Projekt „Dauerpower“ Neuartiger Wechselrichter stellt 600 kW Dauerleistung bei geringer Induktivität bereit

In einem partnerschaftlichen Projekt des Fraunhofer-Instituts IZM, Porsche und Bosch wurde der Dauerpower-Wechselrichter entworfen, der dank der Leistungsfähigkeit von SiC-Transistoren und 3D-Druck 600 kW Dauerleistung bereitstellt und dabei thermisch stabil bleibt. Ein Technologiesprung für die Elektromobilität?

Elektrische Fahrzeuge wären ohne das Rückgrat eines jeglichen E-Antriebs wahrscheinlich ziemlich unbeweglich: den Wechselrichter. Er wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in Drehstrom (auch Dreiphasenwechselstrom) um, damit die Elektromotoren angetrieben werden. Je leistungsfähiger der Motor ist, desto mehr Strom muss umgewandelt werden – und desto stärker fallen Faktoren wie Verluste, Hitzeentwicklung und Formfaktor ins Gewicht. Entsprechend ist die Effizienz, mit der ein Wechselrichter arbeitet, für die Leistung des Antriebs entscheidend.

Je geringer der Umwandlungsverlust, desto höher ist die Reichweite des Fahrzeugs. Auf die Fahrdynamik eines Vehikels, und damit auf das gesamte Fahrgefühl, nimmt die schnelle Stromverfügbarkeit durch den Wechselrichter Einfluss. Tendenziell sind E-Fahrzeuge ziemlich schwer, weswegen es wichtig ist, am Systemgewicht zu arbeiten. Kurzgefasst: Elektromobilität ist noch lange nicht „fertig entwickelt“. Das zeigt sich etwa an der Dauerpower-Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Zusammenarbeit mit Bosch und Porsche.

Dauerpower für neue Maßstäbe

Aus der Partnerschaft ist der Dauerpower-Wechselrichter entstanden, der eine Dauerleistung von 600 kW (entspricht etwa 815 PS) und eine Leistungsspitze von 720 kW (entspricht etwa 979 PS) erreichen kann. Diese Dauerleistung „ist nicht nur gut anderthalbmal so viel, wie derzeit in einem 40-Tonnen-LKW üblich, es setzt vor allem neue Maßstäbe im Segment der elektrisch angetriebenen Sportwagen“, erklärt das IZM. Um das zu ermöglichen, wurde auf Siliziumkarbid-(SiC)-Halbleitertechnik gesetzt und ein neues Kühlsystem entworfen.

Die Leistungsfähigkeit des Dauerpower-Wechselrichters basiert auf dem Einsatz von Siliziumkarbid-Transistoren (SiC), die im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumbauelementen höhere Temperaturen, geringere Verluste und kompaktere Bauformen ermöglichen. Durch das Einbetten der Halbleitermodule direkt in die Leiterplatte konnte die Streuinduktivität auf 1,1 Nanohenry gesenkt werden, was effizienteres Schalten und geringere Wärmeverluste begünstigt. Ergänzend kommen DC-Link-Kondensatoren mit erhöhter Leistungsdichte zum Einsatz. Die gewählte Bauweise unterstützt zudem eine kompakte Auslegung des Systems und erleichtert die Serienfertigung.

Innovation aus dem 3D-Druck

Das Kühlsystem des Dauerpower-Wechselrichters besteht aus zwei zentralen Komponenten: einem 3D-gedruckten Kupferkühlelement und einer ergänzenden Wasserkühlung aus Aluminium. Aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit wurde Kupfer eingesetzt. Temperaturkritische Bauteile sind über Silbersinterverbindungen direkt an das Kühlsystem angebunden.

Die Wasserkühlung mit parallel geführtem Kühlmittelfluss sorgt für eine gleichmäßige Druckverteilung und einen geringen Druckabfall von nur 150 Millibar bei 10 Litern pro Minute. Auch unter Dauerlast bleibt die Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmedium unter 20 Kelvin. Die maximale Temperaturerhöhung am Phasenausgang liegt bei 41 Kelvin – ein Indikator für die hohe thermische Effizienz des Systems.

Die Komponenten des Dauerpower-Wechselrichters sind funktional aufeinander abgestimmt und werden von einer eigens entwickelten Steuerungssoftware koordiniert. Durch das kompakte und modulare Design erreicht das System eine Leistungsdichte von 200 kVA pro Liter, was dem Zwei- bis Vierfachen aktueller Serienlösungen entspricht. Die modulare Bauweise erleichtert die Wartung und den Austausch einzelner Komponenten, was die Lebensdauer verlängert und Ressourcen schont. In der Kombination aus effizienter Halbleitertechnik, durchdachter Kühlung und hoher Leistungsfähigkeit versprechen sich die Partner vom Dauerpower-Wechselrichter eine tragende Rolle als technologischer Baustein für künftige elektrische Antriebssysteme. (sb)

(ID:50438303)