Groter bereik voor elektrische auto’s

Als elektrische voertuigen grotere afstanden moeten afleggen, is het niet alleen een kwestie van hun accu’s optimaliseren. In plaats daarvan moet de hele aandrijflijn worden verbeterd. Een Fraunhofer-team ontwikkelt daarom elektronische regeleenheden, zogenaamde power inverters, die de energie tussen batterij en motor veel efficiënter omzetten dan nu het geval is.

Als het gaat om de actieradius van een elektrische auto, denken velen van ons automatisch aan de accu. Hoe meer energie een accu kan opslaan, hoe verder de auto kan rijden. De batterij is echter niet het allerbelangrijkste. In feite speelt ook de aandrijflijn een centrale rol. Experts van het Fraunhofer Instituut voor Betrouwbaarheid en Micro-integratie IZM in Berlijn bijvoorbeeld, gaan aan de slag met de omvormer. Dit apparaat zet de gelijkstroom van de accu om in de wisselstroom die de elektromotor aandrijft. Vanwege de centrale positie tussen accu en motor vloeien hoge elektrische stromen door de omvormer en zijn transistors. Om te voorkomen dat het apparaat opwarmt als een broodrooster, moet de warmte worden afgevoerd via koelelementen.

Bereik uitgebreid met maximaal zes procent

In het SiCeffizient-project maken experts van Fraunhofer IZM en zijn industriële partners nu transistors met behulp van bijzonder efficiënte halfgeleiders van siliciumcarbide (SiC), die minder vermogen dissiperen naarmate er elektrische stroom doorheen stroomt. Deze halfgeleiders zijn echter relatief duur. Het zou daarom logisch zijn om het minimum aantal transistors te hebben. Maar omdat ze allemaal meer vermogen zouden afvoeren en intenser zouden opwarmen, moeten ze bijzonder goed worden gekoeld. De koelelementen van de omvormers zijn nu volledig opnieuw ontworpen, waarbij het idee was om de halfgeleider koeler te houden met behoud van dezelfde dissipatiesnelheid.

Vooral wanneer het voertuig accelereert, remt en met hoge snelheden rijdt, gaat vermogen van de omvormer verloren doordat grote hoeveelheden stroom heen en weer lopen tussen motor, omvormer en accu. SiC-halfgeleiders verminderen deze verliezen. “We verwachten dat door het optimaliseren van de aandrijflijn op deze manier de actieradius van elektrische auto’s uiteindelijk met zes procent zal toenemen”, zegt Eugen Erhardt, verantwoordelijk voor het SiCeffizient-project bij IZM. Zes procent klinkt misschien niet veel. Maar in feite is het veel. Als het om accu’s van elektrische auto’s gaat, kan dit soort prestatieverbetering alleen worden bereikt door het aantal accu’s te vergroten of door aanzienlijke onderzoeksinspanningen.

Drukvaste koellichamen door 3D-printen

Omvormers voor elektrische auto’s worden gekoeld met water. De warmte die zich in de transistors opbouwt, wordt meestal afgevoerd via een vast koelelement. Deze heeft koelkanalen, ook wel vinnen genoemd, die in het water steken en de warmte afvoeren. Om deze handige SiC-transistors te koelen, hebben de experts door middel van 3D-printen een koelelement gemaakt met relatief dunne wanden. Dit element is zo gerangschikt dat de transistors op een metalen plaat van slechts enkele millimeters dik zitten. Hierdoor komen de transistors dichter naar het koelwater toe, en dit versterkt het koeleffect. Om te voorkomen dat de dunne metalen plaat onder belasting vervormt, worden de koelribben zo in de 3D-printer gemodelleerd dat ze de metalen platen ondersteunen, net als de kolommen in een koepel. Deze constructie is zo stabiel dat het koelelement zowel de druk van het koelwater kan weerstaan ​​als de krachten die optreden wanneer de transistoren op het koelelement worden gesinterd.

Vermogensmodules zijn altijd samengesteld uit verschillende materialen om de vereiste verschillende functies over te nemen. Dit is het probleem: bij verhitting zetten de ongelijke materialen zo verschillende snelheden uit dat er spanningen in de constructie optreden. Hierdoor kan de omvormer barsten en falen. Het nieuwe koelelement lost dit probleem ook op. Omdat de metalen platen extreem dun zijn gehouden, kunnen ze de optredende spanningen bij verhitting of afkoeling enigszins compenseren. Hierdoor is de gehele thermo-elektrische structuur zeer flexibel. Belangrijk is dat dit de dure SiC-halfgeleiders spaart en hun levensduur verlengt.

Koperdraad voorkomt scheuren

En er is nog iets dat de stress in de nieuwe omvormermodules vermindert. Ze zijn niet op de gebruikelijke manier verbonden met andere elektronische componenten door massieve, koperen geleiderbanen. In plaats daarvan is de structuur bestaande uit het koelelement en de SiC-transistors verbonden met de rest van het elektronische systeem door middel van soepele, fijne koperdraden.

De nieuwe omvormer wordt de komende maanden getest bij projectpartner Robert Bosch. Het bedrijf Porsche installeert het apparaat vervolgens in een nieuw ontworpen aandrijflijn, die precies is afgestemd op de SiC-structuur. “We hebben nog een lange weg te gaan voordat het apparaat klaar is om in productie te gaan”, zegt Eugen Erhardt. “In eerste instantie trekken we alles samen om een ​​prototype te maken. De afzonderlijke processtappen zullen dan verder geoptimaliseerd moeten worden.”