Leistungselektronik für e-Fahrzeuge · MOSFET IGBT Antriebsleistung = const.Antriebsleistung =...

Dr. Martin März© Fraunhofer IISB

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DRIVE-E Akademie 2011 Berlin, 14.-18. Februar

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie,Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik (FhG IISB-ZKLM)Landgrabenstrasse 94 ● 90443 Nürnberg ● Tel. 0911/235 68-10, Fax -12www.zklm.iisb.fraunhofer.de

Dr. Martin März

Leistungselektronik für e-FahrzeugeKonzepte und Herausforderungen


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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Historie

Historie

1900 1960 1970 1980

Ein Elektroauto knackt alserster PKW die 100 km/h

Erster Hybrid-PKW(Lohner-Porsche Mixte)

Si Leistungsdiode Leistungsmodul

Bipolar-Leistungstransistor

IGBT

Leistungs-MOSFET

Kfz-Elektronik der 70-er JahreDrehstrom-GeneratorTransistorradioTransistorzündung, elektr. Benzin-einspritzung (nur als Sonderausst.)

Erfindungen


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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Historie

M M

DC-Motoren

Mechanischer Kommutator (Bürsten)begrenzte Standzeit, Wartungsbedarflimitierter Drehzahlbereichvoluminös, teuer

Regelung via Schalter und Widerständeineffizientunkomfortabel

Leis

tung

sele

ktro

nik

statt m

echa

nisch

er K

ommu

tieru

ng

AC-Motorenmit elektronischer Kommutierung

Historie

µC-S

teue

rung

EMV

Filte

r

M

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nose

Gat

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r

AC

DCIDC IAC


4

Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte

Wirkungsgrad 1) eines Antriebsumrichters

100% M97%

Moderne Umrichtersind hoch effizient, erlauben optimale Motorausnutzung bzgl. Dynamik, Drehmoment undDrehzahlbereich, sindrückspeisefähig (Rekuperation),langlebig und wartungsfrei.

Leistungsbilanz

1) ermittelt an einer 100 kW PM-Maschine

Leistungsumformung mit höchster Effizienz

Drehzahl [1/min]

Dre

hmom

ent

[Nm

]

0.85

0.90

0.970.

95

100 kW

80 kW

60 kW

40 kW

20 kW

0 2000 4000 6000 8000

200

150

100

50

0

AC

DC


5


Hochlast-VerbraucherKlima-Kompressorx-by-wireaktives FahrwerkAnbauaggregate (NFZ)

14 VBordnetz

DC

DC

DC

DC

HybridfahrzeugeElektrischerAntriebsenergie-speicherSuperCapsNiMH, Li-Ion,...

DC

DC DC

xC

AC

DC

Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge

Brennstoffzellenfahrzeuge

AC

DC HV-Bordnetz

Leistungselektronik – Schlüsselsysteme für die Autos von morgen !

optional


6


„Hochspannungs“-Bordnetz

14 VBordnetzDC

DC

Klimakompressor

Elektrischer Energiespeicher

Fahrantrieb

Das HV-Bordnetz muß aus Sicherheitsgründen (Berührschutz) vollständig (allpolig) vom Fahrzeug-Chassis elektrisch isoliert sein (sofern VHV > 60V).

AC

DC

AC

DC DC

DC

VHVChassis


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Spannungs- und Leistungsklassen

Micro-/Mild-Hybrids, Elektro-KleinstwagenE-Motorleistung: 5...20kWHV DC-Spannung: 42V...250VLeistungsschalter: MOSFET (IGBT)

Full-Hybrids, Elektro-KleinwagenE-Motorleistung: 20...60kWHV DC-Spannung: 200 V...450 (650)VLeistungsschalter: IGBT

FCEV und BEV 1), Power-Hybrids,Nutzfahrzeuge

E-Motorleistung: >60kWHV DC-Spannung: 350 V...750 VLeistungsschalter: IGBT

Star

t-Stop

Boos

t

Elek

trisch

es

Fahr

en

( )

Realisierbare Fahrzeugfunktionen:

HondaCIVICIMA

ToyotaPrius

DaimlerF600

1) FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug)BEV: Battery Electric Vehicle


8


0 1 2 3 4 5 6

100

80

60

40

20

0

Spannung [V]

Stro

m [

A]

IGBT

SJ MOSFET

IGBTStatische Ausgangscharakteristik

SJ-MOSFET

W/mm2

2 31

Dynamische Charakteristik

I

VDS

VCEt

V

ICEIDS

t

Current tail

EinschaltenEinschalten

AusschaltenAusschalten

n-sub

p+ n+

C

E G

p+

600V SchalterChipfläche: 25 mm2

Tj = 175°C


9


50 100 150 200 250 300 350 400 450

Zwischenkreisspannung VHV [V]

Um

richt

erko

sten

[a.u

.]

MOSFETIGBT

Antriebsleistung = const.Antriebsleistung = const.

( ) 10Speicher Kosten kVnK HV ⋅+∝

Energiespeicher

Aktive Masse (= Energieinhalt)Anzahl seriengeschalteter Zellen n; der Faktor k1beinhaltet den Aufwand für:

Einzelzellenelektronik (Balancing),Zellenverschienung (incl. Montage), etc.

Die HV-Bordnetzspannung ist Resultat einer individuellen Gesamtsystemoptimierung!

Antriebsumrichter VHV = ?

Optimale Traktionsspannung ?

Mit steigender Spannung sinken auch die Kabel-querschnitte, d.h. Kabelkosten und -gewichte.


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Antriebsumrichter

0 20 40 60 80 100Entnommene Ladung [%]

4,03,53,02,52,01,51,00,5

0

SuperCap

LiFePO 1)

Zelle

nspa

nnun

g[V

]

1) bei Entladung mit 4C und 25°C

Ges

amtc

hipf

läch

e [c

m²]

50

40

30

20

10

050 100 150 200 250 300 350 400 450

Max. Zwischenkreisspannung VHV,max [V]

MOSFETIGBT

P = 75 kVAP = 75 kVA

Mehraufwand für Nenn-Antriebsleistung über den vollen Zellenspannungsbereich

gestrichelt: VHV = const.

Energiespeicher Traktionsspannung


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Einstellbare, vom Belastungs- und Lade-zustand unabhängige Traktionsspannung!

VC,max

ΔVC /VC,max10% 75%

Mit einem DC/DC-Wandler zum „idealen“ elektrischen Energiespeicher

Nutzbares Energiespeichervermögen: 19% 94%

Span

nung

shub

am

Sup

erC

ap

2max,2

1max, CC VCE =

Im Kondensator maximal speicherbare Energie:

( )2min,

2max,2

1CCC VVCE −=

davon abhängig von der minimal zulässigen Klemmenspannung tatsächlich nutzbar:H

V-Bo

rdne

tz

VHV = const.

Ener

gies

peic

her

Traktionsspannungsstabilisierung

Beispiel: SuperCap

VC,min

DC

DC

DC

DC


12


+10

+8

+6

+4

+2

0

-2Wirk

ungs

grad

ände

rung

[%

]

0 20 40 60 80 100Wellenleistung [kW]

Gesamtwirkungsgrad Antriebsstrang mit Traktionsspannungsstabilisierung

AC

DC

VHV = const.

+7

+6

+5

+4

+3

+2

+1

0

Art

emis

Jam

NEF

Z

Art

emis

Hig

hway

Wirk

ungs

grad

ände

rung

[%

]

Effizienzsteigerung durch Leistungselektronik


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Halbbrücken-Topologie Bidirektionaler EnergietransferSpannungsfenster können/dürfen sich nicht überlappen!Kein Abschalten eines hoch-spannungsseitigen Kurzschlusses möglich!

VHV

VHV

VLV

V1 V2

Vollbrücken-Topologien Bidirektionaler EnergietransfermöglichSpannungsfenster dürfen überlappenBeidseitiger Kurzschlußschutz möglich

VLV

Spannungsanpassung ohne galvanische Isolation Buck/Boost-Topologien

DC

DC

DC

DC

V1 V2V1 V2


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C1

C3

C2

Miniaturisierung in der Leistungselektronik

EMVFilter

Ansätze zur Erhöhung der LeistungsdichteErhöhung der SchaltfrequenzOptimierte Schaltungstopologien (Mehrphasigkeit, Resonanzwandler, etc.) Leistungsfähigere aktive und passive BauelementeVerbesserte KühlungMultifunktionale Integration

Luft

Passive Bauelemente

Kühlung

Halbleiter

Typ. Volumensverteilung in Leistungswandlern

Aufbau- und Verbindungstechnik


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Traktionsspannungsstabilisierung Eckdaten eines modernen1) HV-DC/DC-Wandlers

1) Benchmark-Design

Wirkungsgrad: >96% (20...100 kW)Volumen: 4 Liter ( Leistungsdichte: 25 kW/dm3)Ein-/Ausgangsspannung: bis 450VKlemmenstrom: bis ±300A (bidirektional)

Technisches Konzept 12-phasiger Buck-Boost-Wandlerschnelle Si-IGBT mit SiC-Freilaufdioden100 kHz Schaltfrequenz (= 1,2 MHz Zk-Grundwelligkeit)hoch optimierte Aufbautechnik und Kühlungvoll-digitale Regelung (incl. CAN-Interface)


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14 VBordnetz


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DC/DC-Wandler (isolierend)

zusätzlich zu hoher Effizienz:hohe Regeldynamik (kein „Load-dump“), geringes Gewicht, Wartungsfreiheit.

Generator

Ausgangsleistung [kW]

Wirk

ungs

grad

[%

]

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

1009998979695949392

Drehzahl [1/min]

Gen

erat

orst

rom

[A]

0 10.000 20.000

180160140120100806040200

65%

60% 55% 50

% 45% 40% 35%

Wirkungsgradkennfeld eines Klauenpolgenerators

Wirkungsgrad

DC

DC14V400V

14V Bordnetzversorgung


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Eckdaten eines modernen1) isolierenden DC/DC-Wandlers

Wirkungsgrad: >96% (25% ... 90% Pnenn)Eingangsspannung: 240 V ... 400 VAusgangsspannung: 14,4 V Ausgangsstrom: 180 A Ausgangsleistung: 2,5 kW Bauvolumen: ¼ Liter

Leistungsdichte: 10kW/dm3

1) Benchmark-Design

14V Bordnetzversorgung

DC

DCLVHV


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14 VBordnetz


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Intelligente Netzkopplung Batterie Laden

Mobile Steckdose

Verbesserung der Netzqualität

AC

DC

Multifunktionales on-board LadegerätGalvanisch isolierendLeistung: ca. 2 kVA Bauvolumen: ca. 1,5 Liter

Drei FunktionenEin Wechselrichter !


21


Fahr

zeug

gren

ze

Vbat

M

M

Der intelligente Doppelantrieb als kostengünstiges on-board Schnellladegerät

Buck/Boost Wandler

Fahrantriebe DCoder

AC


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Hochvolt-Kabel und -Stecker sind teuer, schwer und erfordern Zusatzaufwand für elektrische Sicherheit und EMVKühlwasserverrohrung/-verschlauchung ist teuer und fehleranfälligIndividuelle Gehäuse für einzelne leistungselektronische Systeme sind teuer

Systempartitionierung – aber wie ?

OptionenZentrale Leistungselektronik

Verteilte Systeme.... ( die beste Lösung = ? )

AC

DC

AC

DC

DC

DC14 V

BordnetzDC

DC

AC

DC

Energie-speicherBildquelle: Toyota


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Probleme Eine Vielzahl geschirmter Hochvolt-Kabel und Hochstromsteckkontakte1)

Hohes ZusatzgewichtHoher Aufwand für Sicherheit, Zuverlässigkeit und EMV

Partitionierungskonzept Zentrale Leistungselektronik

BatterieKlima-

kompressor M

1) im Beispiel 11 HV-Kabel und 22 Steckkontakte


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AC

DC

Intelligenter Antrieb

„Platziere die Leistungselektronik dorthin wo sie ihrer Funktion nach hingehört!“Wirkortnahe Systemintegration

14VBordnetz

AC

DC

DC

DC

Zells

ymm

etrie

rung

Sich

erhe

itsüb

erw

achu

ng -

BMU

DC

DC

Energiemanagementsysteme in den Speicher

Umrichter an/in den Elektromotor

Intelligente Batterie

HVBordnetz


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Partitionierungskonzept Wirkortnahe Systemintegration

M

AC

AC

DC

AC

AC

DCSmart

BatteryIntelligente

BatterieIntelligenteAntriebe

Vorteile Minimale Anzahl an geschirmten Hochvolt-Kabeln und Hochstromsteckkontakten1)

Keine AC-belasteten Kabel (reine Gleichspannungsverkabelung)!Kosten und Zusatzgewicht sind minimiert

1) im Beispiel 2 HV-Kabel („daisy chain“ Verkabelung möglich) und 6 Steckkontakte


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Kostenreduzierung durch wirkortnahe Integration (Systemintegration)

Kos

ten

Technologie-Reifegrad, Produktionsvolumen

SeparatSeparat

Hohe VibrationenReduzierte Kühlmittel-temperatur (60-70°C) Hohe Vibrationen

VKM-Kühlkreislauf (115°C)

SystemintegriertSystemintegriert

1997 2005 2012

Geringe VibrationenReduzierte Kühlmittel-temperatur (60-70°C)

AngebautAngebaut

Bildquellen: Toyota, Ford, FhG-IISB


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1) Sonderfall Toyota HSD 2) je nach Antriebsleistung (bei Sportwagen und Nfz auch deutlich darüber)

Hoher Wert: ●●●: sehr wichtig ●●: wichtig ●: wünschenswert ○: weniger wichtig ○○○: unbedeutend

Hybrid (HEV) Elektroauto (EV)

Kühlmitteltemperatur (max.) 115°C 85°C

Leistungsdichte ●●● ●

Wirkungsgrad ● ●●●

Traktionsspannung < 450V 1) 50 ... 450V 2)

Ströme (HV-Bordnetz) 50 ... 200 A 100 ... 400 A

Ströme (12V-Bordnetz) 200 ... 300 A 100 ... 200 A

Systemanforderungen


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e-Antriebsplattform und -baukasten des Fraunhofer-IISB/ZKLM Elektrische Energiespeicher

Elektrische Antriebseinheiten mit integrierter Leistungselektronik

DC

AC

Netzankopplung

Smart Battery


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Bidirektionaler DC/DC-Wandler(50 kW, luftgekühlt)

Modularer Zellenstack incl. Zellüberwachung, aktivem Balancing

LiFePO4 Zellen (luftgekühlt)Nennspannung: 320 VEnergie: 2,4 kWh

Starterbatterie (14 V, Li-Ion)

Bordnetz DC/DC-Wandler (14 V, 2 kW)

Multifunktionales Netzinterface(rückspeise- und inselnetzfähiges Ladegerät)

Hybrid-TT (Plug-in Hybrid)

BMU (Battery Management Unit)

Intelligente Batterie


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Eckdaten Zwei unabhängige AsynchronmotorenEinzelradantrieb (20kW, 500 Nm je Rad)

Integrierter Doppelumrichter (300...400Vdc)

Elektrischer Einzelrad-Achsantrieb

Gemeinsamer DC-ZwischenkreiskondensatorPhasenstromsensoren

Neuartige direktgekühlte IGBT-Leistungsmodulemit isolierenden, diagnosefähigen Gate-Treibern


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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen

Belastungsprofile

Zeit in s

Ges

chw

indi

gkei

tin

km/h

US06

NEFZ

Thermische ZeitkonstantenFahrzyklen

Passive Bauelemente60...600 sec

Leistungshalbleiter0,01....5 sec

Elektromotor300....3000 sec


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Thermische ModelleStatische und transienteBauteiltemperaturen

Lebensdauer undZuverlässigkeitsmodelle

Leistungs-elektronik

Design

StrömeSpannungen

WirkungsgradeFahrleistungen, Verbrauch,Reichweite

FahrzyklusFahrzeug- und

Antriebsstrang-modelle

Verlust-berechnungen

Matlab/Simulink

Virtual System Engineering


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Geschwindigkeitsfahrzyklen Fahrzeugmodell Leistungsfahrzyklen

Zeit in s

Ges

chw

indi

gkei

tin

km/h

NEFZUS06NEFZUS06

US06

NEFZ

Zeit in s

Leis

tung

sanf

orde

rung

in W

att

NEFZUS06NEFZUS06US06

NEFZ

Virtual System Engineering


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Elektronische Bauelemente Elektrische Verbindungen (z.B. Leiterbahnen, Folienleiter, Leadframes, Bond-Drähte, Lotkugeln, o.ä.)

Elektrische Isolation, Leiterfixierung (Polymere, Keramiken)

ElektrischeVerschaltung

Bodenplatte Wärmespreizungmechanische Halterung Mechanische

OptionenThermal Interface Material (TIM)bei lösbaren Verbindungen zum Kühlkörper

Wärmetauscher Transformation des über Wärmeleitung geführten Wärmeflusses in einen durch Konvektion und/oder Strahlung getragenen Wärmefluß

Kühlmittel (Luft, Wasser/Glykol)

GrundlagenAufbautechniken


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Indirekte KühlungMit oder ohne Bodenplatte möglichMechanische Trennebene verursacht unnötige Wärmebarriere.Abstimmung der thermischen Ausdehnungs-koeffizienten (CTE) einer Vielzahl von Materialien notwendig.Fehleranfällige (TIM) und teuere Montage

Leistungsmodule (mit einseitiger Kühlung)

Direktkühlung BodenplatteNiedriger thermischer Widerstandmit hoher LangzeitstabilitätAbstimmung der CTEs einer Vielzahl von Materialien notwendig

Direktkühlung SubstratGeringstmögliche Anzahl an unterschiedlichen Materialien und InterfacesNiedriger thermischer Widerstand (mit kosten-günstigen Turbulenzkörpern, vgl. ShowerPower™)Nachteilig: etwas geringere Wärmekapazität


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Zeit in s

IGB

T-Te

mpe

ratu

rin

°C

ohne Bodenplattemit Bodenplattedoppelseitige Kühlung


Zeit in s

IGB

T-Te

mpe

ratu

rin

°C



Antriebsumrichter - IGBT Chiptemperaturen

NEFZ US06

Zeit in s

IGB

T-Te

mpe

ratu

rin

°C ohne Bodenplattemit Bodenplatte

doppelseitige Kühlung

Zeit in s

IGB

T-Te

mpe

ratu

rin

°C ohne Bodenplattemit Bodenplatte

doppelseitige Kühlung

Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik


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Chip

Bodenplatte

Lebensdauer unter TemperaturwechselbelastungBeispiel: Standard-Leistungsmodul mit Al2O3-DCB und Bodenplatte

Ergebnisse aus Forschungsprojekt LESIT

Kupfer●Aluminiumoxid-Keramik●Kupfer (DCB)


FaustregelEine Erhöhung des Temperaturhubs

um 20 Kelvin führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer

um etwa eine Größenordnung !


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Schadensbilder an Leistungsmodulen

DCB-Substrate Al-Draht-Bonds

Bildquelle: FhG-IISB


Bond lift-off

Ablösung (Delamination)Keramik – Metallisierung

Keramik-Risse


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Beispiel: Kostenstruktur Antriebsumrichter

Zwischenkreis & EMV-FilterOptimierung der Kondensatoren (Energie u. Strom je Euro) Optimierung Zwischenkreis-strukturen und Filter-komponenten

LeistungshalbleiterReduzierung der Durchlaß- und SchaltverlusteErhöhung von „Ampere per Euro“Optimiertes, steuerbares Schalt-verhalten (EMV)

Aufbautechnik & Kühler Erhöhung der Temperatur- undLastwechselfestigkeit (spez. (ΔTj)max ) Reduzierung des Wärmewiderstands(z.B. durch Wärmespreizung u/odoppelseitige Kühlung)

Steuerung & SensorenAnwendungsspezifische ICs für Gate-Treiber und Signal-konditionierungLow-cost Stromsensoren und Positions-/Drehzahlgeber„Sensorlose“ Motorregelverfahren

Hebel zur Kostensenkung und Forschungsbedarfe


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