- Laadsnelheid van de accu en actieradius zijn twee van de belangrijkste punten waar mensen naar kijken, als ze een elektrische auto willen aanschaffen.
- Daar kan aanzienlijke verbetering in komen dankzij de opkomst van chips gemaakt van siliciumcarbide in omvormers.
- Chips van het buitenaardse materiaal kunnen laadsnelheden verdubbelen en de actieradius met tientallen procenten verhogen.
- Lees ook: Autofabrikanten zijn in een race verwikkeld om snelladen drastisch te verbeteren: is het slim om nog even te wachten met aankoop van een elektrische auto?
Als je denkt aan het verbeteren van de efficiëntie van een elektrische auto, dan is de kans groot dat je naar het accupakket of naar de motoren kijkt. Niet gek, want de laatste jaren worden daar de grootste stappen gemaakt.
Accupakketten worden lichter en beter in het opslaan van meer laadcapaciteit op kleinere oppervlaktes, terwijl motoren kleiner worden en meer vermogen kunnen leveren.
Hoewel de ontwikkelingen op dit gebied nog zeker niet stil staan, komt er voor een ander, ogenschijnlijk minder interessant onderdeel van de elektrische auto ook iets groots aan: de omvormer van de auto kan een stuk efficiënter worden. Dankzij siliciumcarbide (SiC).
Dit van nature op aarde niet voorkomende materiaal wordt gevormd uit een combinatie van silicium en koolstof. Wetenschappers hebben al aan het eind van de negentiende eeuw een manier gevonden om dit materiaal fabrieksmatig te produceren, maar kostenefficiëntie is daarbij lange tijd een beperkende factor geweest. Siliciumcarbide kan bij toepassing in chips voor de omvormer van een elektrische auto echter veel voordelen opleveren.
Hoewel de omvormer een niet bepaald sexy of veelbesproken onderdeel is van een elektrische auto, is hij wel essentieel. Dit onderdeel zorgt er namelijk voor dat de gelijkstroom (DC) die uit het accupakket komt, omgezet wordt naar wisselstroom (AC) waar de elektromotoren op werken.
Ook zorgt de omvormer ervoor dat wisselstroom uit het stroomnet omgezet wordt, zodat het accupakket opgeladen kan worden. Dit hoeft niet altijd in de auto te gebeuren, maar kan ook in de laadpaal plaatsvinden. In dat geval hebben we het over snelladen.
Op dit moment werkt de gemiddelde elektrische auto met een omvormer die voorzien is van siliciumtransistors. Deze hebben als nadeel dat ze vrij groot zijn, last hebben van energielekkage bij hoge voltages en vrij gevoelig zijn voor warmte. Dat zorgt ervoor dat ze in grote en zware behuizingen met adequate koeling gebouwd moeten worden.
Lastig, want deze onderdelen bevinden zich vaak in de nabijheid van componenten die ook warm worden, zoals accu’s en elektromotoren.
Betere omvormer voor elektrische auto: kleiner, sneller en bestand tegen warmte
Geloof het of niet, maar een SiC-transistor heeft van eigenlijk alle bovenstaande problemen geen of veel minder last. Hij is vele malen kleiner, wat als bijkomend voordeel heeft dat hij nagenoeg geen energielekkage heeft.
Ook kan hij zijn werk optimaal blijven doen bij hogere temperaturen en kan hij een tot wel 5 keer hoger vermogen aan dan een siliciumchip. Daardoor zijn er minder chips nodig om hetzelfde of zelfs meer werk te doen, wat resulteert in een kleinere behuizing met veel minder koeling.
Met andere woorden: een SiC-omvormer is kleiner, lichter, heeft geen of minder koeling nodig en levert veel hogere prestaties en efficiëntie dan huidige omvormers.
In de praktijk hebben de siliciumomvormers een verlies van ongeveer 20 procent. Simpel gezegd betekent dit, dat je met een volle acculading. waar je in de perfecte wereld 500 kilometer op zou kunnen afleggen, dankzij de omvormer slechts 400 kilometer mee haalt.
En ditzelfde verlies treedt ook op bij het opladen van het accupakket. Het stroomnet levert immers wisselstroom wat omgezet moet worden naar gelijkstroom die de accu accepteert.
Omdat SiC-transistoren veel efficiënter werken, zou dit verlies naar schatting vrijwel helemaal kunnen verdwijnen. We hebben het dan dus niet meer over 20 procent, maar slechts enkele procenten verlies.
Dat is op zich al een aanzienlijke winst, maar wellicht nog belangrijker is dat een SiC-transistor zijn werk ongeveer 10 keer sneller kan doen dan een reguliere siliciumtransistor. En dat zonder last te krijgen van de hogere temperaturen die daarbij komen kijken.
In de praktijk zou dit alles zich volgens experts kunnen vertalen naar een ruime verdubbeling van laadsnelheden. Je zou dus kunnen rekenen op een maximale laadsnelheid van zo’n 700 kW, waar de snelladers nu toppen op 350 kW.
Helaas kleeft hier nog wel een ‘maar’ aan. De winst die de omvormer biedt, zorgt er namelijk voor de het accupakket de beperkende factor wordt. Deze heeft nu al problemen met warmteontwikkeling bij snelladen, wat op zijn beurt de levensduur niet bevordert. Maar gelukkig vindt hier een overgang naar 800-volt systemen plaats, die deze warmteontwikkeling gedeeltelijk verminderen en tegelijk hogere laadsnelheden mogelijk maken.
De combinatie van de SiC-transistoren en een 800-volt systeem in de auto, kan er dus voor zorgen dat je in de toekomst niet uren, maar slechts minuten staat te laden langs de snelweg.
Elektrisch rijden: Formule E toont mogelijkheden van efficiëntere omvormers
In de Formule E gaan we hier volgend jaar waarschijnlijk al de eerste voorbeelden van zien. In het aankomende seizoen zal snelladen een onderdeel worden van de sport.
Het team van Jaguar TCS Racing werkt al met SiC-transistoren in hun auto. Daarmee halen ze naar eigen zeggen een laadsnelheid van 600 kW. Al plaatst Jaguar hierbij wel de kanttekening dat dit in een gecontroleerde omgeving gebeurt.
Iets wat het opschalen van het gebruik van siliciumcarbide tegenhoudt, is onder andere het feit dat SiC niet zomaar als grondstof te delven is. De laatste jaren is het productieproces echter zo sterk verbeterd, dat er ook chips mee gemaakt kunnen worden. De reden waarom fabrikanten van elektrische auto's nog niet op SiC zijn overgestapt komt, net als bij vele andere nieuwe technologieën, neer op kosten.
De productie van een plaat met SiC-transistoren is lastig en het lossnijden van de individuele componenten blijft duur omdat hier diamant voor ingezet moet worden.
Maar partijen zoals Wolfspeed, een voorloper op het gebied van de productie van SiC-chips, verwachten op niet al te lange termijn het productieproces zo onder controle te hebben dat ze op industriële schaal en tegen concurrerende kosten kunnen produceren.
Ondertussen heeft Tesla, de enige fabrikant die nu al SiC-transistoren in de Model 3 gebruikt, dat kostenplaatje blijkbaar al onder controle. De omvormer in deze auto weegt net iets meer dan vier kilo, ongeveer een derde tot de helft van de concurrentie, en de winst in actieradius en laadsnelheid die het ermee behaald, wordt waarschijnlijk gecompenseerd door het plaatsen van een kleiner accupakket en te besparen op wat andere componenten.
Met Tesla als praktijkvoorbeeld, Jaguar dat de technologie in de Formule E test en de verwachtingen omtrent hogere productievolumes in de komende jaren, is het zeer waarschijnlijk dat SiC in de nabije toekomst de efficiëntie van elektrische auto's radicaal zal verbeteren.
Wanneer de overstap gemaakt gaat worden? Volgens Wolfspeed nog vóór 2030. Als we de hints van het Formule E-team van Jaguar mogen geloven, zullen de elektrische auto's van dat merk vanaf 2025 ermee uitgerust zijn.
