Bessere Motoren, Bessere Wechselrichter = Bessere Elektroautos

2023 Autor: Isabella Ferguson | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-11-26 12:43

So viel wir hier bei CleanTechnica über die EV-Revolution schreiben, Sie denken vielleicht, die EV-Revolution sei vorbei, aber sie fängt gerade erst an. Die ersten Autos waren grobe Geräte – laut, stinkend und zerbrechlich. Moderne Autos profitieren von mehr als 100 Jahren Entwicklung, die sie leiser, effizienter und zuverlässiger gemacht hat. Der Entwicklungsprozess für Elektroautos und -Lkw steht erst am Anfang und wird zu einer ausgefeilteren Technologie führen, die diese Fahrzeuge effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger macht. Hier sind Neuigkeiten über zwei Entwicklungen, die Sie beachten sollten.

Verbesserter Wechselrichter von Fraunhofer

Fraunhofer-Wechselrichter. Bildnachweis: Fraunhofer

Strom gibt es in zwei Varianten – Gleichstrom und Wechselstrom. Batterien sind Gleichstromgeräte, aber der Strom zum Aufladen ist Wechselstrom. Die meisten Elektromotoren für Pkw und Lkw werden auch mit Wechselstrom betrieben. Damit Elektroautos funktionieren, muss etwas die eine Stromform in die andere und wieder zurück umwandeln. Dieses Etwas nennt man Wechselrichter.

Obwohl Wechselrichter für den Prozess unerlässlich sind, haben sie auch einen erheblichen Nachteil. Sie sind nicht 100% effizient, was bedeutet, dass bei jedem Umwandlungsprozess ein Teil des Stroms, der durch das Gerät fließt, verloren geht, normalerweise als Wärme. Diese Verluste können sich im Laufe der Zeit summieren, was zu einer kürzeren Reichweite führt. So wie Maschinenbauer herausgefunden haben, wie man Benzin- und Dieselmotoren effizienter machen kann, arbeiten Elektroingenieure hart daran, Stromrichter effizienter zu machen.

Die Mitarbeiter der Abteilung Zuverlässigkeit und Mikrointegration des Fraunhofer-Instituts gaben kürzlich eine Verbesserung des Wechselrichterdesigns bekannt, die zu einer Reichweitenerhöhung von 6 % für Elektrofahrzeuge führen könnte. Das Geheimnis besteht darin, Silizium-Karabiner-Halbleiter zu verwenden, die effizienter arbeiten. Das wiederum führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung und mehr Strom, der zum Antrieb von Elektromotoren zur Verfügung steht. SiC-Halbleiter sind jedoch relativ teuer, weshalb der Wechselrichter möglichst wenig haben sollte. Das Kühlen dieser Halbleiter wird daher kritisch. Frauhofer hat die SiC-Wechselrichter neu entwickelt, um den Kühlmittelfluss zu maximieren.

Laut Fraunhofer fließen beim Beschleunigen, Bremsen oder bei hohen Geschwindigkeiten große Strommengen zwischen Batterie, Motor und Wechselrichter hin und her. Gerade unter solchen Bedingungen treten die meisten Leistungsverluste auf. „Wir erwarten, dass durch diese Optimierung des Antriebsstrangs die Reichweite von Elektroautos letztendlich um bis zu sechs Prozent erhöht wird“, sagt Eugen Erhardt von Fraunhofer. 6% mögen manchen trivial erscheinen, aber es ist tatsächlich eine große Sache. Bei Elektroautos ist eine solche Leistungssteigerung nur durch eine kostensteigernde Vergrößerung der Batterie oder durch einen erheblichen und zudem teuren Forschungs- und Entwicklungsaufwand zu erreichen.

Die Fraunhofer-Ingenieure mussten eine möglichst dünne Montageplatte für die SiC-Halbleiter herstellen, damit die kritischen Bauelemente nahe am umgebenden Kühlmittel sind. Aber dünne Montageplatten neigen bei starker Belastung dazu, sich zu verformen. Um dieses Problem zu lösen, verwenden die Ingenieure 3D-Drucktechniken, um Kühlrippen zu erstellen, die die Platte wie die Säulen unterstützen, die eine Kuppel tragen.

Verschiedene Materialien dehnen sich beim Erhitzen unterschiedlich schnell aus. Wenn sich ein Wechselrichter während des Betriebs erwärmt, können diese unterschiedlichen Ausdehnungsraten zu Rissen in der Struktur des Wechselrichters führen. Auch dieses Problem löst das neue 3D-gedruckte Kühlelement. Da die metallischen Montageplatten extrem dünn sind, können sie die beim Erhitzen oder Abkühlen auftretenden Spannungen durch leichte Verformung ausgleichen. Diese Flexibilität schont die teuren SiC-Halbleiter und verlängert deren Lebensdauer.

Aber Fruanhofer ist nicht fertig mit der Verbesserung von Wechselrichtern. Anstatt sie wie üblich über massive Kupferleiterbahnen mit den übrigen Komponenten des Antriebsstrangs zu verbinden, verbindet sie sie über flexible, feindrähtige Kupferlitzen mit der restlichen Elektronik.

„Bis das Gerät serienreif ist, haben wir noch einen langen Weg vor uns“, sagt Eugen Erhardt. „Zunächst ziehen wir alles zusammen, um einen Prototypen zu erstellen. Die einzelnen Prozessschritte müssen dann weiter optimiert werden.“Diese Prototypen werden von Bosch in den nächsten Monaten getestet, bevor sie in Porsche-Elektroautos eingebaut werden, deren Antriebsstränge genau auf die mit Siliziumkarbid ausgestatteten Wechselrichter abgestimmt sind.

Kompakter Hochleistungs-Elektromotor von EVR

Das israelische Startup EVR Motors hat nach eigenen Angaben ein neues Elektromotordesign entwickelt, das halb so groß wie ein herkömmlicher Radialflussmotor ist und dabei 10 % weniger wiegt. „Es ist uns gelungen, das in den letzten Jahrzehnten weitgehend gleich gebliebene Grunddesign des Elektromotors zu verbessern und gleichzeitig die traditionellen Vorteile von Radialflussmotoren beizubehalten“, sagt Opher Doron, CEO von EVR.

Das Unternehmen nennt seinen neuen Motor TSRF, was für Trapezoidal Stator Radial Flux steht – eine permanenterregte Maschine mit 3D-Trapezzähnen und -Wicklungen. Der TSRF „erzeugt einen erhöhten magnetischen Fluss und reduziert den Streufluss“und soll noch in diesem Jahr mit der Serienproduktion beginnen. Der neue Kompaktmotor mit verbesserter Kühlung hat mehr Leistung und soll von geringeren Produktionskosten profitieren. Es kann mit Spannungen von 48 bis 800 arbeiten, kann entweder flüssig oder atmosphärisch gekühlt werden und kann an verschiedene Arten und Größen von Magneten angepasst werden.

EVR ist in Gesprächen mit einer Reihe von Herstellern und Zulieferern. Ein luftgekühlter Prototyp für den Einsatz in 2- und 3-rädrigen Fahrzeugen wiegt nur 9 Kilogramm und hat 17 kW Leistung bei 40 Newtonmeter Drehmoment. Weitere Prototypen mit Flüssigkeitskühlung, anderen Spannungen und Ferritmagneten anstelle von Neodym werden in den kommenden Monaten getestet.

EVR behauptet, dass seine neue Motorarchitektur an „die meisten Mobilitäts- und Industrieanwendungen“angepasst werden kann. Sie arbeitet daran, größere Prototypen für Pkw und Nutzfahrzeuge zu entwickeln und schnellstmöglich in die Hände von Herstellern und OEMs zu bringen.

Kleine Schritte

Effizientere Stromrichter und kleinere Motoren – die EV-Revolution wird von solchen winzigen Verbesserungen abhängen. Ob Batterien oder andere Komponenten des Antriebsstrangs von Elektroautos: Was heute modern ist, ist morgen überholt. Die Herausforderungen werden die Ingenieure nachts wach halten, aber die Fahrer werden die Nutznießer sein, wenn die Autos immer besser werden. Wir können es kaum erwarten!