E-Car - die Herausforderung für Leistungselektronik-Hersteller 1

Markus Strehlitz

MANNHEIM (sp). Neben dem Stromspeicher hat  vor allem die Leistungselektronik Einfluss auf die Entwicklung von Elektroautos. "Die Leistungselektronik ist der wichtigste Teil des Antriebs", stellt Elektroauto-Experte Professor Karl Noreikat fest. Anders als im Batteriebereich liegen deutsche Elektronik-Hersteller nicht hinter der ausländischen Konkurrenz zurück. Im Gegenteil – Noreikat sieht Continental und Bosch mit ihren Komponenten als führend an. Leistungselektronik von Bosch kommt etwa in den Hybridversionen des Porsche Cayenne sowie des VW Touareg zum Einsatz. Conti stattet unter anderem den Mercedes S 400 mit der entsprechenden Technik aus.

Deutsche Elektronikindustrie führend

Auch für Martin März ist klar: "Deutschland zählt in der Leistungselektronik und generell bei elektrischen Maschinen zur weltweiten Spitze." März ist Abteilungsleiter des Geschäftsbereichs Leistungselektronik am Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB). Er berichtet, dass Conti und Bosch das entsprechende Know-how aber erst in den vergangenen Jahren hausintern aufgebaut hätten.

Die gesamte deutsche Automobilindustrie profitiere dabei von der hervorragenden Grundlagenarbeit, die hierzulande seit Jahrzehnten gemacht worden sei. Die Spitzenposition verdankt Deutschland nach Meinung von März Anbietern von Bauelementen wie etwa Infineon. Das bayerische Technologieunternehmen gehöre zu den weltweit führenden Herstellern von Leistungshalbleitern. Außerdem werden laut März für die Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Modultechnik hauptsächlich Entwicklungen aus dem industriellen Bereich genutzt. Anbieter wie Semikron hätten hierbei wichtige technologische Vorarbeit geleistet.
Wenn es um den Einsatz im Elektroauto geht, gibt es bei der Aufbau- und Verbindungstechnik noch einiges zu tun. Denn dieser Bereich habe mit der rasanten Entwicklung der Halbleitertechnologie in den vergangenen Jahren nicht Schritt halten können, so März. Die Folge: Die Chips, die in der Leistungselektronik verwendet werden, wären zu weit mehr Leistung fähig, als derzeit abgerufen wird. Doch die häufigen Temperaturwechsel im Auto – verursacht etwa durch den Tritt auf das Gaspedal – belasten das Material. „Sie sorgen für thermo-mechanische Spannungen, die den gesamten Aufbau zermürben“, erklärt März. "Daher müssen wir mit niedrigen Temperaturhüben arbeiten und können das Leistungspotenzial des Siliziums nicht im Ansatz ausschöpfen."

Problem Temperaturschwankungen

Die Temperaturwechsel seien die größte Herausforderung für die Leistungselektronik beim Einsatz im Elektroauto, meint Hans-Peter Feustel, Director Competence Center Electronics bei Conti. Und deren Bewältigung hat direkte Auswirkungen auf die Kosten für die Technologie. Denn der Preis für die Leistungshalbleiter berechnet sich auf Basis der Siliziumfläche. Wenn es möglich wäre, die Leistung der Chips besser auszunutzen, müsste für den Strom, der für den Betrieb des Motors notwendig ist, somit weniger Silizium verwendet werden. "Brauche ich nur die Hälfte der Siliziumfläche, wird das ganze halb so teuer", so Fraunhofer-Experte März. Ziel müsse es sein, die Kosten für die Leistungselektronik bis 2020 auf ein Drittel zu reduzieren.

100 Prozent lotfrei

Daher arbeiten derzeit alle Anbieter im Bereich Leistungselektronik fieberhaft daran, die Defizite in der Aufbau- und Verbindungstechnik zu beheben. Unter anderem geht es darum, das Löten durch ein hitzebeständigeres Verfahren zu ersetzen. Auch hier sind deutsche Hersteller bereits weit gekommen. So hat zum Beispiel Semikron Module entwickelt, bei denen auf Lötungen verzichtet wird. Diese besitzen laut Hersteller fünfzehnfach höhere Temperaturwechselfähigkeiten als konventionelle Module.

Wirkungsgrad

Gearbeitet wird auch am Wirkungsgrad der Leistungselektronik. Denn je größer dieser ist, desto kleiner, leichter und preiswerter kann die Batterie ausfallen. Und umso größer ist ihre Reichweite. Feustel berichtet zum Beispiel, dass sein Unternehmen mit der neuen Produktgeneration den Wirkungsgrad der Leistungselektronik verbessert habe. Zudem sei die Komponente um 30 Prozent kleiner als das Vorgängermodell.

Kleinere Bauräume

Die Größe der Leistungselektronik ist besonders in Hybridfahrzeugen ein wichtiges Kriterium. Denn in diesen Autos stehen laut März deutlich kleinere Bauräume zur Verfügung, weil schließlich zwei Antriebsstränge untergebracht werden müssen. Um solchen Herausforderungen noch besser begegnen zu können, arbeiten Hersteller und Forschung in Deutschland Hand in Hand. So hat zum Beispiel Bosch vor einem knappen Jahr gemeinsam mit der Hochschule Reutlingen und der Universität Stuttgart ein Studien- und Forschungszentrum für Leistungselektronik gegründet.