Die Elektrifizierung schwerer Nutzfahrzeuge erreichen
Europa setzt auf umweltfreundliche Verkehrsmittel wie Elektrofahrzeuge, um schädliche Emissionen zu reduzieren und die Umwelt zu schützen. Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge gestaltet sich jedoch nicht immer ganz einfach. Schwere Nutzfahrzeuge sind beispielsweise für fast 40 % aller straßenverkehrsbedingten CO2-Emissionen in Europa verantwortlich. Während bei der Elektrifizierung von Pkw erhebliche Fortschritte erzielt wurden, stehen der Umstellung des Sektors für schwere Nutzfahrzeuge nach wie vor erhebliche technologische Hindernisse im Weg. „Leistungselektronische Wandler sind die entscheidende Schnittstelle für die Steuerung des Energieflusses von der Batterie zum Elektromotor“, erklärt RHODaS(öffnet in neuem Fenster) –Projektmitglied David Lumbreras von der UPC(öffnet in neuem Fenster) in Spanien. „Früher waren diese Systeme auf siliziumbasierte Halbleiter angewiesen. Innovative Halbleiter mit breiter Bandlücke ermöglichen jedoch den Betrieb bei hohen Schaltfrequenzen von über 100 kHz und weisen gleichzeitig deutlich geringere Verluste auf als ihre Silizium-Pendants. Diese Eigenschaften gewährleisten den Bau von Wandlern mit hoher Leistungsdichte, die ideal für die hohen Leistungsanforderungen von Fernverkehrs-Lkw sind.“
Stromleistung für Schwerlast- und Fernverkehrsanwendungen
Das EU-finanzierte Projekt RHODaS zielte darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung von Stromwandlerkomponenten aus neuen Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid zu bewältigen. Die zentrale Innovation ist ein integrierter Motorantrieb, der speziell für den Einsatz im Schwerlast- und Fernverkehr konzipiert wurde. „Diese Lösung integriert Leistungselektronik, Wärmemanagement und digitale Steuerungstechnologien direkt in ein kompaktes, modulares Motorgehäuse“, ergänzt Lumbreras. „Durch die Kombination von Siliziumkarbid für eine hohe Spannungsfestigkeit und Galliumnitrid für die Hochfrequenzschaltung konnten wir einen höheren Wirkungsgrad, ein geringeres Systemvolumen und eine Verringerung der elektromagnetischen Störungen erreichen.“ Darüber hinaus verbessert die modulare Wandlerarchitektur die Reparaturfähigkeit und Fehlertoleranz, während gleichzeitig die Skalierbarkeit der Stromleistung gewährleistet ist, so dass dasselbe grundlegende Design an verschiedene Leistungsanforderungen angepasst werden kann. Dies könnte das Tor zu einer Reihe zukünftiger kommerzieller Möglichkeiten öffnen.
Von der Charakterisierung auf Materialebene zur Validierung
Die vorgeschlagenen Innovationen wurden in drei Phasen validiert. Zunächst wurden die Bauelemente und Treiber auf Materialebene charakterisiert, um die Belastungs- und Funktionsintegrität und ektromagnetische Störfestigkeit zu bewerten. Darauf folgte die Erprobung eines Wandlers im Labormaßstab. In der letzten Phase wurde ein integrierter großmaßstäblicher Motorantrieb mit einem Getriebe gekoppelt und in einer Prüfstandumgebung validiert. „Wir haben unsere technischen Meilensteine erfolgreich erreicht“, sagt Lumbreras. „Die beobachtete Instabilität früher Galliumnitrid-Transistoren aus der Vorserie, die eine umfassende Umgestaltung der Hardware erforderte, um Stabilität zu gewährleisten, stellte eine wichtige technische Erkenntnis dar.“
Innovationen für den europäischen Mobilitätssektor
Insgesamt hat das Projekt die Entwicklung von Hochleistungsstromwandlern für schwere Nutzfahrzeuge mit Elektroantrieb erfolgreich vorangebracht. Die weiteren Schritte umfassen die Skalierung und Anpassung des modularen integrierten Motorantriebs für eine breitere Palette von Fahrzeugklassen und die Integration von RHODaS-Lösungen in die Technologiefahrpläne von Partnerunternehmen aus der Industrie wie Valeo Siemens. Das Konsortium wird überdies kreislauforientierte Geschäftsmodelle wie „Produkt-as-a-Service“ oder Leasing und digitale Fahrzeugpässe (DVPs) weiter verfeinern, um die Instandhaltung auf Komponentenebene und die Second-Life-Verwendung zu erleichtern. DVPs sind sichere, cloudbasierte digitale Aufzeichnungen, die den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs erfassen. „Wir hoffen, dass das Projekt eine nachhaltige Wirkung entfalten wird, indem es einen direkten Beitrag zu den EU-Zielen des grünen Deals und zur Verbesserung der Luftqualität leistet“, merkt Lumbreras an. „Der Aufbau einer soliden europäischen Lieferkette für Leistungselektronik wird ebenfalls dabei behilflich sein, unsere Abhängigkeit von Herstellern aus Nicht-EU-Ländern zu verringern.“ Darüber hinaus förderte RHODaS erfolgreich Innovationsnetzwerke(öffnet in neuem Fenster) zwischen der Wissenschaft und dem Industriesektor. Diese werden dazu beitragen, auf den Projektergebnissen aufzubauen und den europäischen Mobilitätssektor kontinuierlich mit modernsten Technologien und Innovationen zu versorgen.
