如果电动汽车要实现更远的距离,这不仅仅是一个优化电池的问题。相反,整个动力系统必须得到改进。因此,弗劳恩霍夫的一个团队正在开发电子控制单元,即所谓的功率逆变器,它可以比现在更有效地转换电池和电机之间的能量。


​电动汽车续航里程不仅与电池有关,还与功率逆变器有联系


谈到电动汽车的续航能力,我们很多人都会自动想到电池。电池能储存的能量越多,汽车就能走得越远。然而,电池并不是全部,也不是全部。事实上,驱动系统也起着关键作用。例如,位于柏林的弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所的专家们正在着手研究电源逆变器。该装置将电池的直流电转换为驱动电机的交流电。由于其位于电池和电机之间的中心位置,高电流流经功率逆变器及其晶体管。为了防止设备像烤面包机一样发热,热量必须通过冷却元件排出。


范围扩大到6%


在SiCeffizient项目中,来自Fraunhofer IZM的专家及其工业伙伴现在正使用特别高效的碳化硅(SiC)半导体制造晶体管,当电流流过它们时,耗散的功率更少。不过,这些半导体的价格相对较高。因此,拥有最少数量的晶体管是有意义的。但是,由于每个晶体管都会耗散更多的功率,并且发热更强烈,因此它们需要被冷却得特别好。现在,功率逆变器的冷却元件已被完全重新设计,其想法是在保持相同的耗散率的同时,保持半导体的冷却。


特别是当车辆加速、制动和高速行驶时,由于大量的电流在电机、功率转换器和电池之间来回流动,功率会从逆变器中流失。SiC半导体可以减少这些损失。"负责IZM公司SiCeffizient项目的Eugen Erhardt说:"我们预计,通过以这种方式优化驱动系统,电动汽车的续航能力将最终延长6%。百分之六听起来可能不多。但实际上,这是一个很大的问题。当涉及到电动汽车电池时,这种性能的提升只能通过增加电池的数量或通过大量的研究工作来实现。


3D打印的耐压散热器


电动汽车的电源逆变器是用水冷却的。晶体管中积聚的热量通常通过固体冷却元件释放。它有冷却管道,称为鳍片,伸入水中并散热。为了冷却这些有用的SiC晶体管,专家们通过3D打印技术创造了一种壁相对较薄的冷却元件。这种元件的排列方式使晶体管位于只有几毫米厚的金属板上。因此,晶体管靠近冷却水,这就加强了冷却效果。为了防止薄金属板在负荷下变形,冷却翅片在3D打印机中建模,这样它们就像圆顶中的柱子一样支撑着金属板。这种结构非常稳定,冷却元件可以承受冷却水的压力和晶体管烧结熔合到冷却元件上时所产生的力。


电源模块总是由不同的材料组成,以承担所需的不同功能。问题是:当加热时,不同的材料会以不同的速度膨胀,从而在结构中产生应力。这可能会导致电源逆变器破裂和失败。新的冷却元件也解决了这个问题。由于金属板保持非常薄,它们能够通过轻微变形来补偿在加热或冷却时产生的应力。因此,整个热电结构是非常灵活的。重要的是,这节省了昂贵的SiC半导体,并延长了它们的使用寿命。


铜线防止裂纹


还有一些其他的东西可以减少新电源逆变器模块的压力。它们不以通常的方式通过固体铜导体轨道与其他电子元件连接。相反,由冷却元件和碳化硅晶体管组成的结构是通过绞合的、柔韧的细铜线与电子系统的其他部分相连的。


新电源逆变器将在未来几个月在项目合作伙伴罗伯特博世进行测试。保时捷公司将安装该设备在一个新设计的传动系统,这是精确匹配的SiC结构。“在设备准备投入生产之前,我们还有一段路要走,”Eugen Erhardt说。“首先,我们把所有的东西放在一起,创造一个原型。个别流程步骤将需要进一步优化。”

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