Was macht einen Tesla so besonders? Die drei wichtigsten Technologien für Elektrofahrzeuge sind üblicherweise die Batterie, der Elektromotor und die Leistungselektronik. Tesla ist in allen drei Bereichen führend. Auch wenn der Aktienkurs für manche vielleicht zu hoch erscheint, sichert das rasante Innovationstempo dem Unternehmen einen Platz unter den Marktführern und die Gunst vieler Kunden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf Teslas Innovationen im Bereich der Leistungselektronik und einige der sich daraus ergebenden neuen Materialmöglichkeiten.
Siliziumkarbid-Wechselrichter:
In Elektrofahrzeugen ist die Leistungselektronik für zahlreiche Funktionen unerlässlich. Die wohl wichtigste Komponente ist der Hauptwechselrichter, der den Gleichstrom der Batterie in dreiphasigen Wechselstrom für den ordnungsgemäßen Betrieb des Elektromotors umwandelt. Kernstück der Leistungselektronik sind Leistungsschalttechnologien (Transistoren), die bereits über fünf Generationen hinweg weiterentwickelt wurden. Aktuell dominieren Silizium-IGBTs (Silizium-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate) den mittleren Leistungsbereich, einschließlich der Wechselrichter für Elektrofahrzeuge. Wir befinden uns nun in der sechsten Generation, in der Breitband-Halbleitermaterialien an Bedeutung gewinnen: Siliziumkarbid (SiC) für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen und Galliumnitrid (GaN) für Niederspannungs- und Niedrigleistungsanwendungen. Dieser Wandel ermöglicht kleinere und dichtere Leistungsmodule, den Betrieb bei höheren Temperaturen und eröffnet neue Materialmöglichkeiten im gesamten Gehäuse der Leistungsmodule.
Warum ist Teslas Wechselrichter so innovativ? Mit der Einführung des Model 3 im Jahr 2018 war Tesla das erste Unternehmen, das SiC-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) von STMicroelectronics in seinen Wechselrichter integrierte. Das Gesamtdesign zeichnet sich neben der Verwendung von SiC-Gehäusen durch weitere Innovationen aus, die wichtigste davon ist jedoch die Verwendung von SiC-Bauteilen. Dadurch konnte das Gesamtgewicht des Wechselrichters (4,8 kg) auf weniger als die Hälfte des Gewichts des Nissan Leaf (11,15 kg) und auf mehr als ein Drittel des Gewichts des Jaguar I-PACE (8,23 kg) reduziert werden. Beide Fahrzeuge verwenden Si-IGBT-Wechselrichter und Standardkomponenten.
Der Einsatz von SiC-MOSFETs eröffnet auch neue Möglichkeiten im Hinblick auf die verwendeten Materialien, da die Grenzen traditioneller Werkstoffe erweitert wurden. Um die höheren Leistungsdichten zu bewältigen, wird anstelle der herkömmlichen Drahtverbindungen ein Kupfer-Anschlussrahmen (Metallstrukturen, die die Signale vom Array zum restlichen Wechselrichter übertragen) verwendet. Auch das Verbindungsmaterial für das Array hat sich weiterentwickelt: von herkömmlichem Löten hin zu gesinterten, silberbasierten Verbindungsmaterialien, die den höheren Temperaturen standhalten.
Wo liegt das Problem? Wie bei jeder neuen Technologie waren die Kosten das größte Hindernis für die Verbreitung von SiC-MOSFETs und anderen Materialien, die die Gehäusefertigung von Leistungsmodulen ermöglichen. Doch Tesla scheint auch dieses Problem gelöst zu haben: Die Kosten des Wechselrichters sind innerhalb von nur drei Jahren bemerkenswert gesunken. Die untenstehende Grafik zeigt eine von IDTechEx berechnete Kostenkurve, basierend auf Kostenschätzungen für den Wechselrichter des Model 3 im Jahr 2018 und einen Wechselrichter der zweiten Generation für das Model Y im Jahr 2020. Wie man sieht, ist Teslas SiC-Wechselrichter bereits auf Augenhöhe mit den Si-IGBT-Modulen, die in den 2019er-Versionen des Nissan Leaf und Jaguar I-PACE verwendet werden.
Das Ergebnis ist, dass Teslas Kombination aus Wechselrichter und Permanentmagnetmotor zu den besten (wenn nicht sogar die beste) auf dem Markt zählt und einen Wirkungsgrad von 97 % erreicht. Dies ermöglicht eine größere Reichweite, ohne die kostspielige Batteriekapazität erhöhen zu müssen. Und das alles zu ähnlichen Kosten wie die älteren Technologien, die sie ersetzt.
Abbildung 2 -> Quelle: IDTechEx mit Daten zu den Anschaffungskosten von Wechselrichterpaketen von Munro & Associates
