Der Wechselrichter ist das Herzstück der Energieversorgung im E-Auto. Denn er wandelt den Gleichstrom aus den Batterien in Drehstrom um, den die Elektromotoren für den Antrieb benötigen. Doch unter der Motorhaube eines solchen Boliden ist in der Regel wenig Platz. Deshalb sind kleine, leichte Wechselrichter entscheidend für die Bauweise des Autos. Doch gleichzeitig müssen die Wechselrichter genügend Leistung bereitstellen, die vom Fahrzeug etwa beim Beschleunigen abgefordert wird.
Das klingt nach der Quadratur des Kreises. Doch die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) haben einen Wechselrichter für Elektroautos mit extrem hoher Leistungsdichte entwickelt. Denn das Gerät der Berliner Forscher der Gruppe Power Electronic Systems am Fraunhofer IZM verarbeitet 500 Kilowatt Leistung – das sind knapp 680 PS – bei nur einem Liter Volumen. Das ist nach Angaben der Forscher das Zweieinhalbfache der bisherigen Leistungsdichte von Wechselrichtern in E-Autos. Gleichzeitig erreicht es dank seiner niedrigen Induktivität einen Wirkungsgrad von 99 Prozent, wie das Institut mitteilt.
Drei Leistungsmodule mit Siliziumkarbid-Schaltern
Um ein solches Gerät zu entwickeln, haben die Forscher an vier Stellschrauben gleichzeitig gedreht. So setzen sie ein Leistungsmodul ein, das in dreifacher Ausführung zum Einsatz kommt, je eins pro Phase. Sie sind durch kleine Stoßdämpfer vom Zwischenkreiskondensator getrennt, um unerwünschte Schwingungen zu reduzieren. Zudem sitzen in jedem der drei Module zwölf Siliziumkarbid-Schalter, die für einen sauberen sinusförmigen Wechselstrom bei geringer Wärmeentwicklung sorgen. Sie sind platzsparend direkt in die Leiterplatte eingebettet. Dadurch konnten die Forscher sehr kompakte Module mit einer extrem kleinen elektromagnetischen Grundfläche herstellen.
Wärme clever abführen
Das wiederum senkt die Induktivität, wodurch eine höhere Schaltgeschwindigkeit möglich wird. Da dieses schnelle Schalten mit wenig Verlusten einhergeht, ist vergleichsweise wenig Kühlleistung erforderlich.
Die trotzdem noch entstehende Wärme muss dennoch abgeführt werden. Dazu haben die Entwickler unter den drei Modulen einen flachen, stranggepressten Aluminiumkühler montiert. Dieser ist leicht und einfach herzustellen. Der niedrigere Aufbau spart nicht nur viel Platz. Durch die größere Fläche kann die Wärme auch schneller zum Kühlmittel abgeführt werden. Dieses Kühlmittel fließt durch 40 dünne, leicht gewellte Stege, die im Inneren des Kühlers verlaufen. Dadurch vergrößert sich die Berührungsfläche zum Wärmeaustausch.
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Verbindungen mit dem Laser geschweißt
Außerdem nutzen die Forscher eine innovative Verbindungstechnik. „Die Kontaktpunkte der Stromschienen sind so geformt, dass wir sie per Laser direkt auf die Leiterplatte schweißen können“, erklärt Wiljam Vermeer vom Fraunhofer IZM. „Schraubverbindungen entfallen damit. Sie würden nicht nur mehr Raum beanspruchen, sondern auch die Induktivitäten erhöhen.“
Kondensatoren puffern Leistung
Zudem haben die Forscher speziell entwickelte Zwischenkreiskondensatoren genutzt und diese clever angeordnet. Diese puffern die Leistung der Module, um sie bei hoher Anforderung vom Motor abgeben zu können. So sind sechs Kondensatoren gemeinsam mit den Stromschienen so nebeneinander angeordnet, dass der Gleichstrom-Zwischenkreis trotz hoher Kapazität auf eine geringe Gesamtinduktivität kommt.
Die Nanotechnologie der Kondensatoren erlaubt zwar eine sehr hohe Leistungsdichte. Sie erhöht jedoch die thermischen Verluste, wodurch sich der Kühlbedarf erhöhen würde. Diese führen die Forscher über die Kupferanschlüsse der elektrischen Kontakte ab. „Wir haben sie so konzipiert, dass die elektrischen Verbindungen die schlechte Wärmeleitung ausgleichen und die Wärme sowohl horizontal als auch vertikal gleichmäßig verteilen“, beschreibt Wiljam Vermeer die Lösung. (su)
