Leistungswandler. Schlüsselkomponenten für das Energiemanagement in Kraftfahrzeugen. Dr. Martin März

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1 VDE Kongress - GMM Fachtagung Berlin, 20. Oktober 2004 Leistungswandler Schlüsselkomponenten für das Energiemanagement in Kraftfahrzeugen Fraunhofer IISB Schottkystr. 10, Erlangen Tel / , Fax -312 martin.maerz@iisb.fraunhofer.de 1

2 VDE Kongress - GMM Fachtagung Berlin, 20. Oktober 2004 INHALT Einführung Hochleistungwandler im Kfz-Bordnetz Miniaturisierung Anwendungsbeispiele Grenzen durch heutige Leistungshalbleiter Zusammenfassung 2

3 Entwicklungstrends Automobiltechnik Verbrauchs- und Emissionsreduzierung Erhöhung des Fahrspaß und -komforts Hybridantriebe Brennstoffzelle Einsatz elektrische Energiespeicher Toyota Prius I Neuartige Verbrennungsmotoren 3

4 Schlüsselkomponenten für die Autos von morgen Brennstoffzelle DC DC kw 12V Batterie 12V Verbraucher Hybridantrieb 200V V (42V) AC DC DC kW Verbrennungsmaschine plus E-Motor/Generator DC kW Elektrischer Antriebsenergiespeicher UltraCaps NiMH, Li-Ion,... 4

5 Herausforderung Kraftfahrzeuge Niedrigste Kosten Kleinstes Bauvolumen Kühlmitteltemperaturen bis 115 C Hohe Zuverlässigkeit 5

6 Buck/Boost-Wandler V HV V LV Bidirektionale Leistungswandlung möglich! Basistopologie für das Energiemanagment 6

7 Buck/Boost-Wandler V HV V LV V HV V LV Bidirektionale Leistungswandlung Spannungsfenster dürfen nicht überlappen Hochspannungsseitig kein Kurzschlußschutz Galvanisch nicht isolierend V 1 V 2 V 1 V 2 Bidirektionale Leistungswandlung Spannungsfenster dürfen überlappen Beidseitiger Kurzschlußschutz Galvanisch nicht isolierend 7

8 Erhöhung der Leistungsdichte - Miniaturisierung V HV V LV Skalierungsgröße Schaltfrequenz Wechselstrombelastung Passive Bauelemente dominieren Bauvolumen, Gewicht und Kosten! 8

9 200A Leistungswandler Miniaturisierung der passiven Bauelemente - Beispiel I 1 I 1 2,8 kw Wechselstrombelastung von C 1 : 90A eff 42V C 1 14V Gesamtbauvolumen: 300 cm 3 9

10 Miniaturisierung der passiven Bauelemente - Beispiel I 1 n = 3 67A I 1 n Teilwandler 2,8 kw Reduzierung der Belastung Wechselstrombelastung von C 1 : <10A eff 42V C 1 14V durch Mehrphasigkeit» Silicon instead of Passives «10

11 Miniaturisierung der passiven Bauelemente Schaltungstopologie und Bauteiltechnologie Al-Elko, einphasig (90A) Al-Elko, mehrphasig (10A) Folien-C, mehrphasig (10A) Volumensfaktor ,1cm 3 Keramik-C, mehrphasig (10A) Bauvolumen [cm 3 ] 11

12 Keramik-Vielschichtkondensatoren Vorteile höchste Strombelastbarkeit sehr temperaturstabil hohes Kapazitäts-Volumen-Verhältnis sehr weiter Spannungsbereich Nachteile höhere Kosten hohe Bruchgefahr bei Bruch hohe Kurzschlußwahrscheinlichkeit sicherheitskritisch! Cracks Bildquelle: University of Maryland Diverse Abhilfemaßnahmen in Entwicklung, z.b.: 12

13 Hochleistungs-DC/DC-Wandler zur 12V-Bordnetzversorgung 2kW DC/DC Wandler 12V 42V bidirektionaler Wandler mehrphasig (»silicon instead of passives«) hohe Leistungsdichte (> 3,5W/cm 3 )»sensorlose«stromregelung digitale Steuerung und Regelung Kühlmitteltemperatur bis 105 C Wirkungsgrad 94% (max.) Fraunhofer IISB V-Lichtmaschinen Ersatz 13

14 Mit Hochleistungswandlern zum»idealen«elektrischen Energiespeicher V HV = const. Typ. Daten Klemmenspannung (V HV ): bis 500V Spitzenleistung: bis 100kW Wirkungsgrad: bis über 97% V C UltraCap V C V C / V C,max 10% 75% ungenutzter Spannungsbereich Nutzung des Energiespeichervermögens: 19% 94% 14

15 Energiemanagment im Antriebsstrang Elektromotor Fahrantrieb Brennstoffzelle AC DC V HV DC/DC-Wandler stabilisiert Fahrspannung V HV Dazu kontinuierliche Regelung zwischen beiden Energieflußrichtungen Bremsenergie auf Energiespeicher Stützung der Brennstoffzelle bei schneller Leistungsanforderung DC DC kW Elektrischer Antriebsenergiespeicher UltraCaps NiMH, Li-Ion,... 15

16 Hochleistungs-DC/DC-Wandler für Brennstoffzellenfahrzeuge 35/60kW DC/DC Wandler Fraunhofer IISB bidirektional Brennstoffzellen-Modus (opt.) mehrphasig (»Silicon instead of Passives«) hochspannungsseitig bis 450V Spannungsverhältnis bis 6 :1 (Nennlast) hohe Leistungsdichte (> 3,5W/cm 3 ) Kühlmitteltemperatur bis 85 C Wirkungsgrad >95(97)% Schutzklasse IP 54 CAN-Bus Interface 16

17 Größenvergleich 70kW DC/DC-Wandler»Notebook«Format 70kW Fraunhofer IISB W/cm 3 5 W/cm ,15 W/cm 3 PC-Netzteil Billigst-Technologie Grenze konventioneller HV-Leistungselektronik 2003 Zielleistungsdichte für Hochleistungs-DC/DC- Wandler im Kraftfahrzeug 17

18 Miniaturisierung durch Erhöhung der Schaltfrequenz V LV V T 1 T 2 V HV V Problem: Die Schaltelemente T x müssen je nach Betriebsrichtung nicht nur als sehr schnelle Schalter sondern auch als sehr schnelle Gleichrichterdioden arbeiten. Niederspannungsseitig Lösung verfügbar: Si - MOSFET Hochspannungsseitig keine brauchbare Silicium-Lösung verfügbar oder am Horizont erkennbar. 18

19 Dioden-Kommutierung V dc I Diode I I L D V DS I Diode V DS I D I L Q rr V dc I D I L Spez. Schaltverlustenergie Q rr V max 10mJ 1mJ 100µJ 10µJ 1µJ Chipfläche 25mm 2, T j = 25 C Größenordnungen 100nJ Sperrspannung [V] t 1 t 2 t 3 t 4 Schaltverlustenergie ~ V dc Q rr t Standard MOSFET FRED-FET Ultra-schnelle Silizium p/n-diode 19

20 Leistungshalbleiter für Hochvolt DC/DC-Wandler ZVT/ZCT Topologien (Si-IGBT/MOSFET/Dioden) aufwändig Si-IGBT Si-Diode (p/n) Si-IGBT SiC-Diode Si-MOSFET SiC-Diode hohe Verluste aufwändig teuer SiC-xFET Die Lösung? 30 khz 70 khz Schaltfrequenz 1) Erzielbare Systemleistungsdichten (HV, bidirektional, nicht isolierend) < 10 W/cm 3 15 W/cm 3 30 W/cm 3 1) Kühlmittelvorlauftemperatur bis 115 C! 20

21 Bidirektionaler isolierender DC/DC-Wandler 500W (1kW) 12V 400V Wirkungsgrad ca. 90% SiC-Diode plus Si-MOSFET 21

22 Zusammenfassung Hochleistungs-DC/DC-Wandler sind Schlüsselkomponenten für zukünftige Kraftfahrzeuge Forschungsbedarfe Neuartige Aufbau und Integrationstechnologien effektive Entwärmung auch der passiven Leistungsbauelemente neuartige Bauelemente für weniger Totvolumen und höchste Leistungsdichten höhere geometrische Flexibilität für mechatronische Systemintegration integrierbare EMV-Filter kostenoptimierte Fertigungstechnologien hohe Zuverlässigkeit 22