Neuer Wechselrichter fürs Elektroauto holt 99 Prozent raus

Wer ein Elektroauto fährt, schaut meist zuerst auf die Batterie: Wie weit komme ich, wie schnell lädt der Akku, was kostet ein Austausch? Kaum jemand denkt an den Wechselrichter. Dabei sitzt dort ein großer Teil der Technik, die über Reichweite, Leistung und Fahrgefühl entscheidet. Dieses Bauteil wandelt den Strom aus der Batterie so um, dass der Elektromotor ihn überhaupt nutzen kann. Läuft das effizient, kommt mehr Energie auf der Straße an, statt als Wärme verloren zu gehen.

Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ist nun ein neuer Wechselrichter für Elektroautos entstanden, der selbst Fachleute aufhorchen lässt. Das System verarbeitet 500 Kilowatt Leistung, also rund 680 PS, und braucht dafür nur ein Volumen von einem Liter. Das entspricht ungefähr einer kleinen Milchtüte.

Nach Angaben des Instituts erreicht der Inverter dabei einen Wirkungsgrad von mehr als 99 Prozent. Fast die gesamte Energie aus der Batterie landet also im Motor – und nicht im Kühlsystem.

Warum der Wechselrichter im Elektroauto so viel ausmacht

Ein Elektromotor arbeitet nicht direkt mit dem Gleichstrom aus der Batterie. Er braucht Dreiphasenwechselstrom. Diese Umwandlung übernimmt der Wechselrichter. Ohne ihn bleibt das Auto stehen.

Je effizienter dieser Prozess läuft, desto besser wird das gesamte Fahrzeug. Weniger Energieverlust bringt mehrere Vorteile:

mehr Reichweite pro Akkuladung
weniger Abwärme und dadurch kleinere Kühlsysteme
weniger Gewicht und mehr Platz im Fahrzeug

Das Fraunhofer IZM entwickelte den neuen Inverter im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries. Nach Angaben des Instituts übertrifft das System übliche Alternativen bei der Leistungsdichte um das Fünffache. Selbst bisherige Spitzentechnik liegt noch deutlich darunter.

Ein Liter Technik liefert fast 680 PS

Unter der Motorhaube zählt jeder Zentimeter. Hersteller suchen deshalb seit Jahren nach kompakteren Lösungen. Der neue Wechselrichter punktet besonders mit seiner Größe – das gesamte System passt in etwa in den Raum einer kleinen Milchtüte. Trotzdem verarbeitet es 0,5 Megawatt Leistung.

Möglich wird das durch mehrere technische Änderungen, die ineinandergreifen. Im Inneren sitzen drei Leistungsmodule, jeweils eines pro Phase des Motors. In jedem Modul arbeiten zwölf Siliziumkarbid-Schalter, sogenannte SiC-MOSFETs.

Diese Bauteile schalten deutlich schneller als klassische Silizium-Halbleiter. Sie brauchen weniger Platz und verursachen geringere Verluste. Weil sie direkt in die Leiterplatte eingebettet sind, wird das gesamte Modul kompakter.

Die Folge ist eine extrem niedrige Induktivität von nur etwa einem Nanohenry. Das erlaubt sehr schnelles Schalten bei geringem Energieverlust. Die Schaltgeschwindigkeit liegt bei rund 65 Volt pro Nanosekunde.

Der Kühler spart Platz und Kosten

Weniger Verlustleistung bedeutet auch weniger Hitze. Deshalb reicht ein flacher Aluminiumkühler unter den Modulen aus.

Im Inneren verlaufen mehr als 40 dünne Stege. Sie vergrößern die Oberfläche für das Kühlmittel und verbessern den Wärmeaustausch. Der Weg von den Halbleitern zur Kühlung bleibt kurz, was die Wärme schneller abführt.

Aluminium bringt noch einen zweiten Vorteil: Es ist günstiger als viele Spezialmaterialien. Der komplette Kühlkörper entsteht in einem einzigen Produktionsschritt durch Strangpressen. Das spart Aufwand und Produktionskosten.

Laserschweißen ersetzt Schrauben

Auch bei den elektrischen Verbindungen ging das Team einen anderen Weg. Statt klassischer Schrauben kommt Laserschweißen zum Einsatz. „Die Kontaktpunkte der Stromschienen sind so geformt, dass wir sie per Laser direkt auf die Leiterplatte schweißen können“, erklärt Wiljan Vermeer vom Fraunhofer IZM.

Schrauben brauchen mehr Platz und erhöhen elektrische Verluste. Das neue Design spart beides ein. „Schraubverbindungen würden nicht nur mehr Raum beanspruchen, sondern auch die Induktivitäten erhöhen“, sagt Vermeer.

Die Stromschienen liegen zudem so dicht beieinander, dass sich ihre elektromagnetischen Felder fast gegenseitig aufheben. Auch das verbessert die Effizienz. Dazu kommen spezielle Zwischenkreiskondensatoren. Sie puffern Leistungsspitzen und stabilisieren den Stromfluss. Zusammen mit PolyCharge entwickelte das Team dafür sogenannte NanoLam-Kondensatoren.

Die sechs Kondensatoren sitzen direkt neben den Stromschienen. Dort gleichen sie kurze Leistungsspitzen aus und halten den Stromfluss stabil. Trotz der hohen Leistung entstehen dabei nur sehr geringe elektrische Störeinflüsse. Das ist wichtig, weil der Wechselrichter nur dann schnell und effizient arbeiten kann.

Allerdings werden diese Kondensatoren warm. Deshalb nutzt das Team die Kupferanschlüsse nicht nur für den Stromfluss. Sie leiten auch Wärme ab und verteilen sie im Bauteil. „Wir haben sie so konzipiert, dass die elektrischen Verbindungen die schlechte Wärmeleitung ausgleichen“, sagt Vermeer.

Neuer Wechselrichter bringt 800-Volt-Technik im Elektroauto voran

Das gesamte System arbeitet mit einer 800-Volt-Architektur. Diese Technik findet sich bisher vor allem in leistungsstarken Elektroautos. Sie ermöglicht schnelleres Laden und effizientere Antriebe.

Wenn solche Wechselrichter kleiner, leichter und günstiger werden, profitieren davon nicht nur Sportwagen. Auch normale Elektroautos könnten mehr Reichweite bieten und einfacher gebaut werden.

Auf der Fachmesse PCIM Europe in Nürnberg vom 9.-11- Juni stellt das Fraunhofer IZM den neuen Wechselrichter öffentlich vor. Eine Zahl bleibt dabei besonders hängen: 500 Kilowatt Leistung auf nur einem Liter Volumen. Für ein Bauteil, das viele Fahrer kaum kennen, ist das bemerkenswert viel Fortschritt.

Kurz zusammengefasst:

Der Wechselrichter im Elektroauto wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom für den Motor um und beeinflusst damit direkt Reichweite, Leistung und Effizienz des Fahrzeugs.
Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat einen neuen Wechselrichter entwickelt, der 500 Kilowatt Leistung auf nur einem Liter Volumen liefert und dabei einen Wirkungsgrad von über 99 Prozent erreicht.
Weniger Energieverlust bedeutet weniger Wärme, kleinere Kühlsysteme und mehr Platz im Auto – dadurch könnten künftige Elektroautos leistungsstärker, leichter und effizienter werden.

Übrigens: Während ein neuer Wechselrichter Elektroautos effizienter macht, arbeiten Forscher in Dortmund bereits am nächsten Schritt – mehr als 1000 Volt sollen das Laden deutlich beschleunigen. Kürzere Stopps an der Ladesäule und leichtere Fahrzeuge könnten den Alltag mit E-Autos spürbar verändern. Mehr dazu in unserem Artikel.