Leistungselektronik für e-fahrzeuge Konzepte und Herausforderungen

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1 DRIVE-E Akademie Erlangen, März 2010 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Konzepte und Herausforderungen Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie, Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik (FhG IISB-ZKLM) Landgrabenstrasse Nürnberg Tel. 0911/ , Fax

2 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Historie Historie Erster Hybrid-PKW (Lohner-Porsche Mixte) Kfz-Elektronik der 70-er Jahre Drehstrom-Generator Transistorradio Transistorzündung, elektr. Benzineinspritzung (Sonderausst.) Ein Elektroauto knackt als erster PKW die 100 km/h Erfindungen Si Leistungsdiode Leistungsmodul IGBT Bipolar-Leistungstransistor Leistungs-MOSFET 2

3 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Historie Historie -Motoren AC-Motoren mit elektronischer Kommutierung M Mechanischer Kommutator (Bürsten) begrenzte Standzeit, Wartungsbedarf limitierter Drehzahlbereich voluminös, teuer M Leistungselektronik statt mechanischer Kommutierung I EMV Filter µc-steuerung Schutz- und Diagnose Gate-Treiber I AC M Regelung via Schalter und Widerstände ineffizient unkomfortabel AC 3

4 Leistungsumformung mit höchster Effizienz Umrichterwirkungsgrad 1) Leistungsbilanz Drehmoment [Nm] Drehzahl [1/min] 100 kw 80 kw 60 kw 40 kw 20 kw 100% 97% M AC Moderne Umrichter sind hoch effizient, erlauben optimale Motorausnutzung bzgl. Dynamik, Drehmoment und Drehzahlbereich, sind rückspeisefähig (Rekuperation), langlebig und wartungsfrei. 1) ermittelt an einer 100 kw PM-Maschine 4

5 Leistungselektronik Schlüsselsysteme für die Autos von morgen! Brennstoffzellenfahrzeuge Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge xc Hochlast-Verbraucher Klima-Kompressor x-by-wire aktives Fahrwerk Anbauaggregate (NFZ) AC 14 V Bordnetz Hybridfahrzeuge AC HV-Bordnetz Elektrischer Antriebsenergiespeicher SuperCaps NiMH, Li-Ion,... optional 5

6 Spannungs- und Leistungsklassen Realisierbare Fahrzeugfunktionen: Micro-/Mild-Hybrids, Elektro-Kleinstwagen E-Motorleistung: kw HV -Spannung: 42 V V Leistungsschalter: MOSFET (IGBT) Full-Hybrids, Elektro-Kleinwagen E-Motorleistung: kw HV -Spannung: 200 V (650)V Leistungsschalter: IGBT FCEV und BEV 1), Power-Hybrids, Nutzfahrzeuge E-Motorleistung: >60 kw HV -Spannung: 350 V V Leistungsschalter: IGBT Start-Stop Boost Elektrisches Fahren ( ) Honda CIVIC IMA Toyota Prius Daimler F600 1) FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug) BEV: Battery Electric Vehicle 6

7 Hochspannungsbordnetz Das Hochspannungsbordnetz muß aus Sicherheitsgründen (Berührschutz) vollständig (allpolig) vom Fahrzeug-Chassis elektrisch isoliert sein (sofern V HV > 60V). V HV AC Klimakompressor Chassis Fahrantrieb 14 V Bordnetz AC Elektrischer Energiespeicher 7

8 Optimale Traktionsspannung? Antriebsumrichter V HV =? Umrichterkosten [a.u.] Antriebsleistung = const. MOSFET IGBT Zwischenkreisspannung V HV [V] Mit steigender Spannung sinken auch die Kabelquerschnitte, d.h. Kabelkosten und -gewichte. Energiespeicher Kosten Speicher 0 ( V ) k 1 K + n HV Aktive Masse (= Energieinhalt) Anzahl seriengeschalteter Zellen n; der Faktor k 1 beinhaltet den Aufwand für: Einzelzellenelektronik (Balancing), Zellenverschienung (incl. Montage), etc. Die HV-Bordnetzspannung ist Resultat einer individuellen Gesamtsystemoptimierung! 8

9 Traktionsspannung Energiespeicher Antriebsumrichter Mehraufwand für Nenn-Antriebsleistung über den vollen Zellenspannungsbereich Zellenspannung [V] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 LiFePO 1) SuperCap Gesamtchipfläche [cm²] P = 75 kva 20 MOSFET 10 IGBT gestrichelt: V HV = const Entnommene Ladung [%] Max. Zwischenkreisspannung V HV,max [V] 1) bei Entladung mit 4C und 25 C 9

10 Traktionsspannungsstabilisierung Mit /-Wandler zum idealen elektrischen Energiespeicher V HV = const. Beispiel: SuperCap Im Kondensator maximal speicherbare Energie: V C,max V C,min ΔV C /V C,max 10% 75% HV-Bordnetz Energiespeicher 1 2 C, max C V 2 C,max E = davon abhängig von der minimal zulässigen Klemmenspannung tatsächlich nutzbar: E C = 1 2 C 2 2 ( V V ) C,max C,min Spannungshub am SuperCap Einstellbare, vom Belastungs- und Ladezustand unabhängige Traktionsspannung! Nutzbares Energiespeichervermögen: 19% 94% 10

11 Spannungsanpassung ohne galvanische Isolation Buck/Boost-Topologien V HV V LV V HV V LV Halbbrücken-Topologie Bidirektionaler Energietransfer Spannungsfenster können/dürfen sich nicht überlappen! Kein Abschalten eines hochspannungsseitigen Kurzschlusses möglich! V 1 V 2 V 1 V 2 V 1 V 2 Vollbrücken-Topologien Bidirektionaler Energietransfer möglich Spannungsfenster dürfen überlappen Beidseitiger Kurzschlußschutz möglich 11

12 Miniaturisierung in der Leistungselektronik Typ. Volumensverteilung in Leistungswandlern EMV Filter C 1 C 2 Kühlung Luft C 3 Halbleiter Aufbau- und Verbindungstechnik Passive Bauelemente Ansätze zur Erhöhung der Leistungsdichte Erhöhung der Schaltfrequenz Optimierte Schaltungstopologien (Mehrphasigkeit, Resonanzwandler, etc.) Leistungsfähigere aktive und passive Bauelemente Verbesserte Kühlung Multifunktionale Integration 12

13 Traktionsspannungsstabilisierung Eckdaten eines modernen 1) HV-/-Wandlers Wirkungsgrad: >96% ( kw) Volumen: 4 Liter ( Leistungsdichte: 25 kw/dm 3 ) Ein-/Ausgangsspannung: bis 450V Klemmenstrom: bis ±300A (bidirektional) Technisches Konzept 12-phasiger Buck-Boost-Wandler schnelle Si-IGBT mit SiC-Freilaufdioden (SiC an Stelle quasiresonanter Topologien mit einer Vielzahl schwer miniaturisierbarer passiver Bauelemente) 100 khz Schaltfrequenz (= 1,2 MHz Zk-Grundwelligkeit) hoch optimierte Aufbautechnik und Kühlung voll-digitale Regelung (incl. CAN-Interface) 1) Benchmark-Design 13

14 Effizienzsteigerung durch Leistungselektronik Gesamtwirkungsgrad Antriebsstrang mit Traktionsspannungsstabilisierung Wirkungsgradänderung [%] Wellenleistung [kw] AC Wirkungsgradänderung [%] V HV = const. Artemis Jam NEFZ Artemis Highway 14

15 14 V Bordnetz 15

16 14V Bordnetzversorgung Generator Wirkungsgradkennfeld eines Klauenpolgenerators Generatorstrom [A] Drehzahl [1/min] 65% 60% 55% 50% 45% 40% 35% /-Wandler (isolierend) Wirkungsgrad Wirkungsgrad [%] 400V ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Ausgangsleistung [kw] zusätzlich zu hoher Effizienz: hohe Regeldynamik (kein Load-dump ), geringes Gewicht, Wartungsfreiheit. 14V 16

17 14V Bordnetzversorgung Eckdaten eines modernen 1) Bordnetz-/-Wandlers Wirkungsgrad: >96% (25%... 90% P nenn ) Eingangsspannung: 240 V V Ausgangsspannung: 14,4 V Ausgangsstrom: 180 A Ausgangsleistung: 2,5 kw Bauvolumen: ¼ Liter HV LV Leistungsdichte: 10 kw/dm 3 1) Benchmark-Design 17

18 14 V Bordnetz 18

19 Intelligente Netzkopplung Batterie Laden Drei Funktionen Ein Wechselrichter! Mobile Steckdose AC Verbesserung der Netzqualität Resonanzwandler mit aktivem Netz-Frontend Galvanisch isolierend 2 kva in 1,5 Liter Bauvolumen 19

20 Systempartitionierung aber wie? Hochvolt-Kabel und -Stecker sind teuer, schwer und erfordern Zusatzaufwand für elektrische Sicherheit und EMV Kühlwasserverrohrung/-verschlauchung ist teuer und fehleranfällig Individuelle Gehäuse für einzelne leistungselektronische Systeme sind teuer Optionen Zentrale Leistungselektronik AC Bildquelle: Toyota Energiespeicher 14 V Bordnetz Verteilte Systeme AC AC... ( die beste Lösung =? ) 20

21 Wirkortnahe Integration - das FhG-IISB Partitionierungskonzept Energiemanagementsysteme in den Speicher Smart Battery Umrichter in den e-antrieb AC Eine wirkortnahe Integration minimiert HV-Verkabelungsaufwand, Kosten, Gewicht und Bauvolumen HV-Bordnetz 14V Bordnetz AC Zellsymmetrierung Sicherheitsüberwachung - BMU 21

22 Kostenreduzierung durch wirkortnahe Integration (Systemintegration) Separat Kosten Angebaut Systemintegriert Geringe Vibrationen Reduzierte Kühlmitteltemperatur (60-70 C) Hohe Vibrationen Reduzierte Kühlmitteltemperatur (60-70 C) Hohe Vibrationen VKM-Kühlkreislauf (115 C) Bildquellen: Toyota, Ford, FhG-IISB Technologie-Reifegrad, Produktionsvolumen 22

23 Systemanforderungen Hybrid (HEV) Elektroauto (EV) Kühlmitteltemperatur (max.) 115 C 85 C Leistungsdichte Wirkungsgrad Traktionsspannung < 450V 1) V 2) Ströme (HV-Bordnetz) A A Ströme (12V-Bordnetz) A A Hoher Wert: : sehr wichtig : wichtig : wünschenswert : weniger wichtig : unbedeutend 1) Sonderfall Toyota HSD 2) je nach Antriebsleistung (bei Sportwagen und Nfz auch deutlich darüber) 23

24 e-antriebsplattform und -baukasten des Fraunhofer-IISB/ZKLM Elektrische Energiespeicher Smart Battery Elektrische Antriebseinheiten mit integrierter Leistungselektronik Netzankopplung AC 24

25 Smart Battery für Hybrid-TT Modularer Zellenstack (incl. Zellsymmetrierung) LiFePO 4 Zellen Nennspannung: 320 V Energie: 2,4 kwh Starterbatterie (14 V, Li-Ion) Bordnetz /-Wandler (14 V, 2 kw) Bidirektionaler /-Wandler (50 kw, luftgekühlt) Multifunktionaler /AC-Wandler (Laden, V2G, mobile Netzsteckdose) 25

26 Elektrischer Einzelrad-Achsantrieb Eckdaten Zwei unabhängige Asynchronmotoren Einzelradantrieb (20 kw, 500 Nm je Rad) Integrierter Doppelumrichter ( V dc ) Gemeinsamer -Zwischenkreiskondensator Phasenstromsensoren Neuartige direktgekühlte IGBT-Leistungsmodule mit isolierenden, diagnosefähigen Gate-Treibern 26

27 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Belastungsprofile Fahrzyklen Thermische Zeitkonstanten US06 Passive Bauelemente sec Elektromotor sec Geschwindigkeit in km/h NEFZ Zeit in s Leistungshalbleiter 0, sec 27

28 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Virtual System Engineering Fahrzyklus Lebensdauer und Zuverlässigkeitsmodelle Matlab/Simulink Ströme Spannungen Leistungselektronik Design Statische und transiente Bauteiltemperaturen Fahrleistungen, Verbrauch, Reichweite Thermische Modelle Wirkungsgrade Fahrzeug- und Antriebsstrangmodelle Verlustberechnungen 28

29 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Virtual System Engineering Geschwindigkeitsfahrzyklen Fahrzeugmodell Leistungsfahrzyklen Geschwindigkeit in km/h US06 NEFZ US06 NEFZ Leistungsanforderung in Watt US06 NEFZ US06 NEFZ Zeit in s Zeit in s 29

30 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Aufbautechniken Grundlagen Elektronische Bauelemente Elektrische Verbindungen (z.b. Leiterbahnen, Folienleiter, Leadframes, Bond-Drähte, Lotkugeln, o.ä.) Elektrische Isolation, Leiterfixierung (Polymere, Keramiken) Bodenplatte Wärmespreizung mechanische Halterung Thermal Interface Material (TIM) bei lösbaren Verbindungen zum Kühlkörper Elektrische Verschaltung Mechanische Optionen Wärmetauscher Transformation des über Wärmeleitung geführten Wärmeflusses in einen durch Konvektion und/oder Strahlung getragenen Wärmefluß Kühlmittel (Luft, Wasser/Glykol) 30

31 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Leistungsmodule (mit einseitiger Kühlung) Indirekte Kühlung Mit oder ohne Bodenplatte möglich Mechanische Trennebene verursacht unnötige Wärmebarriere. Abstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) einer Vielzahl von Materialien notwendig. Fehleranfällige (TIM) und teuere Montage Direktkühlung Bodenplatte Niedriger thermischer Widerstand mit hoher Langzeitstabilität Abstimmung der CTEs einer Vielzahl von Materialien notwendig Direktkühlung Substrat Geringstmögliche Anzahl an unterschiedlichen Materialien und Interfaces Niedriger thermischer Widerstand (mit kostengünstigen Turbulenzkörpern, vgl. ShowerPower ) Nachteilig: etwas geringere Wärmekapazität 31

32 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Temperaturzyklen die Herausforderung für jede Leistungselektronik Antriebsumrichter - IGBT Chiptemperaturen NEFZ US06 IGBT-Temperatur in C ohne Bodenplatte mit Bodenplatte doppelseitige Kühlung IGBT-Temperatur in C ohne Bodenplatte mit Bodenplatte doppelseitige Kühlung Zeit in s Zeit in s 32

33 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Temperaturzyklen die Herausforderung für jede Leistungselektronik Lebensdauer unter Temperaturwechselbelastung Beispiel: Standard-Leistungsmodul mit Al 2 O 3 -B und Bodenplatte Kupfer Aluminiumoxid-Keramik Kupfer (B) Chip Bodenplatte Ergebnisse aus Forschungsprojekt LESIT Faustregel Eine Erhöhung des Temperaturhubs um 20 Kelvin führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer um etwa eine Größenordnung! 33

34 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Temperaturzyklen die Herausforderung für jede Leistungselektronik Schadensbilder an Leistungsmodulen B-Substrate Al-Draht-Bonds Keramik-Risse Bond lift-off Ablösung (Delamination) Keramik Metallisierung Bildquelle: FhG-IISB 34

35 Leistungselektronik für e-fahrzeuge Herausforderungen Hebel zur Kostensenkung und Forschungsbedarfe Beispiel: Kostenstruktur Antriebsumrichter Zwischenkreis & EMV-Filter Optimierung der Kondensatoren (Energie u. Strom je Euro) Optimierung Zwischenkreisstrukturen und Filterkomponenten Leistungshalbleiter Reduzierung der Durchlaß- und Schaltverluste Erhöhung von Ampere per Euro Optimiertes, steuerbares Schaltverhalten (EMV) Steuerung & Sensoren Anwendungsspezifische ICs für Gate-Treiber und Signalkonditionierung Low-cost Stromsensoren und Positions-/Drehzahlgeber Sensorlose Motorregelverfahren Aufbautechnik & Kühler Erhöhung der Temperatur- und Lastwechselfestigkeit (spez. (ΔT j ) max ) Reduzierung des Wärmewiderstands (z.b. durch Wärmespreizung u/o doppelseitige Kühlung) 35

36 DRIVE-E Akademie Erlangen, März 2010 Gemeinsam die Zukunft gestalten! Ihr kompetenter Partner in allen Fragen der Leistungselektronik und rund um den elektrischen Antriebsstrang Hauptsitz Erlangen Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (FhG-IISB) Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik (FhG IISB-ZKLM) Landgrabenstrasse Nürnberg Tel. 0911/ , Fax ZKLM Nürnberg