Forschungsprojekt für effizientere Elektrofahrzeuge

H3Top ist ein Forschusprojket, welches sich mit Lösungen für effizientere Elektrofahrzeuge auseinandersetzt. An dem Gemeinschaftsprojekt beteiligt sind die Robert Bosch GmbH, Infineon Technologies AG, Daimler AG, FTCAP GmbH sowie die Rheinisch-Westfälischen Technische Hochschule Aachen. Das Vorhaben setzt auf neuartige Wechselrichter, um die Leistungsfähigkeit und Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen weiter zu steigern. 3-Level-Umrichter können in Fahrzeugen mit hohen Betriebsspannungen von 800 Volt – statt der regulären 400 Volt – eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die Strombelastung von Leistungselektronik und E-Maschine reduzieren; die internen Leistungsverluste sinken um 20%.

„Wir haben für diese Anwendung einen Zwischenkreiskondensator mit einem extrem niederinduktiven Aufbau und einer sehr hohen Stromtragfähigkeit entwickelt“, so FTCAP-Geschäftsführer André Tausche. „Die Besonderheit liegt aber auch darin, dass es sich um eine integrierte Lösung handelt. Der Kondensator ist direkt an den Kühlkörper angebunden, an dem wiederum alle Bohrungen und Befestigungen für die Restelektronik angebracht sind.“

Dies ermöglicht nicht nur einen besonders kompakten Aufbau, sondern auch eine höchst effiziente Nutzung des Kühlkörpers: Er temperiert gleichzeitig die Halbleiter, die auf der integrierten Kondensatoren-Einheit oben aufliegen.

Der Hintergrund des Forschungsprojekts: Die bis dato verfügbaren Kondensatoren konnten nicht alle Anforderungen in der Elektromobilität erfüllen. Für diesen Anwendungsbereich werden kostenoptimierte Kondensatoren benötigt, die zugleich besonders niederinduktiv und schwingungsfest sein müssen. Als Automotive-Standard galt lange Zeit ein Spannungspegel von ca. 400V, was im Wesentlichen auf die verfügbaren IGBT-Leistungshalbleiter zurückzuführen war. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, ohne dass dafür noch höhere Ströme erforderlich sind, musste die Spannung auf 800V erhöht werden – das ermöglicht die neuen 3-Level-Topologie durch das Zusammenschalten von bewährten Leistungshalbleitern.

„Daraus ergab sich die Notwendigkeit, den Kondensator nicht als separate Komponente, sondern als Teil des gesamten Aufbaus zu betrachten“, so André Tausche. „Nur so lassen sich die elektrischen Verluste verringern, die Schaltfrequenzen einhalten und nicht zuletzt kostengünstige Lösungen realisieren.“ Die 3-Level-Wechselrichter-Topologie ist im Bereich der Elektromobilität neu. Sie wird aber bei Bahnanwendungen eingesetzt, für die FTCAP bereits Kondensatoren entwickelt und produziert hat.

Das Grundprinzip war also bekannt – gleichwohl unterschieden sich die Anforderungen und Entwicklungsziele beim Projekt H3Top deutlich von den bis dahin bekannten Anwendungen, sodass der Kondensator komplett neu entwickelt werden musste. Benötigt wurde eine Kapazität in Serie von 2x 630 μF und eine Nennspannung von 2x 450 Vdc. 12 Anschlussterminals für Leistungsmodule, ein direkt gekoppelter Kühlkörper, die Verteilung der DC-Spannung über interne Stromschienen und ein minimales Bauvolumen/Gewicht waren weitere Anforderungen. Zusätzlich sollte sich der Kondensator mittels eines modularen Aufbaus an unterschiedliche Leistungsklassen anpassen lassen.

„Gemäß dieser Anforderungen erarbeiteten wir zusammen mit den Projektpartnern mehrere unterschiedliche Konzepte, die die einzelnen Anforderungen unterschiedlich gut erfüllten“, erinnert sich André Tausche. „Aufgrund von verschiedenen Simulationen und Belastungsprofilen fiel die Wahl schließlich auf ein Modell, bei dem sich alle Leistungsmodule auf einer Ebene befinden. Das vereinfacht den mechanischen Aufbau und die Montage.“ Der Kühlkörper befindet sich auf der Oberfläche des Kondensators. Durch diese großflächige Anbindung kann eine optimale Kühlung gewährleistet werden. Die Verteilung der DC-Spannung lässt sich innerhalb des Kondensators verwirklichten: Die DC-Stromschienen und die dazugehörigen Verbindungen sind im Kondensator integriert und durch den gemeinsamen Verguss geschützt. Es muss nur ein gemeinsamer externer DC-Anschluss montiert werden.

Die benötigte Fläche beträgt etwa 29x21 cm. Das ermöglicht eine flache Architektur, die sich vorteilhaft auf die Kühlung und auf die Auslegung des Kondensators mit flachen Wickeln auswirkt. Flache Wickel haben einen niedrigen Innenwiderstand (ESR) und generieren auch bei hohen AC-Strömen entsprechend wenig Eigenwärme. Kurze elektrische Verbindungen zu den Leistungshalbleitern ermöglichen eine niederinduktive Anbindung für hohe Schaltfrequenzen. Nicht zuletzt machen modular gleichartig aufgebaute Teilstrukturen den Kondensator auch für andere Anwendungen erweiterbar oder auch reduzierbar. Das ist insbesondere deshalb interessant, weil sich die Lösung somit auch flexibel für weitere Projekte innerhalb des Mersen-Konzerns nutzen lässt, zu dem FTCAP seit 2018 gehört.

Zum Einsatz kommen Filmkondensatoren aus Polypropylen mit einer Zink-Metallisierung, die aus mehreren, gewickelten Einzelkondensatoren bestehen. Dies ermöglicht eine deutlich höhere Flexibilität sowohl bezüglich der Anschlüsse als auch der Gehäuseform. „Die elektrische Konstruktion basiert auf den Vorgaben von Kapazität und Spannung“, so André Tausche. „Da die Fläche einer Bank durch die Größe der darüber liegenden Leistungsmodule festgelegt war, mussten die Kondensatorwickel möglichst flach über diese Fläche verteilt werden.“ Auf Grund des Seitenverhältnisses fiel die Wahl auf vier nebeneinander stehende Wickel. Diese wurden aus einer 2,4 μm starken und 18mm breiten Polypropylen-Folie gefertigt, die mit einer 3 Ω / 37 Ω (keilförmig) Zink-Metallisierung speziell für dieses Projekt angefertigt wurde. Damit erreicht ein Wickel eine Kapazität von 78,75 μF. Jeweils zwei Wickel sind innerhalb einer Bank parallel geschaltet. Damit hat eine einzelne Bank eine Kapazität von 2x 157,5 μF. Für den gesamten Kondensator, der aus 4 parallel geschalteten Bänken besteht, ergibt sich daraus eine Kapazität von 2x 630 μF. Die internen elektrischen Verbindungen zwischen den Kondensatorwickeln und den Anschlussterminals werden weitestgehend aus Kupferblechen hergestellt.

„Der Kondensator weist diverse technische Neuerungen auf, die in dieser Form in unserem Hause bislang noch nicht angewandt wurden“, betont André Tausche. „Eine Besonderheit ist der direkt mit den Wickeln vergossene Kühlkörper, der eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet.“ Somit lassen sich die Halbleitermodule direkt auf dem Kühlkörper und trotzdem in unmittelbarer Nähe zum Kondensator verschrauben. Weiterhin wurden für den Anschluss und die Verteilung der DC-Spannung erstmalig flexible Stromschienen verwendet, welche speziell für dieses Projekt entwickelt wurden. Auch der sehr dünne (2,4μm) Film ist ein Novum – er hat alle Erwartungen voll erfüllt, insbesondere bezüglich der Spannungsfestigkeit. Last but not least ermöglicht das direkte Vergießen des Kondensators in das Umrichtergehäuse einen kompakten Aufbau mit relativ geringem Volumen. So ließen sich Materialaufwand und Kosten beschränken.

Insgesamt konnte FTCAP die für den Kondensator definierten Zielsetzungen – niedrige Induktivität, modularer Aufbau, Integration von Kühlkörper und DC-Stromschienen – auf ganzer Linie realisieren. Der von FTCAP entwickelte und hergestellte Prototyp war innerhalb des Projekts die Voraussetzung für die Errichtung von kompletten Umrichter-Einheiten, mit denen die Projektpartner umfangreiche Messungen durchführen konnten. Diese Forschungsergebnisse dienen den Herstellern der anderen Baugruppen, insbesondere der Leistungshalbleiter, als Grundlage zur Weiterentwicklung ihrer Technologien. „Über das Projekt hinaus werden die im Projekt H3Top erarbeiteten Erkenntnisse für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten genutzt“, so André Tausche. „Die Entwicklung im Bereich der Elektromobilität schreitet kontinuierlich voran – und FTCAP wird weiter dazu beitragen.“