Hochmoderne Produkte für den EV-Markt
Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) wird die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen, Ladezeiten verkürzen und Kosten senken – und so den Markt wiederbeleben.
27. Juni 2024 von Coherent
Hauptelemente eines EV-Antriebsstrangs
Die Verkäufe von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle, EV) stagnieren, vor allem aufgrund der Abneigung unter Verbrauchern gegenüber längeren Ladezeiten und höheren Kaufpreisen im Vergleich zu Autos mit herkömmlichen Antriebsarten. Um diese Probleme zu lösen, wechseln EV-Hersteller zu 800 V-Systemen, die verschiedene zusätzliche Vorteile bieten.
Aber der Übergang zu 800 V erfordert mehr als nur einen Akku mit höherer Spannung. Tatsächlich schafft eine Spannung von 800 V ganz andere Herausforderungen für die Leistungselektronik. Daher hat Siliziumkarbid (SiC) als alternatives Halbleitermaterial an Verbreitung gewonnen, da es gegenüber dem traditionell für Hochvolt-Leistungselektronik verwendeten Silizium die Hindernisse eliminiert, mit denen ältere Technologien zu kämpfen haben. Sehen wir uns an, warum und wie es das schafft.
Höhere Spannung = höhere Leistung
In ihrem Bestreben, die Effizienz von Elektrofahrzeugen zu erhöhen und sie für Verbraucher attraktiver zu machen, konzentrieren sich Autohersteller auf die Einführung von elektrischen Systemen mit 800 V Spannung. Diese höhere Spannung bedeutet nicht einfach nur ein technisches Upgrade, es handelt sich um einen transformativen Ansatz im Antrieb von Elektrofahrzeugen, der wesentliche Vorteile gegenüber den 400 V-Systemen aufweist, die bisher hauptsächlich zur Anwendung kommen.
Einer der Hauptvorteile der 800 V-Technologie ist eine dramatische Verkürzung der Ladezeiten. Denn wenn sich die Spannung erhöht, kann der Strom schneller in den Akku des Fahrzeugs fließen. Diese Fähigkeit bedeutet nicht nur höheren Komfort, sondern ist eine kritische Entwicklung in dem Bestreben, den Einsatz von Elektrofahrzeugen für Verbraucher praktikabler zu gestalten.
Außerdem verbessern Systeme mit 800 V die Gesamtenergieeffizienz von Elektrofahrzeugen. Die Beziehung zwischen Leistung, Stromstärke und Widerstand (Leistung = Stromstärke × Spannung oder Leistung = Stromstärke² × Widerstand) sagt uns, dass durch eine Erhöhung der Spannung und eine Verringerung der Stromstärke während der Leistungsübertragung weniger Energie als Wärme verloren geht.
Eine Reduzierung der Stromstärke ermöglicht zudem den Einsatz eines leichteren Kabelbaums im Fahrzeug, wodurch sich sowohl die Herstellungskosten als auch das Fahrzeuggewicht erheblich senken lassen. Und ein leichteres Fahrzeug wiederum führt zu einer erhöhten Reichweite. Das sind nur einige der Gründe dafür, warum Autohersteller wie Porsche, Audi, Genesis, Hyundai und Kia bereits Fahrzeuge mit 800 V-Akkus herstellen.
800 V optimal nutzen
Um die Vorteile der 800 V-Architektur in einem Elektrofahrzeug voll ausschöpfen zu können, ist eine wichtige Innovation erforderlich. Insbesondere muss die Leistungselektronik aktualisiert werden, um auch bei dieser höheren Spannung optimal zu arbeiten.
Unter Leistungselektronik versteht man Systeme für die Kontrolle und Umwandlung der elektrischen Leistung. Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs verwendet hohe Spannungen. Üblicherweise entspricht die Busspannung der Batteriespannung – in diesem Fall 800 V.
Der Traktionswechselrichter (der den Motor antreibt und die Räder in Bewegung versetzt) unterstützt hohe Leistungen bis zu einigen 100 kW. Diese Wechselrichter-Topologie erfordert hocheffiziente Schalter mit der Fähigkeit, hohe Stromstärken zu übertragen und hohen Spannungen zu widerstehen. Diese bewegen sich bei 800 V-Systemen nahe an 2 kV.
In der Vergangenheit handelte es sich bei diesen Leistungsschaltern üblicherweise um Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), die aus Silizium gefertigt wurden. Leider funktionieren Silizium-IGBTs bei hohen Schaltfrequenzen nicht besonders gut, sondern leiden an Effizienzverlusten und unterstützen keine Spannungen über 1.500 V.
Der Breitband-Halbleiter Siliziumkarbid (SiC) bietet sich hierfür als Lösung an. SiC-basierte Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) weisen entscheidende Vorteile gegenüber Silizium-basierten Komponenten auf, darunter höhere Temperaturtoleranzen, schnellere Schaltgeschwindigkeiten und gesteigerte Effizienz. Sie sind geradezu ideal für die höheren Spannungsanforderungen von EV-Systemen mit 800 V.
Wärmemanagement mit SiC-basierten Materialien für 800 V-Leistungsmodule
Zusätzlich zu ihrer Eigenschaft als Hochleistungsschalter lösen SiC-basierte Systeme direkt eine weitere große Herausforderung in der EV-Fertigung, nämlich das Wärmemanagement. In Form eines reaktionsgebundenen Si/SiC-Verbundstoffs (RBSiC) weist SiC eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. So kann es die Wärme in den Leistungsmodulen, in denen sich diese Leistungsschalter befinden, effektiv abführen. Zudem ist es dank seiner hervorragenden Wärmeausdehnungseigenschaften, der Fähigkeit zum Betrieb auch bei hohen Temperaturen, seiner hohen Stärke und dem hohen Stärke-pro-Gewicht-Verhältnis ideal als Grundplattenmaterial für Leistungsmodule geeignet.
Zusammengefasst ermöglichen SiC-Komponenten durch ihren effizienten Betrieb bei höheren Spannungen und Stromstärken bei gleichzeitig geringerer Wärmeentwicklung 800 V-Systeme – sowohl als Halbleiter-Leistungsschalter als auch als Verbundmaterial für das Wärmemanagement. Gemeinsam senken sie den Bedarf nach teuren und großen Kühlsystemen, wodurch sich das Fahrzeuggewicht und die Systemkomplexität weiter verringern lassen. Coherent unterstützt diesen Technologiewandel mit unseren umfassenden Fähigkeiten zur Großmengenproduktion von SiC-Wafern und SiC-Epitaxie. Zudem sieht unser langfristiger Plan die Herstellung von SiC-basierten Geräten zusammen mit Fähigkeiten zur hochvolumigen Wärmeableitung für Wärmemanagement-Lösungen vor.
Neben Komponenten für den EV-Antriebsstrang spielt Coherent auch bei der Entwicklung anderer Aspekte hochmoderner Fahrzeugtechnologie eine Rolle. Erfahren Sie mehr darüber, wie wir Sensorik in Fahrzeuginnenräumen, Wärmemanagement und Automobil-LIDARs verbessern.
