Neuer Halbleiter macht Hybrid-Motoren noch effizienter
Japanische Forscher haben eine Lösung gefunden, wie sie mit Hilfe eines neuen Halbleiters den Benzinverbrauch von Hybridmotoren noch einmal um zehn Prozent verringern können. Die Neuerung ermöglicht es zugleich das Hybrid-System in mehr Fahrzeuge zu integrieren. Auch Elektroautos proftieren davon. Toyota hofft die neuen Chips bis 2020 serienmäßig in seine Fahrzeuge einbauen zu können.
Der Kraftstoffverbrauch von Automotoren lässt sich auf ganz verschiedenen Wegen senken. Toyota geht jetzt den Weg, die Effizienz der Halbleiter in der Motorensteuerung deutlich zu erhöhen.
Foto: dpa/Uli Deck
Gemeinsam mit dem größten japanischen Autozulieferer Denso Corporation und der eigenen Entwicklungsstätte Toyota Central R&D Labs (Toyota CRDL) hat Toyota einen Halbleiter aus Siliziumkarbid entwickelt. Das Material kann im Gegensatz zu anderen Halbleitern besonders hohe Temperaturen aushalten und verringert vor allem auch den starken bisherigen Energieverlust der durch die Wärmeerzeugung entsteht.
Bisher hohe Energieverluste
Die Batterie eines Hybrid-Autos kann einen großen Teil der in Strom umgewandelten Bremsenergie speichern, was dem Energieverbrauch hilft und die Reichweite verbessert. Dabei kommt es bisher aber durch Wärmeerzeugung zu hohen Verlusten. Die PCU (Power Control Unit = Leistungsregelung) von Hybridmodellen versorgt während der Fahrt den Motor mit elektrischem Strom von der Batterie und lädt die Batterie auf wenn das Fahrzeug bremst. In der PCU befinden sich aus Silizium bestehende Leistungshalbleiter, die den Fluss und die Richtung des elektrischen Stroms steuern.
Besser aber teurer
Der neue Halbleiter aus Siliziumkarbid verringert den Energieverlust der durch die Wärmeerzeugung entsteht und schaltet den Elektrizitätsfluss sehr viel effizienter an und aus. Nach Aussagen von Toyota werden rund 25 Prozent der elektrischen Energie in Hybridfahrzeugen in nutzlose Wärme umgewandelt und davon sind rund 20 Prozent des Energieverlusts auf die derzeit verfügbaren Leistungshalbleiter zurückzuführen. Ihre Effizienz wirkt sich somit direkt auf den Kraftstoffverbrauch aus. Allerdings handelt es sich hier um eine teurere Lösung.
Das Bild zeigt links eine aktuelle Leistungselektronik von Toyota. Sie ist nicht nur schwerer und größer, sondern auch weniger effizient im Vergleich zu ihrem geplanten Nachfolger, der rechts abgebildet ist.
Quelle: Toyota
Der neue Siliziumkarbid-Chip kostet mindestens zehnmal mehr als einfache Silizium-Chips. Siliziumkarbid, eine chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, wird bereits in Computer-Chips für Züge und in Klimaanlagen eingesetzt. Es ist allerdings das erste Mal, dass das Material in Halbleitern für Autos Einsatz findet.
Kleiner und leichter
Der neue Chip erlaubt es Toyota zudem das CPU Volumen auf ein Fünftel der derzeitigen Größe zu verringern. Durch die verbesserte Effizienz können Kühler und Kondensator, die rund 40 Prozent der CPU-Größe ausmachen, deutlich verkleinert werden.
Links die Silizium-Halbleiter, rechts die aus Siliziumkarbid.
Quelle: Toyota
Das Gewicht soll von derzeit 18 auf rund vier Kilogramm reduziert werden. Die Größen- und Gewichtsverringerung soll sowohl den Kraftstoffverbrauch einsparen und es zudem ermöglichen, dass eine sehr viel größere Bandbreite von Autos mit Hybridmotoren ausgerüstet werden können.
Elektronik spielt immer wichtigere Rolle
Toyota präsentierte die neue Technik erstmals auf der Automotive Engineering Exposition vom 21. bis 23. Mai in Yokohama. Neben effizienten Motoren und aerodynamischen Verbesserungen sind die Halbleiter eine Schlüsseltechnologie, um den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken. „Ein wichtiger Weg um den Kraftstoffverbrauch zu senken ist es, die Effizienz der Halbleiter zu verbessern“, erklärte jetzt Toyota-Ingenieur Kimimori Hamada. Aus diesem Grund will Toyota die Entwicklungskapazitäten ausweiten, um die neuen Halbleiter schnellstmöglich in Serienfahrzeugen einsetzen zu können.
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