Um die Elektromobilität voranzutreiben, sind effiziente E-Antriebe erforderlich. Mit einem neuentwickelten niederinduktiven Kondensator, der für die Anforderungen einer 3-Level-Topologie optimiert ist, soll eine Effizienzsteigerung von E-Antrieben nun möglich sein, besonders bei 800 V.
Bild 1: Im Rahmen des Forschungsprojekts H3Top hat FTCAP einen niederinduktiven Kondensator entwickelt und hergestellt, der in E-Autos mit 800 V Einsatz finden kann. (Bild: Mersen)
Im Rahmen des Elektromobilitäts-Forschungsprojekts „H3Top“ hat FTCAP einen niederinduktiven Kondensator entwickelt und hergestellt, der zusammen mit Kühlkörper und Gehäuse eine integrierte mechanische Einheit bildet (Bilder 1 und Bild 2). Durch einen schmalen, mit Zink metallisierten Polypropylenfilm gelang es, den Innenwiderstand und damit die Verlustleistung des Kondensators gering zu halten.
Bild 1: Im Rahmen des Forschungsprojekts H3Top hat FTCAP einen niederinduktiven Kondensator entwickelt und hergestellt, der in E-Autos mit 800 V Einsatz finden kann. Mersen
Bei dem Kondensator handelt es sich um eine integrierte Lösung, die direkt an den Kühlkörper angebunden ist, an dem wiederum alle Bohrungen und Befestigungen für die Restelektronik angebracht sind. Dies ermöglicht nicht nur einen besonders kompakten Aufbau, sondern auch eine effizientere Nutzung des Kühlkörpers: Er temperiert gleichzeitig die Halbleiter, die auf der integrierten Kondensatoren-Einheit oben aufliegen.
Bild 2: Der Kondensator bildet mit dem aufgesetzten Kühlkörper und dem Gehäuse eine integrierte mechanische Einheit. Mersen
H3Top ist ein gemeinsames Forschungsprojekt von Robert Bosch, Infineon Technologies, Daimler, FTCAP sowie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Das Vorhaben setzt auf neuartige Wechselrichter, um die Leistungsfähigkeit und Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen weiter zu steigern. 3-Level-Umrichter lassen sich in Fahrzeugen mit hohen Betriebsspannungen von 800 V – statt der regulären 400 V – einsetzen. Dadurch ist die Strombelastung von Leistungselektronik und E-Maschine reduzierbar und die internen Leistungsverluste sinken um 20 Prozent.
Bisher verfügbare Kondensatoren konnten nicht alle Anforderungen in der Elektromobilität erfüllen. Für diesen Anwendungsbereich sind kostenoptimierte Kondensatoren erforderlich, die zugleich besonders niederinduktiv und schwingungsfest sein müssen. Als Automotive-Standard galt lange Zeit ein Spannungspegel von 400 V, 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 800 V erhöht werden – das ermöglicht die neue 3-Level-Topologie durch das Zusammenschalten von bewährten Leistungshalbleitern. Um dies zu erreichen, war es erforderlich, den neuen Kondensator nicht als separate Komponente, sondern als Teil des gesamten Aufbaus zu betrachten.
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 eine komplette Neuentwicklung erfahren musste. Benötigt wurde eine Kapazität in Serie von 2 × 630 μF und eine Nennspannung von 2 × 450 VDC. Zwölf 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.
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Bild 3: Aufgrund von verschiedenen Simulationen und Belastungsprofilen fiel die Wahl auf ein Modell, bei dem sich alle Leistungsmodule auf einer Ebene befinden. Mersen
Nach verschiedenen Simulationen und Belastungsprofilen haben die Entwickler von FTCAP sich mit ihren Projektpartnern auf ein Modell geeinigt, bei dem sich alle Leistungsmodule auf einer Ebene befinden (Bild 3). Dies vereinfacht den mechanischen Aufbau und die Montage.
Der Kühlkörper befindet sich auf der Oberfläche des Kondensators. Durch diese großflächige Anbindung ist eine gute Kühlung möglich. Die Verteilung der DC-Spannung lässt sich innerhalb des Kondensators verwirklichen: Die DC-Stromschienen und die dazugehörigen Verbindungen sind im Kondensator integriert und durch den gemeinsamen Verguss geschützt. Notwendig ist lediglich die Montage eines gemeinsamen externen DC-Anschlusses.
Die benötigte Fläche beträgt etwa 29 × 21 cm². 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.
Bild 4: Der H3Top-Kondensator besteht insgesamt aus vier parallel geschalteten Bänken, im Bild eine reduzierte Hardware mit zwei Bänken für 80 kW. Mersen
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. Da die Fläche einer Bank durch die Größe der darüber liegenden Leistungsmodule festgelegt war, mussten die Entwickler die Kondensatorwickel möglichst flach über diese Fläche verteilen (Bild 4).
Auf Grund des Seitenverhältnisses fiel die Wahl auf vier nebeneinander stehende Wickel. Diese sind aus einer 2,4 μm starken und 18 mm 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 2 × 157,5 μF. Für den gesamten Kondensator, der aus vier parallel geschalteten Bänken besteht, ergibt sich daraus eine Kapazität von 2 × 630 μF. Die internen elektrischen Verbindungen zwischen den Kondensatorwickeln und den Anschlussterminals bestehen weitestgehend aus Kupferblechen.
Eine Besonderheit des Kondensators ist der direkt mit den Wickeln vergossene Kühlkörper, der eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht. Somit lassen sich die Halbleitermodule direkt auf dem Kühlkörper und trotzdem in unmittelbarer Nähe zum Kondensator verschrauben. Weiterhin kamen für den Anschluss und die Verteilung der DC-Spannung erstmalig flexible Stromschienen zum Einsatz. Auch der sehr dünne (2,4 μm) Film erfüllt die Erwartungen, 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.
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