Wechselrichter bleibt auch bei 600 Kilowatt kühl

Wechselrichter sind wichtige Regler im Antriebsstrang von E-Autos, da sie die elektrische Energie des Akkus für den Motor regulieren. Das Fraunhofer IZM hat nun den Wechselrichter unter dem Namen „Dauerpower“ neu entwickelt. Dieser besitzt eine hohe Energiemenge bei geringer Induktivität auf kleinstem Raum – und das bei einer Spitzeneffizient von 98,7 Prozent. Am 6. bis 8. Mai wird der Dauerpower-Wechselrichter am Stand des Fraunhofer IZM in Halle 5 am Stand 300 auf der PCIM Europe der Öffentlichkeit vorgestellt.

Gleichstrom wird in Drehstrom umgewandelt

Der Wechselrichter dient dazu, den Gleichstrom aus der Batterie in Dreiphasenwechselstrom (auch: Drehstrom) umzuwandeln. Dabei gilt: Je höher die Leistung im Antriebsstrang, desto größer der Stromfluss. Somit steigt die Wahrscheinlichkeit von Wärmeverlusten. Jedoch kann man diesen Nebeneffekt durch einen neuartigen Wandler reduzieren. Diesen Wandler entwickelte nun das Fraunhofer IZM zusammen mit Porsche und Bosch.

Der Dowerpower-Wechselrichter kann über lange Zeit 600 Kilowatt Leistung bereitstellen, was wiederum 1,5-mal so viel ist wie aktuell in einem 40-Tonnen-LKW üblich ist. Demgegenüber erreicht der Wechselrichter Werte von 720 Kilowatt oder 979 PS. Damit der neuartige Wechsler diese Energiemengen verarbeiten kann, basiert das Modul auf modernster Haltleitertechnik mit Siliziumkarbid-Transistoren (SiC). Zudem hat der Wechselrichter ein innovatives Kühlsystem.

Hohe Effizienz und niedrige Induktivität

Die Grundlage für diese Leistungsfähigkeit bieten Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC), deren Vorteil in der geringeren Modulinduktivität von 1,1 Nanohenry liegt. Dominik Seidenstücker erklärt zudem:

„Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumtransistoren zeichnen sich Siliziumkarbid-Halbleiter durch eine wesentlich höhere Temperaturbeständigkeit, geringere Halbleiterkapazitäten und einen reduzierten Durchlasswiderstand bei gleicher Halbleiterfläche aus. Daher bieten sie das Potenzial, Schalt- und Leitverluste erheblich zu reduzieren.“

Besonders kompaktes System

Das Forscherteam entwickelte das System besonders kompakt, indem sie DC-Link-Kondensatoren mit PolyCharge NanoLam-Technologie verwendeten. Anders als übliche Polypropylen-Kondensatoren bieten sie mehr als die doppelte Leistungsdichte. Durch ein spezielles Leiterplattenverfahren, bei dem die Halbleitermodule integriert ist, wird die Systemeffizienz erhöht. Dominik Seidenstücker betont zudem:

„Das Leiterplattenembedding ermöglicht uns, den Abstand zwischen den Hin- und Rückleitern zu verringern und so die Streuinduktivität zu reduzieren. Die geringere Streuinduktivität des Moduls führt dazu, dass wir schneller schalten können. Dies wiederum reduziert die Verluste im Halbleiter abermals.“

Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie eine wirtschaftliche Fertigung in großen Stückzahlen. Das fortschrittliche Design, das auf der SiC-Technologie basiert, minimiert die Wärmeentwicklung in den zwölf integrierten Halbleitermodulen. Sollte der Dauerpower-Wechselrichter temporär sehr hohe Energiemengen an den Antrieb liefern müssen, gewährleistet ein ausgeklügeltes Kühlsystem einen beträchtlichen Puffer.

Spezielles Kühlsystem für Wechselrichter

Das neuartige Kühlsystem sorgt dafür, dass die Leistungselektronik zuverlässig arbeitet und auch bei 600 kW gekühlt ist. Dieses System besteht aus zwei Teilen: Ein 3D-gedrucktes Kupferkühlelement und eine Wasserkühlung. Seidenstücker erklärt:

„Wir haben uns für Kupfer entschieden, da Kupfer eine bessere thermische Leitfähigkeit hat als Aluminium und dadurch die Wärme besser spreizen kann“.

Dieses Element ist ideal an die thermischen Anforderungen der Bauteile angepasst und gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeabfuhr. Die Wärme wird weitergeleitet an eine Wasserkühlung, welche die zweite Komponente des Kühlsystems bildet. Sogar nach 15 Minuten Dauerlastbetrieb beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmedium weniger als 20 Kelvin. Dadurch bleibt der Wechselrichter auch bei hoher Belastung immer kühl.

Smartes Design für mehr Power

Das smarte Design des Moduls ermöglicht eine Leistungsdichte von 200 kVA/Liter, was zwei- bis viermal mehr als in üblichen Elektroautos ist. Dadurch sind kleinere, leistungsstärkere Umrichter für E-Autos realisierbar. Die hohe Modularität erleichtert zudem die Wartung und verlängert die Nutzungsdauer. Mit modernster Technik und Kühlung ist der innovative Wechselrichter demnach ein Schlüsselfaktor für die nächste E-Auto-Generation und setzt neue Maßstäbe in Leistung, Effizienz sowie Nachhaltigkeit.

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