Den Elektrofahrzeugmarkt ankurbeln
Die auf SiC basierende Leistungselektronik von Coherent die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen, die Ladezeiten verkürzen und die Kosten senken, wodurch der Markt neue Impulse erhält.
27. Juni 2024 von Coherent
Die wichtigsten Komponenten eines Elektroantriebs.
Der Absatz von Elektrofahrzeugen (EV) ist ins Stocken geraten, was in erster Linie auf die Zurückhaltung der Verbraucher zurückzuführen ist, die durch lange Ladezeiten und höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu herkömmlichen benzinbetriebenen Fahrzeugen bedingt ist. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, stellen die Hersteller von Elektrofahrzeugen auf 800-V-Systeme um, die mehrere zusätzliche Vorteile bieten.
Der Umstieg auf 800 V erfordert jedoch mehr als nur eine Batterie mit höherer Spannung; tatsächlich stellt die 800-V-Technologie ganz andere Anforderungen an die Leistungselektronik. Daher hat sich Siliziumkarbid (SiC) als alternatives Halbleiter zu dem traditionell für die Hochspannungs-Leistungselektronik verwendeten Silizium etabliert, da es die Hindernisse umgeht, mit denen die alte Technologie zu kämpfen hat. Schauen wir uns an, warum und wie.
Höhere Spannung, bessere Leistung
In ihrem Bestreben, die Effizienz von Elektrofahrzeugen zu steigern und deren Attraktivität für Verbraucher zu erhöhen, haben sich die Automobilhersteller auf die Einführung von 800-V-Bordnetzen konzentriert. Diese höhere Spannung ist nicht nur eine technische Verbesserung, sondern ein grundlegender Wandel in der Art und Weise, wie Elektrofahrzeuge angetrieben werden, der gegenüber den heute überwiegend verwendeten 400-V-Systemen erhebliche Vorteile bietet.
Einer der Hauptvorteile der 800-V-Technologie ist eine drastische Verkürzung der Ladezeiten. Das liegt daran, dass mit steigender Spannung der Strom schneller in die Fahrzeugbatterie fließen kann. Diese Eigenschaft ist nicht nur ein Komfortvorteil, sondern ein entscheidender Fortschritt, um Elektrofahrzeuge für den Durchschnittsverbraucher praktischer zu machen.
Zudem verbessern 800-V-Systeme die Gesamtenergieeffizienz eines Elektrofahrzeugs. Aus dem Zusammenhang zwischen Leistung, Stromstärke und Widerstand (Leistung = Stromstärke × Spannung bzw. Leistung = Stromstärke² × Widerstand) geht hervor, dass durch eine Erhöhung der Spannung und eine Verringerung der Stromstärke weniger Energie bei der Energieübertragung als Wärme verloren geht.
Eine Verringerung der Stromstärke ermöglicht zudem den Einsatz eines leichteren Kabelbaums im Fahrzeug, was sich erheblich auf die Senkung der Herstellungskosten und des Fahrzeuggewichts auswirken kann. Und eine Verringerung des Fahrzeuggewichts wiederum erhöht die Reichweite. All dies sind nur einige der Gründe, warum Automobilhersteller wie Porsche, Audi, Genesis, Hyundai und Kia bereits Fahrzeuge mit 800-V-Batteriepaketen bauen.
Das Beste aus 800 V herausholen
Um die Vorteile der 800-V-Architektur in einem Elektrofahrzeug voll auszuschöpfen, ist eine entscheidende Innovation erforderlich. Insbesondere muss die Leistungselektronik weiterentwickelt werden, damit sie bei dieser höheren Spannung optimal funktioniert.
Unter Leistungselektronik versteht man Systeme zur Steuerung und Umwandlung elektrischer Energie. Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs arbeitet mit hohen Spannungen. In der Regel entspricht die Busspannung der Batteriespannung – in diesem Fall 800 V.
Die Fahrstromrichter (die den Motor antreiben und die Räder antreiben) sind Hochleistungsgeräte in der Größenordnung von einigen 100 kW. Diese Wechselrichtertopologien erfordern hocheffiziente Schaltelemente, die große Ströme leiten und hohen Spannungen standhalten können. Bei 800-V-Systemen liegen diese Spannungen bei fast 2 kV.
Herstellung von SiC-Wafern
In der Vergangenheit handelte es sich bei diesen Leistungsschaltern in der Regel um auf Silizium hergestellte Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Leider funktionieren Silizium-IGBTs bei hohen Schaltfrequenzen einfach nicht gut, da sie dort unter Wirkungsverlusten leiden und nicht bei Spannungen über 1500 V betrieben werden können.
Siliziumkarbid (SiC), ein Halbleiter mit großer Bandlücke, bietet hier eine Lösung. SiC-MOSFETs (Halbleiter ) weisen gegenüber Komponenten auf Siliziumbasis überlegene Eigenschaften auf, darunter eine höhere Temperaturbeständigkeit, schnellere Schaltgeschwindigkeiten und einen höheren Wirkungsgrad. Sie eignen sich nahezu ideal für die höheren Spannungsanforderungen von 800-V-EV-Systemen.
Wärmemanagement unter Verwendung von Materialien auf SiC-Basis für 800-V-Leistungsmodule
SiC fungiert nicht nur als Hochleistungsschalter, sondern löst auch eine weitere der größten Herausforderungen bei Elektrofahrzeugen: das Wärmemanagement. In Form eines reaktionsgebundenen Si/SiC-Verbundwerkstoffs (RBSiC) wirkt SiC als hervorragender Wärmeleiter. Dadurch kann es die Wärme in den Leistungsmodulen, in denen diese Leistungsschalter untergebracht sind, effektiv abführen. Darüber hinaus machen seine hervorragenden Wärmeausdehnungseigenschaften, seine Eignung für den Betrieb bei hohen Temperaturen, seine hohe Festigkeit und sein gutes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis es zu einem idealen Material für die Grundplatten von Leistungsmodulen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SiC-Komponenten – sowohl als Halbleiter als auch als Verbundwerkstoff für das Wärmemanagement – durch die effiziente Bewältigung höherer Spannungen und Ströme bei gleichzeitig geringerer Wärmeentwicklung den Einsatz von 800-V-Systemen ermöglichen. Gemeinsam verringern sie den Bedarf an aufwendigen und sperrigen Kühlsystemen, was wiederum das Fahrzeuggewicht und die Komplexität weiter reduzieren kann. Coherent diesen technologischen Wandel mit unseren umfassenden Kompetenzen in der Serienfertigung von SiC-Wafern und der Epitaxie. Wir verfolgen einen langfristigen Plan zur Herstellung von SiC-basierten Bauelementen sowie über Kapazitäten zur großvolumigen Abscheidung für Wärmemanagementlösungen.
Neben Komponenten für Elektroantriebe Coherent auch in verschiedenen anderen Bereichen der modernsten Fahrzeugtechnologie tätig. Erfahren Sie mehr darüber, wie wir verbesserte Sensorik im Fahrzeuginnenraum, Wärmemanagement und LIDAR-Systeme für den Automobilbereich ermöglichen.
