesse in der Fertigung.
Transistoren aus hitzeresistentem Silicium-Karbid
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 Silicium-Karbid ermöglichen eine geringere Kühlfläche, bei gleichbleibender Leistung, wodurch im Vergleich zu Siliciumchips Halbleitermaterial eingespart werden kann, da eine optimalere Kühlung gegeben ist. Das vom Fraunhofer IZM entwickelte System nutzt moderne Transistoren aus Silicium-Karbid, die gegenüber reinem Silicium einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Zwei dieser Silicium-Karbid-Transistoren werden am Fraunhofer IZM in einem innovativen Pre-Packaging-Verfahren direkt auf ein Keramiksubstrat aufgebracht. Diese Pre-Packages können dann flexibel in herkömmliche Leiterplatten eingebettet werden. 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 beschäftigten sich die Forscher auch mit der effizienteren Kühlung der einzelnen Bauteile. Je besser die Kühlwirkung, desto weniger teures Halbleitermaterial wird benötigt, da 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 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 aus einem 3D-Druckverfahren angewendet. So kann die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit der 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 eine optimale Ausnutzung des knappen Bauraums.
Hohe Modularität des Prototypen
Neben Fortschritten bei Material und Produktionsprozessen konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für den Prototypen auch eine höhere Modularität der einzelnen Elemente erreichen. Basierte das Konzept im Vorläuferprojekt 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. So können Elektrofahrzeuge ressourcenschonender produziert und länger genutzt werden. Nach einer Simulationsphase befindet sich der Prototyp aktuell im Aufbau und soll schließlich bei Porsche einen umfangreichen Prüfprozess durchlaufen, um den Weg in die Serienproduktion zu finden.
