{"id":106487,"date":"2025-04-16T02:07:00","date_gmt":"2025-04-16T00:07:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=106487"},"modified":"2025-04-15T11:13:10","modified_gmt":"2025-04-15T09:13:10","slug":"600-kilowatt-dieser-wechselrichter-bleibt-cool","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/600-kilowatt-dieser-wechselrichter-bleibt-cool\/","title":{"rendered":"600 Kilowatt? Dieser Wechselrichter bleibt cool!"},"content":{"rendered":"\n
Wechselrichter sind die Manager im Antriebsstrang moderner Elektroautos. Sie bereiten die elektrische Energie der Batterie f\u00fcr den Motor auf. <\/p>\n\n\n\n
Am Fraunhofer IZM wurde diese zentrale Komponente nun neu definiert: Auf Basis j\u00fcngster Entwicklungen in der Leistungselektronik entstand unter dem Namen \u201eDauerpower\u201c ein Wechselrichter, der hohe Energiemengen bei geringer Induktivit\u00e4t auf kleinstem Raum verarbeitet \u2013 mit einer gemessenen Spitzen-Effizienz von 98,7%. Let\u2019s roll!<\/p>\n\n\n\n
Um die Energie aus der Batterie auf die Stra\u00dfe zu bringen, brauchen die Motoren heutiger Elektroautos einen Wechselrichter. Er ist sozusagen das Umspannwerk im Auto. Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in das, was aktuelle Motoren antreibt: in Dreiphasenwechselstrom, landl\u00e4ufig auch als Drehstrom bekannt. Je h\u00f6her die Leistung im Antriebsstrang, desto gr\u00f6\u00dfer der Stromfluss. Damit w\u00e4chst die Wahrscheinlichkeit von W\u00e4rmeverlusten. Minimiert wird dieser st\u00f6rende Nebeneffekt durch einen neuartigen Wandler, den das Fraunhofer IZM nun in Zusammenarbeit mit Porsche und Bosch entwickelt hat: der Dauerpower-Wechselrichter.<\/p>\n\n\n\n
Der Name ist Programm, denn auch \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume stellt der Dauerpower-Wechselrichter knapp 600 Kilowatt Leistung bereit, was etwa 815 PS entspricht. Zum Vergleich: Das ist nicht nur gut anderthalbmal so viel, wie derzeit in einem 40-Tonnen-LKW \u00fcblich, es setzt vor allem neue Ma\u00dfst\u00e4be im Segment der elektrisch angetriebenen Sportwagen. F\u00fcr kurzfristige Leistungsspitzen erreicht der Wechselrichter sogar Werte von 720 Kilowatt oder 979 PS. Um solche Energiemengen verarbeiten zu k\u00f6nnen, wurde bei der Entwicklung des Dauerpower-Moduls auf modernste Halbleitertechnik mit Siliziumkarbid-Transistoren (SiC) gesetzt und ein innovatives K\u00fchlsystem entwickelt.<\/p>\n\n\n\n
Hohe Effizienz und niedrige Induktivit\u00e4t dank Leiterplattenembedding<\/h4>\n\n\n\n
Die Basis f\u00fcr die herausragende Leistungsf\u00e4higkeit des Dauerpower-Wechselrichters bildet der Einsatz von Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC). Ein gro\u00dfes Plus liegt in der geringeren Modulinduktivit\u00e4t von 1,1 Nanohenry\u2013 unter Modulen mit \u00e4hnlicher Stromleitf\u00e4higkeit ist das absolute Spitzenklasse. Dominik Seidenst\u00fccker, der federf\u00fchrend an dieser Entwicklung beteiligt war, erl\u00e4utert weitere Vorteile: \u201eIm Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Siliziumtransistoren zeichnen sich Siliziumkarbid-Halbleiter durch eine wesentlich h\u00f6here Temperaturbest\u00e4ndigkeit, geringere Halbleiterkapazit\u00e4ten und einen reduzierten Durchlasswiderstand bei gleicher Halbleiterfl\u00e4che aus. Daher bieten sie das Potenzial, Schalt- und Leitverluste erheblich zu reduzieren.\u201c <\/p>\n\n\n\n
Um das System besonders kompakt zu gestalten, wurden zudem DC-Link-Kondensatoren mit PolyCharge NanoLam-Technologie verwendet. Im Vergleich zu den \u00fcblichen Polypropylen-Kondensatoren bieten sie mehr als die doppelte Leistungsdichte. Durch ein spezielles Leiterplattenverfahren, bei dem die Halbleitermodule eingebettet werden, wird die Systemeffizienz weiter gesteigert. Dazu Dominik Seidenst\u00fccker: \u201eDas Leiterplattenembedding erm\u00f6glicht uns, den Abstand zwischen den Hin- und R\u00fcckleitern zu verringern und so die Streuinduktivit\u00e4t zu reduzieren. Die geringere Streuinduktivit\u00e4t des Moduls f\u00fchrt dazu, dass wir schneller schalten k\u00f6nnen. Dies wiederum reduziert die Verluste im Halbleiter abermals.\u201c Au\u00dferdem erlaubt diese Technologie eine kosteng\u00fcnstige Massenproduktion. Das hochmoderne, auf SiC-Technologie basierende Design h\u00e4lt die W\u00e4rmeentwicklung in den 12 verbauten Halbleitermodulen auf niedrigem Niveau. Leitet der Dauerpower-Wechselrichter bei Bedarf besonders gro\u00dfe Energiemengen zum Antriebsaggregat, sorgt ein raffiniertes K\u00fchlsystem f\u00fcr viel Spielraum.<\/p>\n\n\n\n
Hochmodernes K\u00fchlsystem aus dem 3D-Drucker<\/h4>\n\n\n\n
Damit die Leistungselektronik auch unter Volllastbedingungen zuverl\u00e4ssig arbeiten kann, wurde ein K\u00fchlsystem entwickelt, das im Wesentlichen auf zwei Teilen basiert: Zum einen wurde ein 3D-gedrucktes Kupferk\u00fchlelement entwickelt. \u201eWir haben uns f\u00fcr Kupfer entschieden, da Kupfer eine bessere thermische Leitf\u00e4higkeit hat als Aluminium und dadurch die W\u00e4rme besser spreizen kann,\u201c so Seidenst\u00fccker. Das Element ist optimal an die thermischen Anforderungen der Bauteile angepasst und sorgt f\u00fcr eine gleichm\u00e4\u00dfige W\u00e4rmeabfuhr. Durch den Einsatz von Silbersinterverbindungen werden die temperaturkritischen Komponenten direkt an das K\u00fchlsystem angeschlossen, wodurch eine bestm\u00f6gliche thermische Integration erreicht wird.<\/p>\n\n\n\n
Weitergeleitet wird die W\u00e4rme an eine Wasserk\u00fchlung, die zweite Komponente des K\u00fchlsystems. Sie wird im Aluminium-3D-Druck-Verfahren hergestellt und f\u00fchrt das K\u00fchlwasser durch eine parallele K\u00fchlstruktur, die den Druck im System optimal verteilt. Der Druckabfall ist mit nur 150 Millibar bei 10 Litern K\u00fchlmittel pro Minute extrem gering \u2013 ein klarer Beweis f\u00fcr die hohe Effizienz der K\u00fchltechnik. Selbst nach 15 Minuten Dauerlastbetrieb betr\u00e4gt die Temperaturdifferenz zwischen Geh\u00e4use und K\u00fchlmedium weniger als 20 Kelvin. Am gek\u00fchlten Phasenausgang konnte eine maximale Temperaturerh\u00f6hung von nur 41 Kelvin gemessen werden. Dank dieser fortschrittlichen K\u00fchltechnologie bleibt der Wechselrichter auch bei hoher Beanspruchung im Bereich optimaler Betriebstemperaturen. Salopp gesagt: Im Dauerpower bleibt selbst das K\u00fchlsystem cool.<\/p>\n\n\n\n
Maximale Leistungsdichte<\/h4>\n\n\n\n
Die einzelnen Baugruppen des Dauerpower-Wechselrichters sind also bestens aufeinander abgestimmt. Orchestriert wird ihr Zusammenspiel durch eine Software, die ebenfalls vom Fraunhofer IZM f\u00fcr das Projekt entwickelt wurde.
Nicht zuletzt erm\u00f6glicht das smarte Design des Moduls ein Kraftpaket, das neue Ma\u00dfst\u00e4be in Sachen Leistungsdichte setzt: Mit 200 kVA pro Liter leistet der Wechselrichter das Zwei- bis Vierfache dessen, was in g\u00e4ngigen Elektroautos \u00fcblich ist. Das heutige Spitzensegment \u00fcbertrifft er um ein Drittel.
Hochleistungs-Elektrofahrzeuge k\u00f6nnen k\u00fcnftig also von deutlich kleineren Umrichtern mit mehr Leistung ins Rennen geschickt werden. Zudem bietet der Dauerpower-Wechselrichter eine hohe Modularit\u00e4t: Einzelne Komponenten k\u00f6nnen leichter ausgetauscht oder gewartet werden. Das spart Ressourcen und erm\u00f6glicht eine wesentlich l\u00e4ngere Nutzungsdauer der Fahrzeuge.<\/p>\n\n\n\n
Die Kombination aus modernster Halbleitertechnik, optimierter K\u00fchlung und hoher Leistungsf\u00e4higkeit macht den Wechselrichter zu einem Schl\u00fcsselbaustein f\u00fcr die n\u00e4chste Generation elektrischer Antriebe. Das Projekt tr\u00e4gt ma\u00dfgeblich zur Weiterentwicklung der Elektromobilit\u00e4t bei und legt die Messlatte in Sachen Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit ein deutliches St\u00fcck h\u00f6her.<\/p>\n\n\n