SiC für schnellere Formel E

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Langsam nimmt die Elektromobilität Fahrt auf. Allerdings muss sie noch energieeffizienter werden. Entwicklungen aus der Formel E könnten dabei helfen.

In den letzten Jahren gewannen Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge immer mehr an Bedeutung als Ersatz für herkömmliche Benzinfahrzeuge. Allerdings müssen Elektrofahrzeuge noch wesentlich energieeffizienter werden, um die gleiche Reichweite wie herkömmliche Autos und damit die Akzeptanz der Menschen zu erreichen. Hier muss viel in die Entwicklung der benötigten elektronischen Komponenten investiert werden.

Für Benzinfahrzeuge wurde ein Großteil dieser Art von Entwicklungen in der Formel 1 realisiert. Technologie, zum Beispiel hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz, die für Rennwagen entwickelt und getestet wurde, wurde später in normalen Straßenfahrzeugen eingesetzt. Die noch recht junge Formel E soll die gleiche Wirkung auf die E-Mobilität haben.

Formel E mit ROHM und Venturi

In der Formel E benutzen alle Teams das gleiche Auto. Eigenentwicklungen sind nur für bestimmte Teile des Antriebssystems erlaubt. Aber diese kleinen Unterschiede haben ein großes Potenzial für zukunftsweisende Technologien. ROHM Semiconductor arbeitet an einigen dieser Technologien und wurde offizieller Technologiepartner des Formel-E-Teams von Venturi.

Erst kürzlich hat das Team zwei Personalien für die kommende fünfte Saison bekannt gegeben. Zunächst stieß die ehemalige DTM-Rennwagenfahrerin und Formel-1-Testfahrerin Susie Wolff als Teamchefin zu Venturi. Und zweitens wird der ehemalige Formel-1-Pilot und Vize-Weltmeister Felipe Massa für Venturi fahren. Er wird am 13. November den ROHM-Stand (C3.511/512) auf der electronica besuchen, wo er für Autogramme und Bilder zur Verfügung stehen wird (Details werden im Vorfeld der electronica bekannt gegeben).

Wechselrichter mit SiC

Die personellen Veränderungen sind ein Teil der Strategie von Venturi für die fünfte Saison. Ein weiterer Bestandteil ist die Technologie von ROHM. Das Unternehmen verwendet Siliziumkarbid (SiC), um die Leistung des Hauptwechselrichters zu verbessern, eines der Kernstücke eines Formel-E-Rennwagens oder vieler anderer Elektrofahrzeuge. Abbildung 1 zeigt zwei Traktionswechselrichter. Der Wechselrichter auf der linken Seite hat eine Leistung von 200 kW und verwendet Leistungsmodule mit Si-IGBT und Si-Fast-Recovery-Dioden (FRDs). Dieser Wechselrichter ist seit 2013 im Einsatz. Der Wechselrichter auf der rechten Seite wurde mit Full-SiC-Modulen neu entwickelt und ist für 220 kW ausgelegt.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Spezifikationen beider Wechselrichter. Der neue Wechselrichter nutzt eine variable Schaltfrequenz, die je nach Motorbetriebspunkt von 16 kHz bis 24 kHz variiert werden kann. Auch im unteren Drehzahlbereich nutzt der Wechselrichter eine Schaltfrequenz von 16 kHz, um die Gefahr von Resonanzen zwischen Zwischenkreiskondensator und Eingangskabeln zu vermeiden. Während die verfügbare maximale Ausgangsleistung 20 kW höher ist, hat der SiC-MOSFET-basierte Wechselrichter ein geringeres Volumen und Gewicht als der Si-IGBT-basierte. Das Gewicht wird um ca. 6 kg reduziert und das Volumen ebenfalls um 30 % reduziert. Diese Faktoren führen zu einer hohen Leistungsdichte von 22 kW/L, was 57 % höher ist als die konventionelle IGBT-basierte Lösung.

Mehr Power für die 5. Saison

Natürlich ist das Gewicht in einem Rennwagen immer ein Thema. Reduzierte Größe bedeutet mehr Flexibilität bei der optimalen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Der wichtigste Vorteil des neuen Wechselrichters ist jedoch der höhere Wirkungsgrad. Die reduzierten Wechselrichterverluste bedeuten mehr Leistung an den Rädern des Fahrzeugs. Darüber hinaus führen geringere Verluste bei gleichem Kühlsystem zu einer reduzierten Chiptemperatur.

Diese Verbesserungen tragen dazu bei, die erforderliche Fahrstrecke zu erhöhen, denn in der fünften Saison der Formel E wird jeder Fahrer nur noch ein Auto statt wie bisher zwei Autos haben. Um dies zu ermöglichen, wird die Batteriekapazität auf bis zu 54 kWh erhöht. Abgesehen davon geht es natürlich vor allem um Effizienz. Ein besserer Wirkungsgrad führt zu weniger Verlusten und kann dazu genutzt werden, die Abmessungen der Kühlung zu reduzieren. Die ersten Tests des neuen Autos haben bereits begonnen und ROHM hofft, dass seine SiC-Leistungsmodule zum Erfolg von Venturi beitragen werden.

 

Tabelle 1. Vergleich der Wechselrichter-Parameter

Wechselrichter Si-IGBT-basiert SiC-MOSFET-basiert
Ausgangsleistung 200 kW 220 kW
Wechselrichter-Effizienz (maximale Effizienz) 98,0 % 99,1 %
Wechselrichter-Effizienz (Betrieb bei maximaler Leistung) 96,9 % 98,2 %
maximale Schaltfrequenz 16 kHz 24 kHz
Gewicht 15,0 kg 9,1 kg
Volumen 14,3 L 10,0 L
Leistungsdichte 14 kW/L 22 kW/L

 

 

 

Venture Formula E (Bild:  Manolo Photography).

Formula E Championship in Hong Kong. (Bild: Manolo Photography).