Verbesserte Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge der Zukunft
Das EU-finanzierte Projekt SCAPE(öffnet in neuem Fenster) verfolgt einen standardisierten, modularen und skalierbaren Ansatz für Stromrichter von Elektrofahrzeugen (EV). Die innovative Lösung wird dazu beitragen, die Kosten zu senken, die Leistung zu verbessern und fortschrittliche Funktionalitäten zu ermöglichen, und somit das Ziel der EU, den Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Laufe des nächsten Jahrzehnts schrittweise einzustellen, weiter zu fördern. SCAPE strebt hinsichtlich der Energieumwandlung einen Wirkungsgrad von 97,5 % an. Außerdem sollen die Leistungsdichte verdoppelt und die Kosten pro Kilowatt gegenüber den aktuellen Standards halbiert werden. Diese Fortschritte würden zu größeren Reichweiten, erschwinglicheren Elektrofahrzeugen und einer stärkeren europäischen Automobilindustrie führen.
Modular und skalierbar
Der neuartige Designansatz von SCAPE basiert auf einem modularen und skalierbaren System. Wie der leitende Forscher Alber Filba-Martinez vom Katalanischen Institut für Energieforschung in Spanien, welches das Projekt koordiniert, in seinem Artikel(öffnet in neuem Fenster) auf „Innovation News Network“ erklärt, ist der Eckpfeiler dieses Ansatzes eine sogenannte „Schaltzelle“. Dabei handelt sich um einen standardisierten und kompakten Basisbaustein, der fortschrittliche Leistungshalbleitertechnologie und Hilfsschaltungen integriert. „Mehrere Schaltzellen werden miteinander verbunden, um ‚Wandlersektionen‘ zu bilden, die sich dann zu kompletten Leistungswandlern zusammenfügen“, erklärt Filba-Martinez. Dieser modulare Ansatz ermöglicht eine flexible Skalierung und erlaubt so den Einsatz derselben Technologie für verschiedene Arten von Elektrofahrzeugen, die von kleinen Stadtautos bis hin zu schweren Nutzfahrzeugen reichen. Durch die Nutzung von Skaleneffekten und die deutliche Reduzierung der Konstruktionskomplexität könnte dieser Ansatz die Herstellungskosten erheblich senken. Das Projekt sieht außerdem vor, einen Traktionswechselrichter und ein Bordladegerät in einer einzigen Einheit zu kombinieren. Dies soll die Fahrzeugkonstruktion und -fertigung vereinfachen, die Antriebskapazität steigern, die Kosten senken und die Zuverlässigkeit durch Fehlertoleranz erhöhen. Die Innovation von SCAPE basiert zudem auf der Chip-Embedding-Technologie, bei der Leistungshalbleiterchips nicht wie üblich auf der Oberfläche der Leiterplatte montiert, sondern in die Leiterplatte eingebettet werden. Dieser Ansatz „reduziert die Streuinduktivität erheblich und verbessert das Wärmemanagement, wodurch die Effizienz und Leistungsdichte gesteigert werden“, merkt der Forscher an. SCAPE hat bereits eine erste Charge von in Chip-Embedding-Schaltzellen entwickelt. Experimentelle Validierungen bestätigen, dass die Technologie auch unter anspruchsvollen Bedingungen erfolgreich funktioniert. Die Ergebnisse zeigen eine Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen der Sperrschicht und dem Kühlkörper um 45 % sowie eine Reduzierung der Streuinduktivität im Leistungskreis um 85 % im Vergleich zu einer herkömmlichen Implementierung. „Durch die Chip-Embedding-Technologie verringert sich nicht nur die Größe des Wandlers, es werden auch die elektrische und thermische Leistung sowie die Zuverlässigkeit verbessert“, erklärt Filba-Martinez. Um den Gesamtzustand des Systems zu überwachen, hat SCAPE einen digitalen Zwilling des Antriebsstrangs entwickelt – eine exakte virtuelle Nachbildung des physischen Systems –, der parallel dazu betrieben wird. Das Überwachungssystem gibt vorausschauende Wartungswarnungen aus und verteilt die Lasten zwischen Schaltzellen, Wechselrichtersträngen und Batteriemodulen, um den Betrieb bis zur Durchführung der Wartung aufrechtzuerhalten. Es führt außerdem Online-Messungen zur internen Impedanz des Batteriemoduls durch, einem Parameter, der in direktem Zusammenhang mit dem Zustand der Batterie steht. Durch die Ermöglichung einer schnellen Anpassung der Technologie an verschiedene Fahrzeugklassen könnte das Projektdesign dazu beitragen, Skaleneffekte auf dem europäischen Markt zu erzielen und die Abhängigkeit der EU von importierten Komponenten und Fachkenntnissen zu minimieren. SCAPE (Switching-Cell-Array-based Power Electronics conversion for future electric vehicles) endet im Jahr 2026. Weitere Informationen: Website des SCAPE-Projekts(öffnet in neuem Fenster)