Cooler Wechselrichter für mehr Reichweite im E-Porsche

Experten vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin etwa haben sich jetzt den Wechselrichter vorgenommen. Er wandelt den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom um, mit dem der Elektromotor angetrieben wird.

Im Projekt „SiCeffizient“ setzen Experten vom IZM für die Leistungstransistoren im Umrichter besonders effizient arbeitende Halbleiter aus Silizium-Carbid (SiC) ein, die beim Durchfließen deutlich weniger Verluste generieren. „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 SiC-Effizient zuständig ist.

Diese Halbleiter sind aber recht teuer. Daher ist es sinnvoll, möglichst wenige Transistoren einzusetzen. Da diese dann aber pro Stück mehr Verlustleistung erzeugen und sich stärker erhitzen würden, müssen sie besonders gut gekühlt werden. Dazu wurden jetzt auch die Kühlelemente der Wechselrichter völlig neu gestaltet.

Wechselrichter für Elektroautos werden mit Wasser gekühlt. Die Wärme, die in den Transistoren entsteht, wird für gewöhnlich zunächst über einen massiven Kühlkörper abgeleitet. Dieser besitzt Kühlstäbe, sogenannte Finnen, die ins Wasser ragen und die Wärme abgeben. Für die Kühlung der wertvollen SiC-Transistoren haben die Experten einen Kühlkörper mit vergleichsweise dünnen Wänden per 3D-Druck erzeugt. Dieser ist so gestaltet, dass die Transistoren auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte sitzen. Damit rücken die Transistoren dichter an das Kühlmedium Wasser heran, was die Kühlwirkung verstärkt.

Damit sich die dünne Metallplatte bei Belastung nicht verbiegt, werden die Kühl-Finnen im 3D-Druck so gestaltet, dass sie die Metallplatte wie die Säulen in einem Dom stützen. Dieser Aufbau ist so stabil, dass der Kühlkörper sowohl dem Druck des Kühlwassers als auch den Kräften widersteht, die beim Aufsintern der Transistoren auf den Kühlkörper auftreten.

Leistungsmodule werden stets aus verschiedenen Werkstoffen zusammengebaut. Das Problem: Die verschiedenen Werkstoffe dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus, sodass es in dem Aufbau zu Spannungen kommt. Das kann zur Materialermüdung und in der Folge zum Ausfall des Wechselrichters führen. Auch dieses Problem löst der neue Kühlkörper. Da die Metallplatten recht dünn gehalten sind, können sie Spannungen bei der Erwärmung oder beim Abkühlen durch leichte Verformung ausgleichen. 

Und noch etwas verringert die mechanische Spannung in den neuen Wechselrichter-Modulen. Sie werden nicht wie üblich über feste Leiterbahnen aus Kupfer mit anderen elektronischen Komponenten verbunden. Stattdessen wird der Aufbau aus Kühlkörper und SiC-Transistoren mit Kupferlitzen – flexiblen, feinen Kupferdrähten – mit der übrigen Elektronik verknüpft.

In den kommenden Monaten wird der neue Wechselrichter beim Projektpartner Robert Bosch getestet. Die Firma 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 werden alle Komponenten zu einem Prototypen zusammengeführt.