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SiC für Elektromobilität

Vom Serienfahrzeug bis zum Rennwagen

8. Mai 2014, 9:28 Uhr | Tom Barbieri

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

SiC in Rennwagen

Wirkungsgradsteigerungen an Hybridantrieben beschränken sich keineswegs auf kommerzielle Fahrzeuge. Die FIA (Federation Internationale de l’Automobile) hat für die Rennsaison 2014 drastische Änderungen an den Regeln für die Formel-1-Rennen eingeführt. Zu den signifikantesten Neuerungen gehört das Senken des zulässigen Kraftstoffverbrauchs um 33 %[7], die die Teams zur Entwicklung eines um eben diese 33 % effizienteren Antriebsstrangs zwingt. Ein Teil dessen wird durch einen kleineren Motor erzielt: Anstatt eines V8-Saugmotors mit 2,4 l Hubraum kommt ein V6 mit 1,6 l Hubraum und Turboaufladung zum Einsatz. Einen großen Teil zur Wirkungsgradsteigerung muss jedoch das Energierückgewinnungssystem (Energy Recovery System – ERS) beisteuern. Diese revolutionäre Neuerung soll Energie „ernten“, die normalerweise bei der Umwandlung an den Rädern und im Turbolader verlorengeht.

Das ERS besteht aus drei Hauptkomponenten:

Die „Motor Generating Unit – Kinetic“ (MGU-K) hat Ähnlichkeit mit den regenerativen Bremssystemen, die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verwendet werden. Die MGU-K wirkt beim Bremsen als Generator und wandelt damit kinetische in elektrische Energie um. Beim Beschleunigen nutzt sie zuvor geerntete Energie für zusätzlichen Vortrieb. Als Generator wirkend gewinnt die „Motor Generating Unit – Heat“ (MGU-H) überschüssige Energie aus dem Turbolader. Im Motorbetrieb sorgt dieses System für ein zügigeres Hochdrehen und dadurch für ein rascheres Ansprechen des Turboladers (Vermeiden des ‚Turbolochs‘).

Der „Energy Store“ (ES) speichert überschüssige, durch die Systeme MGU-K und MGU-H zurückgewonnene Energie. Bis zu 4 MJ können als elektrische Energie in einer Batterie oder einem Kondensator gespeichert werden. Würde diese Energiemenge auf einmal an die Räder abgegeben, so könnte damit 33,33 s lang eine Leistung von 120 kW (163 PS) aufgebracht werden [8]. Dies wäre allerdings kein ideales Szenario, denn entscheidend für eine nachhaltig effiziente Leistung ist, dass Energieernte und -verbrauch richtig aufeinander abgestimmt werden. Zum Beispiel kann die von der MGU-K zurückgewonnene Energie direkt an die MGU-H geleitet und dort zur Vorbereitung des nächsten Beschleunigungsvorgangs zum Hochdrehen des Turboladers genutzt werden, während ein kleiner Teil in den Energiespeicher gelangt. Zur Weiterleitung der Energie gibt es insgesamt sieben Wege, die von den intelligentesten Fahrzeugen in optimierter Weise genutzt werden.

Bei dieser Optimierung können Siliziumkarbid-Bauelemente für einen Wettbewerbsvorteil sorgen. Gemäß den Regeln für die F1-Saison 2014 sind Spannungen bis maximal 1000 V zulässig. Das Power-Management-System des ERS muss deshalb in der Lage sein, schnell und mit minimalen Verlusten elektrische Impulse hoher Leistung auf den sieben verfügbaren Übertragungswegen zu schalten. Es muss außerdem schnell große Mengen elektrischer Energie bereitstellen können, während einige Teile des Systems Spannungen bis zu 1000 V blockieren müssen. Für Silizium sind dies hoch gesteckte Ziele, nicht aber für Siliziumkarbid. Die Z-Rec-Schottky-Dioden der CPW5-Familie sind für einen Nennstrom von 50 A sowie Sperrspannungen von 650 V, 1200 V oder 1700 V spezifiziert und damit ideal für die komplexen Hochleistungsanforderungen in ERS-Anwendungen geeignet.