Welche Herausforderungen an die Leistungselektronik bringt die zunehmende Elektrifizierung mit sich?

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1 Die Rolle der Leistungselektronik für die Elektromobilität: Welche Herausforderungen an die Leistungselektronik bringt die zunehmende Elektrifizierung mit sich? Dr. Robert Plikat, Dr. Christian Mertens, Dr. Immo Koch Volkswagen AG

2 E-Mobilität und Strategie Mega-Trends Klimawandel und Nachhaltigkeit Begrenzte Resourcen Uneingeschränkte Mobilität Stadtentwicklung und Megacity Globalisierung und Individualisierung Demografischer Wandel Gesundheit und Sicherheit Mehrstufige Anforderungen bezüglich der Fahrzeugentwicklung Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 2

3 Nachhaltige Mobilität Elektrotraktion Verbrennungsmotoren Konventionelle Elektrizität Konventionelle Kraftstoffe CO 2 -neutrale Elektrizität CO 2 -neutrale Kraftstoffe (flüssig, gasförmig) CO 2 - neutrale Mobilität Mehrstufiger Ansatz in Richtung nachhaltiger Mobilität Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 3

4 E-Mobilität und Strategie Antriebsstrategien Ottomotoren Antriebsstrang mit E-Maschine Elektrotraktion Dieselmotoren Brennstoffzelle Getriebe Biokraftstoffe Hybridtechnologie E-Mobilität ist ein Hauptbestandteil der Antriebsstrategien von Volkswagen Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 5

5 E-Mobilität und Strategie Marktprognosen bezüglich EVs und PHEVs Marktanteil 25 % 20 % Roland Berger (D / EV & PHEV) Bain & Company (World / EV & PHEV) EV: Electric Vehicle PHEV: Plug-In-Hybrid Electric Vehicle conenergy (D / EV & PHEV) 15 % 10 % 5 % CAR (EU / EV & PHEV) Bosch (World / EV) McKinsey (World / EV & PHEV) incremental / accelerated CAR (EU / EV & PHEV) RWE (D / EV & PHEV) Global Insight (USA / PHEV) Bosch (World / EV) Oliver Wyman (D / EV) Bundesumweltministerium (D / EV & PHEV) Boston Consulting Group (EU, USA, Japan, China / EV) Marktprognose noch immer von großer Ungewissheit geprägt. Markterfolg ist abhängig von der Marktfähigkeit der Konzepte. Jahr Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 6

6 Anforderungen an erfolgreiche Fahrzeugkonzepte Alltagstauglichkeit Information/ Kommunikation Komfort Design Kosten Sicherheit Ausstattung Fahrdynamik Verbrauch Qualität Konzepte um alle Anforderungen zu berücksichtigen Zwingend notwendig: Erfolgreiche Integration der Schlüsselkomponenten Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 7

7 Anforderungen an die Komponenten für die Elektrifizierung Lebensdauer Funktion Modularität Volumen Kosten Sicherheit Effizienz Drehmoment Gewicht Qualität Technologie um alle Anforderungen zu berücksichtigen Zwingend notwendig: Kompromiss zwischen System und Funktion Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 8

8 Anforderungen an die Leistungselektronik Funktion Volumen Kosten Strom Gewicht Technologie um alle Anforderungen zu berücksichtigen Zwingend notwendig: Kompromiss zwischen System und Funktion Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 9

9 Technologie der Leistungselektronik Technologie der E-Mobilität: Vergangenheit und Gegenwart Touareg Hybrid XL1, 1-Liter Auto E- Up! Twin DRIVE Antriebsstrangtopologien werden zu einem modularen Designkonzept führen Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 11

10 Technologie der Leistungselektronik Technologie der E-Mobilität: Vergangenheit und Gegenwart Brennstoffzellen-HEV 12V HV BZ HyMotion: Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug Zukünftige Antriebsstrangtopologien weisen zusätzliche Anforderungen auf Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 12

11 Technologie der Leistungselektronik Stand der Technik Derzeitiger Stand: 12V DC/DC und Inverter Technologie Brennstoffzellen-HEV DC/DC-Wandler Topologie 12V HV BZ U A U B Kompakte Komponenten sind für eine steigende Systemkomplexität zwingend notwendig Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 13

12 Anschlüsse Technologie der Leistungselektronik Stand der Technik Inverter Topologie Anteile der elektronischen Bauelemente am Gesamtvolumen eines Inverters (qualitativ) Filter (L, C) DC Zwischenkreis Kondensator U A U B,C,D Treiberstufen Sensoren Leistungshalbleiter Kühlung Kühlflüssigkeit Passive Bauelemente dominieren den Großteil des Gesamtvolumens Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 14

13 Phasenstromdichte Technologie der Leistungselektronik Fortschritte in der Entwicklung Das Volumen konnte im letzten Jahrzehnt um den Faktor 2,6 reduziert werden. Inverter Technologie Jahr Die Herausforderungen bezüglich des Volumens und der Stromdichte wurden angenommen aber noch nicht bewältigt Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 15

14 Filmdicke / µm Volumen / l Volumen / l Entwicklung von Teilkomponenten Beispiel: Kondensator 8 Filmdicke Volumen pro 500 µf 0,4 Automotive-Kondensatoren für 450 V, normiert auf 500 µf 6 0,3 0,8 4 0,2 0,6 0,4 2 0,1 0, Jahr Entwicklung der Filmdicke grundsätzlich verfügbar Jahr Entwicklung von Kondensatoren Realisiert für Automotive Fortschritt bei der Entwicklung von Filmkondensatoren verlangsamt sich Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 19

15 Phasenstromdichte Zukünftige Anforderungen: Technologiesprung für einen frühzeitigen Break Even Angestrebte Zahl von elektrifizierten Fahrzeugen ist nur möglich wenn die Kundenakzeptanz durch eine ausreichende Kosteneffizienz gewonnen wird Für einen frühzeitigen Break Even ist ein Technologiesprung notwendig heute Break Even Jahr Anschluss Anschluss Kühlung Antriebsstrang Lagerung Kühlung Anschluss Lagerung M Kühlung Lagerung Bisherige Sichtweise: Entwicklung der Teilkomponenten Zukünftige Sichtweise: Entwicklung auf der Systemebene Eine Funktionseinheit Gemeinsam: - Gehäuse - Anschlüsse - Kühlung Zwei Komponenten Getrennt: - Gehäuse - Anschlüsse - Kühlung Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 20

16 Kapazität / µf Optimierung auf Systemebene 500 ΔU d,max = konst. î max = konst. U d,max = i max f C C d Frequenz / khz Die Größe des Kondensators ist bei konstanter Spannung und konstantem Stromrippel reziprok zur Frequenz Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 21

17 Kapazität / µf Optimierung auf Systemebene Heutiger 3-Phasen Inverter 500 ΔU d,max = konst. î max = konst fach erhöhte Frequenz Frequenz / khz Aber: Höhere Frequenzen erfordern geringere parasitäre Induktivitäten Eine Erhöhung der Frequenz ist der erste Schritt zur Verkleinerung der passiven Bauelemente Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 22

18 Kapazität / µf Optimierung auf Systemebene 500 Heutiger 3-Phasen Inverter Aufteilung auf 10 einzelne Teilsysteme ΔU d,max = konst. î max = konst. Einzelner Kondensator 50 µf 10-fach erhöhte Frequenz 50 5 µf Frequenz / khz Der zweite Schritt ist die Aufteilung in Teilsysteme Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 23

19 Kapazität / µf Optimierung auf Systemebene 500 Heutiger 3-Phasen Inverter Aufteilung auf 10 einzelne Teilsysteme ΔU d,max = konst. î max = konst. Einzelner Kondensator 50 µf 10-fach erhöhte Frequenz 50 5 µf Frequenz / khz Optimierungen auf Systemebene weisen ein hohes Entwicklungspotenzial auf! Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 24

20 Fazit: Hohe Frequenzen und Integration mit verteilten leistungselektronischen Teilsystemen Hohe Schaltfrequenzen und Integration mit verteilten leistungselektronischen Teilsystemen ermöglichen die Verwendung von: Kleineren und schnelleren Kondensatoren Kleineren Spulen Kurzen Verbindungen und dadurch Vermeidung von zahlreichen Anschlüssen Hoch ausgenutzten Halbleitern durch Wärmespreizung Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 25

21 Schlüsseltechnologien a) Schnellschaltende Halbleiter Leistungshalbleiter (großer Bandabstand) Hohe Durchschlagsspannung Geringe statische und dynamische Verluste Hohe Frequenzen Hohe Robustheit Verringerte Kühlkomplexität Erfolgversprechende SiC Strukturen (Automotive) Schottky-Diode (SBD) Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Junction Field Effect Transistor (JFET) Bandabstand / ev Durchschlagsfestigkeit / (MV/cm) Sättigungsgeschwindigkeit / (10 7 cm/s) Wärmeleitfähigkeit / (W/cmK) Elektronenbeweglichkeit / (10 3 cm 2 /Vs) Materialcharakteristik Si 4H-SiC 2H-GaN Hohe Frequenzen erfordern geringste Schaltverluste für eine konkurrenzfähige Effizienz Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 26

22 f / Hz Schlüsseltechnologien a) Schnellschaltende Halbleiter SiC-System: Vielversprechendste Struktur: SiC-MOSFET Kombinierte Materialvorteile und fast vollständige Kompatibilität mit konventionellen Treiberstufen Hohe Stromtragfähigkeit (bis zu 300 A pro Chip) Vergleich der Einsatzbereiche von Si- und SiC-Bauelementen P / W Leistungsklasse von 100 kw bei 100 khz ist mit SiC-MOSFET-Technologie möglich Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 27

23 begrenzender r th / (m 2 K / W) Zyklenzahl Schlüsseltechnologien b) Packaging Technik Potenzial zur Wärmespreizung Cold Plate Cu-Limit Al-Limit Größe der Wärmequelle / mm Verteilung der Elektronik mit kleinen Chips pro Einheit reduziert den thermischen Widerstand Diffusionslöten Silbersintern (LTJT) IGBT4: Tvj,max=150 C; 400 μm AL T j / K Erweiterte Verbindungstechniken ermöglichen deutlich höhere Zuverlässigkeit Integrierte Systeme erfordern höchste Zuverlässigkeit Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 28

24 Paradigmenwechsel Neue Herausforderungen Regelstrategie Verteilte Komponenten Kommunikation Zuverlässigkeit Diskrete Komponente Funktion Volumen Kosten Hochfrequenz EMV Strom Gewicht Das Design des Antriebsstranges muss auf der Systemebene erfolgen. Das Design der Leistungselektronik muss bei der kleinsten funktionellen Teilkomponente beginnen Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 29

25 Zusammenfassung Derzeitige Entwicklungen auf der Komponentenebene reichen nicht aus, um die Elektrifizierung für den Massenmarkt tauglich zu machen. Die Entwicklung auf Teilkomponentenebene muss verschoben werden zu einer Entwicklung auf der Systemebene. Hochfrequentes Schalten und verteilte leistungselektronische Systeme weisen ein hohes Potenzial für Verbesserungen und Fortschritt auf. Erfolgversprechende Schlüsseltechnologien existieren bereits. Der Paradigmenwechsel resultiert in neuen Herausforderungen Dr. Plikat, Dr. Mertens Volkswagen AG - Konzernforschung 30