AT&S erhöht die Spannung für die Ära der Elektromobilität

„Wie können wir E-Autos bauen, die nicht einfach Kopien des Verbrennungsmotors sind, sondern eher Kopien eines Smartphones?“ Die Fähigkeit von Leiterplatten zur Integration von Bauteilen, Miniaturisierung, Kostensenkung und ihre Energieeffizienz wird dabei eine Schlüsselrolle spielen.

Leiterplatten sind das Fundament unserer digitalen Welt. Sie ermöglichen immer komplexere elektrische Verbindungen auf ständig schrumpfenden Raum für die Vielzahl an Chips und andere Bauteile, die elektronische Geräte von Smartphones bis zu modernen Beatmungsmaschinen benötigen. Zunehmend sind Leiterplatten auch die Basis dafür, dass Strom in der jeweils benötigten Spannung für die unterschiedlichsten Geräte und ihre Komponenten geliefert wird.

Am Beispiel eines Smartphones: Das Netzgerät wandelt Wechselstrom aus der Steckdose in Gleichstrom niedriger Spannung und lädt damit den Akku. Die zahllosen elektronischen Komponenten im Smartphone, von Chips, Sensoren, Antennen, Kameras, Mikrophon und Lautsprechern, benötigen jeweils unterschiedliche Spannungen — was mehrfaches Umwandeln des Stroms bedeutet. Dabei geht Energie in Form von Wärme verloren, beschreibt Hannes Voraberger, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von AT&S in Leoben. Ein doppeltes Problem: Einerseits erhitzen sich die Geräte, andererseits muss das Smartphone durch den Energieverlust rascher zurück an die Steckdose.

Jetzt erhöht AT&S beim Einsatz für Leiterplatten zur Stromversorgung von Elektronik die Spannung: „Der große Treiber der nächsten Jahre ist E-Mobilität, der Umstieg von Verbrennungsmotoren zu elektrischen Maschinen“, erklärt Voraberger. Während Smartphones mit wenigen Volt auskommen, geht es bei Motoren um 600 bis 800 Volt Spannung, damit sie ihre Leistung erbringen können. Vom Hybrid bis zum elektrischen Pkw, Lkw oder Bus sind elektronische Systeme gefordert, die Strom für die jeweils unterschiedliche Aufgabe wandeln. „Von Gleich- zu Wechselstrom von der Batterie zum Motor, oder von Wechsel- zu Gleichstrom vom Netz zur Batterie, von hoher zu niedriger Spannung und umgekehrt. Dabei gibt es große Verlust beim Wandel, und diese wollen wir durch unsere Entwicklungen mehr als halbieren“, beschreibt der Forschungschef die Herausforderung.

Dazu ist AT&S eine Partnerschaft mit einem der weltweit führenden Forschungsinstitute eingegangen, dem „Center for Power Electronics Systems“ (CPES), das aus der renommierten Universität Virginia Tech (VT) hervorging. „AT&S hat sich seinen exzellenten Ruf in der Welt mit Printed Circuit Boards erarbeitet, den Schaltkreisen um alle Transistoren und Halbleiter in mobilen Geräten zu verbinden. Und vor etwa zehn Jahren ist dazu die Versorgung der Halbleiter, der Chips, mit Strom gekommen. AT&S ist ausgezeichnet bei Portables, bei Smartphones und Computer — aber jetzt kommen neue Portables dazu, und das sind elektrische Autos“, beschreibt Dushan Boroyevich, Direktor des CPES und Associate Vice President for Research and Innovation in Energy Systems an der Virginia Tech.

„Die Frage ist: Wie können wir elektrische Autos bauen, die nicht einfach Kopien des Verbrennungsmotors sind — sondern eher Kopien eines Smartphones? So sind wir mit AT&S zusammengekommen“, sagt Boroyevich im Zoom-Gespräch mit dem AT&S-Blog. “Bisher wird die Elektronik für Starkstrom in großen Boxen zusammengebaut, es wird gelötet und geschraubt — mit Leiterplatten können wir die verschiedenen Ebenen der Schaltungen integrieren, Kunststoff zur Isolierung und Hitzeverteilung verwenden, und auch mit der nötigen Speicherung kleiner Energiemengen verbinden. Das wird unsere Autos bewegen, den Motor mit Energie versorgen. Es wird wie bei einem Smartphone aussehen, etwas größer, aber dasselbe Prinzip“, erklärt der Wissenschaftler. „CPES fertigt nichts, aber wir haben hunderte Menschen mit verrückten und genialen Ideen — AT&S weiß hingegen, wie man das produzieren und skalieren kann.”

Eines der Projekte, bei denen AT&S mit CPES zusammenarbeitet, ist die Entwicklung eines Referenzmoduls für einen „On Board Charger“, ein in E-Autos integriertes Ladegerät, mit dem ein elektrisches Fahrzeug einfach an die Haushaltssteckdose angeschlossen werden kann. Die Herausforderung sind mehrfach: Leiterplatten, die Strom mit hoher Spannung wandeln können, bei minimaler Wärmeentwicklung, reduziertem Energieverlust, Miniaturisierung und wesentlich niedrigere Kosten als bei jetziger Bauweise.

Ein neuer Werkstoff für die Leitungen — Siliciumcarbid, chemisch SiC — zusammen mit höheren Frequenzen für die Übertragung des Stroms soll diese Entwicklung ermöglichen, beschreibt Voraberger. „Siliciumcarbid kann den Strom sehr hoch und schnell wandeln, dabei ist die Temperatur geringer und Kühlung fällt als Problem weg. Das wird eine der wesentlichen Lösungen für Elektromobilität, die wir für 600 bis 800 Volt verwenden werden.“ Derzeit brauchen die für die Stromversorgung nötigen Wandler in E-Autos viel Platz, künftig soll dies eine kleine Box sein, was wiederum Gewicht spart und Reichweite erhöht.

Das Ziel ist dabei nicht nur die nötigen Leiterplatten, sondern ein Referenzmodul für Hersteller zu entwickeln, eine Gesamtlösung zur Integration sämtlicher Komponenten in einer Box: „Je kürzer die Leitungswege in der Elektrotechnik sind, desto besser, denn dadurch geht weniger Strom verloren. Wir arbeiten darum an einem hohen Maß an Verkleinerung und Integration von Bauteilen“, sagt Voraberger. „Derzeit gehen bei jeder Wandlung ein paar Prozent der Energie verloren, und das entlang des gesamten Weges, von der Stromerzeugung bis zur Steckdose, von der Steckdose zur Batterie, von der Batterie zum Motor und anderen Komponenten. Diesen Verlust wollen wir mindestens halbieren, besser noch vierteln.“