Mehr Effizienz bei E-Motoren

Effizienzsteigerungen bei Elektro- und Hybridfahrzeugen kommen sowohl den Benutzer:innen wie auch der Umwelt zu Gute. Mehr Effizienz bringt in Folge mehr Reichweite und die optimierte Elektrifizierung des Antriebsstranges reduziert den CO2-Fußabdruck. Mit jeder neuen Produktgeneration wird versucht die Effizienz des Gesamtsystems zu verbessern. Dieser technologischen Herausforderung hat sich ein österreichisches Forscherteam aus Industrie und Wissenschaft – darunter die Montanuniversität Leoben, das Materials Center Leoben, die FH JOANNEUM, Pankl Systems Austria, TDK Electronics sowie Infineon Austria im Projekt „INTEGRA“ angenommen. Das Ergebnis: Ein High-Speed-Drive Prototyp, der höchste Leistungsdichte mit höchster Effizienz vereint und das Kühlmanagement mittels 3D-Druck verbessert. Zwei Patente wurden eingereicht.

Sabine Herlitschka, Vorstandsvorsitzende Infineon Technologies Austria AG: „Die Umstellung auf Elektromobilität findet mit hoher Dynamik statt. Angesichts der wichtigen Beitrags von Elektromobilität zum Erreichen der Klimaneutralität spielen hocheffiziente Systemlösungen eine wesentliche Rolle. Mit dem neuen Halbleitermaterial Siliziumkarbid hat Infineon eine führende technische Position. Gemeinsam mit exzellenten Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft können wir die Effizienz im gesamten Antriebssystem weiter steigern und die nachhaltige Mobilität vorantreiben.“

High-Speed-Drive-Prototyp

Das Team hat Elektromotoren mit einer höheren Drehzahl sogenannte „High-Speed-Drives“ in den Fokus der Forschungen gerückt. Bei High-Speed-Drives liegen die Umdrehungen der Motoren bei 120.000 Mal pro Minute, während die übliche Drehzahl bei Elektromotoren im Antriebsstrang bei etwa 30.000 Umdrehungen liegt. Der Prototyp schafft eine dauerhaft hohe Leistungsdichte von bis zu 390 Watt/inch³ gleichbedeutend einer Volumenreduktion um circa 50 Prozent. Diese verkleinerte Baugröße entspricht jetzt in etwa der Größe einer Schuhschachtel.

Hocheffiziente Antriebsstrang mit Siliziumkarbid

Für die Energiewandlung im Wechselrichter kommen Leistungshalbleiter mit dem neuen Material Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz. Die Vorteile des innovativen Materials: Es ermöglicht hohe Schaltfrequenzen, kompaktere Lösungen und eine weitere Minimierung von Energiewandlungsverlusten. Fast jedes zweite Elektro- oder Hybridauto, das 2021 produziert wurde, nutzt im Wechselrichter bereits Halbleiter von Infineon. Mit SiC-MOSFETs von Infineon können beispielsweise die Verluste in Invertern bei mittlerer Last bereits um bis zu zwei Drittel gesenkt werden. Dadurch kann SiC helfen, die Reichweite eines Elektroautos um fünf bis zehn Prozent zu erhöhen. Durch die Forschungen können nun die technischen Vorteile von SiC-Leistungshalbleiter auch bei hochdrehenden Antrieben genutzt werden.

Neue Materialkombinationen

Neben der Elektronik sind auch die weiteren mechanischen Komponenten und Materialien im System hohen Anforderungen und Temperaturen von 200 Grad Celsius ausgesetzt. Das Team nutzte dabei neue Materialkombinationen und Verbindungstechnologien, um durch ein integriertes Konzept unterschiedlichste thermische Eigenschaften und Spannungseffekte in ihrer Wechselwirkung zu berücksichtigen und in einer kompakten Baugröße zu realisieren. Die neuen Ansätze verbesserten sowohl die Energieeffizienz als auch die elektromagnetische Verträglichkeit des Gesamtsystems.

3D-Druck erhöht Kühlleistung

Einer der größten Herausforderungen war die integrierte Kühlung des Motors, da die erhöhte Drehzahl eine größere Wärme erzeugt, die wieder abgeführt werden muss. Das neue Kühlmanagement wurde mittels 3D Druck hergestellt. Das Team entwickelte dazu optimierte Architekturen mit neuartigen Strömungskanälen und lamellenartigen Strukturen. Damit wurde eine Steigerung der Kühlleistung um 30 Prozent erzielt. „Mit dem Forschungsdemonstrator wurde der Grundbaustein gelegt, um erhebliche Volumens-Reduktionen im Elektroantrieb zu ermöglichen. Die neuen Ansätze verbessern die Energieeffizienz als auch die elektromagnetische Verträglichkeit. Durch die Erkenntnisse aus dem Prototyp, der sehr hohe Drehzahlen ansteuern kann, können wir auch in vielen weiteren Anwendungen, beispielsweise Industrieantrieben, die Effizienz- und Leistungsdichte erhöhen“, so Herbert Pairitsch, Director Technology & Innovation bei Infineon Technologies Austria und Gesamtprojektleiter.

Mobilität der Zukunft mit Know-how aus Österreich

Das Forschungsprojekt „INTEGRA“ lief insgesamt vier Jahre und vereinte sechs Partner aus Industrie und Forschung - darunter die Montanuniversität Leoben, das Materials Center Leoben, die FH JOANNEUM, TDK Electronics, Pankl Systems Austria sowie Infineon Technologies Austria. Das Projektvolumen mit 3 Millionen Euro wurde aus Mitteln der Industrie sowie dem Programm „Mobilität der Zukunft“ vom Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie gefördert und von der FFG Forschungsförderungsgesellschaft abgewickelt.