Zwischenspeicher für Hybride Der zur Energiespeicherung im Zwischenkreis eines Hybrid-Antriebs genutzte Kondensator ist im-mensen Belastungen ausgesetzt. Durch den Einsatz der PCC-TECHNOLOGIE ergeben sich ganz neue Möglichkeiten zur Realisierung eines kompakten Kondensator-Designs für Hybride, denn bei PCCs lässt sich das vorhandene Volumen optimal ausnutzen.

Entkopplungskondensatoren, die paral-lel zur DC-Link-Kondensatorbank be-trieben werden. Falls beispielsweise Sys-tementwickler auf Grund des exzellenten EMV-Verhaltens ein Metallgehäuse be-vorzugen, können oft sogar zusätzliche EMV-Filter entfallen.

Anforderungen an den Leistungskondensator Charakteristisch für das Anforderungs-profil im Automotive-Bereich ist oft das Fehlen eines standardisierten „Mission-Profile“. Zur optimalen Dimensionierung der Zwischenkreis-Kondensatoren im HEV-Umrichter ist ein Mission-Profile wichtig und es sollte zumindest auf Fahr-zyklus-Daten basieren. Ein Beispiel dafür ist der NEDC- Fahrzyklus (Bild 2).

HEV-Umrichter müssen in den Zeit-abschnitten die Hauptlast tragen, in de-nen sich die Geschwindigkeit ändert. Während der Beschleunigung fällt die Gleichspannung und während des Bremsvorgangs steigt sie wieder an,

während die Werte des Betriebs-stroms etwa konstant bleiben. Das

bedeutet, dass es während eines Fahrzyklus’ zu einer nicht kon-

tinuierlichen Strom- und Spannungsverteilung bzw. zu einem ausgeprägten Aussetzbetrieb kommt.

Das Umgebungstem-peraturprofil stellt eine weitere Herausforde-rung beim Design des Kondensators dar. Be-sonders die Tempera-turen über 105 °C er-fordern besondere Aufmerksamkeit. Die Umgebungstempera-tur Tamb wird oft von der Temperatur des

Bild 1: Der hier blau markierte PCC-Kondensator ist direkt

kreisförmig in das Starter/Gene-rator-Gehäuse integriert

KOMPONENTEN

W enn in einem HEV-Umrichter (HEV: Hybrid Electrical Vehi-cle, Fahrzeug mit elektrischem

Hybridantrieb) ein Leistungskondensator mit minimalem Bauvolumen benötigt wird, dann ist unter Anderem das ther-misch-mechanische Design von wesent-licher Bedeutung – und zwar besonders dann, wenn dabei auch sämtliche Anfor-derungen an die erwartete Lebensdauer sowie die Zuverlässigkeit mit berücksich-tigt werden. Der Kondensator muss dabei rauen Umgebungsbedingungen wider-stehen, die thermische Stromtragfähig-keit Ith sollte sehr hoch sein und das Kon-taktiersystem ist besonders wichtig. Hin-zu kommen noch Einschränkungen bei den geometrischen Abmessungen, und während des Entwicklungsprozesses es gibt eine starke Betonung des „Design-to-Cost“-Aspekts.

Die neu entwickelte PCC-Produktfa-milie (Power Capacitor Chip) verwendet eine einzigartige, absolut ebene und fal-tenfreie Schichtwickel-Technologie im Leistungskondensator-Format und er-weitert so das seit Jahrzehnten bestens bekannte Programm der kleinen Schicht-kondensatoren. Diese Technologie stellt nicht nur die höchstmögliche Kapazität pro Volumen sicher (also den höchst-möglichen Volumen-Füllfaktor VFF), sondern sie hilft auch dabei, die Umrich-ter-Designs zu optimieren – z. B. durch Eigeninduktivitäten bis unter 20 nH. Die-se äußerst geringe Eigeninduktivität wird in der Regel durch die Integration einer Busbar in die Kondensator-Konstruktion ermöglicht, und so werden unter ande-rem unerwünschte Schwingungen bei den hohen Schaltfrequenzen vermieden. Aus diesem Grund entfallen auch die

24 AUTOMOBIL-ELEKTRONIK � Dezember 2007

Bild 2: Der NEDC-Fahrzyklus steht repräsenta-tiv für eine typische Fahrsituation. Wichtig dabei ist die Laufzeit von 1200 s oder 0,33 Stunden. Das Mission-Profile sollte an die Ge-samtzyklen des Fahrzeugs angepasst werden und ein Modell der täglichen Systemlast dar-stellen. Die bekannten Lastprofile für HEV-Converter erfordern abhängig vom Fahrzeug-typ eine Lastzeit tL zwischen 6000 und 12.000 Stunden (bzw. 25.000 Stunden bei kommer-ziellen Fahrzeugen) sowie etwa 15 Jahre Ver-fügbarkeit (oder 300.000 km).

Zeit[s]

120

100

80

60

40

20

0

0 500 1000

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

Kühlmediums im Kühlkörper beeinflusst und muss in die Überlegungen mit ein-bezogen werden.

Thermisches Design von PCCs Die thermischen Belastungen des Kon-densators lassen sich in langsame Tem-peraturänderungen und Temperatur-schocks unterteilen. Die Verteilung der Umgebungstemperatur, der Laststrom und die Spannung sind zusammen mit dem Mission-Profile wichtig für die Be-rechnung der Lebensdauer und wenn es darum geht, die erforderliche Dicke des Dielektrikums zu ermitteln, bzw. in der Lage zu sein, das Volumen des Kondensa-tors zu minimieren und die erforderliche Lebensdauer für eine definierte Ausfall-rate zu ermitteln. Dabei ist es nur mit exakten Simulationen und parallel lau-fenden detaillierten Tests möglich, De-sign- bzw. Feldausfälle zu vermeiden.

Es ist wichtig, die Verlustleistungsauf-nahme P des Kondensators für jede Zeit-spanne zusammen mit dem Mission-Pro-file zu berechnen. Bei IGBT- und ins-

besondere bei HEV-Umrichtern ist darü-ber hinaus eine extrem geringe Kreisin-duktivität erforderlich, wobei Forderun-gen für den Zwischenkreiskondensator im Bereich von Ls = 5 bis 20 nH liegen. Außerdem bestehen extrem hohe Anfor-derungen in punkto Vibrationsfestigkeit (Tabelle 1).

Die Nennspannung steigt kontinuierlich Bei Hybridantrieben steigen die Nenn-spannungen tendenziell an. Mittlerweile sind Nennspannungen UN von etwa 750 VDC bei CN-Werten von 500 bis 3000 μF ein gängiger Wert. Beim Design moder-ner HEV-Umrichter können jetzt die Sys-tementwickler ihre Strategie auf neue Al-ternativen wie PCCs ausrichten und die früher einmal beliebten Elektrolytkon-densatoren außer Acht lassen. Elektro-lytkondensatoren hatten bei Nennspan-nungen unter 450VDC den Vorteil hoher CV-Werte.

Ein allen bestens bekanntes Beispiel ist das PCU-System von Toyota: Das Mo-dell PRIUS-I war mit Elektrolytkonden-satoren bestückt, während PRIUS-II ein trockenes und harzgetränktes Filmkon-densator-Modul mit den nachfolgend ab-geschätzten Daten enthält: UN � 600 VDC,

CN �1130 μF + 282 μF + 0,1 μF, Polypro-pylenfilm mit 3 μm Filmdicke, Abmes-sungen von etwa 22 x 20 x 5cm3, Ge-wicht �3 kg.

Erhöhung der Leistungsdichte Systementwickler stehen stets vor der Herausforderung, eine höhere Ausgangs-leistung bei kleinerem Systemvolumen zu ermöglichen. Das bekannte Ziel für die Jahre ab 2010 besteht darin, das Volu-men im Vergleich zur heutzutage übli-chen Technologie mehr als zu halbieren. Dieses Ziel ermöglicht eine flexible Instal-lation der PCU, so dass HEV-Versionen für die bereits existierenden konventio-nellen Fahrzeuge angeboten werden können.

Verringerung der Kondensator- Abmessungen Vor allem zwei Maßnahmen ermögli-chen eine Verringerung der Abmessun-gen des Kondensators. Die erste davon ist das Erhöhen des Volumen-Füllfaktors VFF, wobei der VFF das Verhältnis zwi-schen dem physikalisch notwendigen Kondensatorvolumen VCphysical und dem technisch in der Praxis realisierten Kon-densatorvolumen VC_techn bezeichnet. Vereinfacht ausgedrückt ist der VFF so zu

AUTOMOBIL-ELEKTRONIK � Dezember 2007 25

Parameter Direkt am Motor

Unter der Motorhaube

Chassis

Vibration Sinus < 30 g gemischt < 3 g Rauschen < 2 g

Schock Bis zu 100 g Bis zu 20 g Bis zu 5 g

Anforderungen in punkto Vibration bzw. Schock

Tabelle 1: Die Anforderungen an die Vibrationsfestigkeit sind immens hoch

Kondensator-wickel

VFF d [μm] Ex/Eo

PCC-Schicht 1,0 3,5 1,00

Flach-Schicht 0,9 3,3 0,94

Lebensdauer [%] 100

37

Rund-Schicht 0,8 3,1 0,89 15

Lebensdauer eines 1-mF-Kondensators

Tabelle 2: Der Volumen-Füllfaktor VFF ist vereinfacht ausgedrückt die Packungsdichte der Kondensator-Black-Box

Bild 3: Topologie eines Umrichters für den Antriebsstrang eines Automobils mit Energiequelle (Hochvolt-Batterie oder Brennstoffzelle) und einem PCC als Gleichstrom-Zwischenkreiskondensator. 1) Brennstoffzelle oder Hochvolt-Batterie 2) EMV- Filter (bei einigen PCC-Designs nicht erforderlich) 3) PCC für die DC-Link-Funktion mit integrierter Stromschiene (Busbar) 4) Interface mit An-triebssteuerung 5) Überwachung und Schutzbeschaltung 6) IGBT-Brücke mit integrierter Küh-lung und Sensoren 7) Elektromotor mit hoher Spitzenleistung

7 Motor2 32 4 51 PC 7 Motor2 3

6

21 PCC 54

KOMPONENTEN

1

4

5

3

2

Dielectric1

DielectricHT- Polymer

1Dielectric

5

2, 3

Dielectric

Bild 4: Links: Querschnitt

durch unterschiedli-che Film/Folien-Auf-

bauten. Rechts: ebener und

faltenfreier Schicht-wickel im Leistungs-kondensator-Format

für PCCs:

Bild 5 zeigt die extreme geometrische Flexibilität ausgehend von einem flachen Schichtkonden-sator im Leistungskondensator-Format bis hin zu ringförmigen Kondensatoren mit großen Durchmessern. Abmessungen des PCCs: Links L x B x H ˜ 300 ... 50 x 150 ...30 x 30 ... 5 mm3, rechts D x B x H ˜ 600 ...150 x 150 ...30 x 30 ... 5 mm3.

Bild 6: Miniaturisierung per Systemintegrati-on: Der PCC ist bereits vormontiert mit Teilen des Umrichter-Gehäuses

sagen die Packungsdichte innerhalb der Kondensator-Black-Box. Die Auswir-kungen suboptimaler VFFs werden sehr oft unterschätzt. Immer dann, wenn die existierende Black-Box eine nicht opti-mierte Kondensator-Wickelbauform ent-hält, wird das Volumen nicht maximal möglich mit dielektrischem Material aus-genutzt. Aus diesem Grund ergibt sich im Vergleich zu einer mit PCC-Schicht oder fallweise auch Flachwickeln realisier-baren Lösung (mit VFF �1) ein subopti-males Packungsverhältnis und eine ver-ringerte Dicke des Kondensator-Dielek-trikums sowie zwangsläufig eine geringe-re Lebensdauer des Zwischenkreiskon-densators. Tabelle 2 erklärt diesen Effekt auf Basis einer Simulation mit einem 1-mF-Kondensator, der in einer recht-eckigen Black-Box mit den Abmessungen 180 x 100 x 50 mm3 untergebracht ist.

Die zweite Maßnahme zur Verringe-rung der Abmessungen des Kondensa-tors ist das Erhöhen des Stroms beispiels-weise durch eine höhere Schaltfrequenz zu Frequenzen von 20 kHz und darüber.

Das erklärt, warum das Kontaktiersystem für die Kreisinduktivität sowie die induk-tiven Verluste immer kritischere Fak-toren werden, wenn es darum geht, das Überhitzen des IGBT-Umrichters zu ver-hindern. Integrierte Strom- und Ther-mosensoren sind deshalb heute ein Muss.

Neue Wickeltechnologie für PCCs Die für PCCs neu entwickelte Technolo-gie kann zur Integration absolut ebener, faltenfreier und großformatiger Schicht-wickel dienen, die metallisierte Polymer-filme nutzen – und zwar PP mit einer Schichtdicke bis zu 2,5 μm und PET bis zu 1,5 μm (Bilder 3 und 4). Die PCC-Tech-nologie bietet eine hohe Flexibilität bei den geometrischen Abmessungen sowie eine extrem hohe Prozessqualität. Die Produktionslinie ist mit ihrem Polygon-wickler in der Lage, bis zu vier metalli-sierte Filme zu wickeln – ein wichtiger Punkt für eine kosteneffektive Fertigung. Eine Wellen-Glattschnitt-Kombination sorgt dafür, dass der wirksame Kontak-tierbereich Dank der mit kleinem Versatz

präzise gewickelten Mutter-Kondensato-ren die maximale Größe hat. Das Ergeb-nis ist eine besonders hohe Impulsstrom-Belastbarkeit ohne Kontaktrandproblem – ein bekanntes Qualitätsproblem, das durch den Einschnürungs-Effekt an den Folienkanten von preisgünstigen MKP-Kondensator-Wickeln auftritt.

Neue Design-Aspekte Wenn bereits in einem frühen Stadium der Umrichter-Entwicklung das Design-In eines PCCs mit in die Überlegungen einbezogen werden kann, dann lassen sich optimierte System-Lösungen imple-mentieren. EPCOS beherrscht als ein-ziger Hersteller sämtliche Wickeltech-nologien zur Kondensator-Produktion: nämlich Rund-, Flach- und Schicht-wickel im Leistungskondensator-Format. Die Nennspannungs-Bandbreite bei Schichtwickeln erstreckt sich von UN = 100 V bis 900 VDC (bei Flachwickeln da-rüber hinaus), während sich die Nenn-kapazitäts-Bandbreite an die Systeman-forderungen von CN = 50 bis 3000 μF an-passt. Kundenspezifische Lösungen sor-gen für zusätzliche Vorteile wie beispiels-weise eine optimal angepasste integrierte Stromschiene, die dem Systementwickler zusätzlichen Optimierungsspielraum für das Layout eröffnen, wobei in der Regel stets folgende Ziele verfolgt werden: � Hohe Stromtragfähigkeit beim Spit-

zen- und Effektivstrom � Hohe Überspannungsfestigkeit bis 2

mal UN � Extrem niedrige Induktivität � Hohe zulässige Umgebungstemperatur � Lange Lebensdauer � Miniaturisierung durch den Volumen-

Füllfaktor �1 (VFF = Vphys / Vtechn) � Mechatronische Systemintegration

wird leicht gemacht � Geringes Gewicht � Geringe Brandgefahr auf Grund der

1) Isolierender Bereich via „Sägeschnitt“ 2) Freirand und Wellen- Glattschnitt-Kombination 3) Präziser Versatz 4) Metall-Endspray (Schoopschicht) 5) Film, metallisiert mit Randverstärkung, eben oder querprofiliert, mit oder ohne Struktur

26 AUTOMOBIL-ELEKTRONIK � Dezember 2007

KOMPONENTEN

tungselektronik-Modulen des Umrich-ters herum kreisförmig angeordnet. Um die vorhandene kreisringförmige Black-Box in vollem Umfang auszunutzen sind die PCCs kreisförmig mit dem passenden Durchmesser aufgebaut.

Hintergrundinfos Per infoDIRECT können Sie leicht eine Langversion dieses Beitrags als PDF-Do-kument herunterladen. Diese Langver-sion beleuchtet nicht nur das Mission-Pro-file und den NEDC-Fahrzyklus näher, sondern sie liefert auch Hintergrundinfor-mationen zu Spannungs- und Tempera-turbelastung sowie zum Design eines hy-briden Komplettsystems. Darüber hinaus zeigen einige Beispiele diverse Ausfüh-rungsformen von PCC-Kondensatoren. Harald Vetter ist Produkt-Marketing-Mana-ger für Leistungs-Kondensatoren bei EPCOS

Bild 7: HEV-Umrichter der zweiten Generation mit einem kreisförmigen PCC, dessen Nennkapa-zität etwa 500 μF bei 450 VDC Nennspannung beträgt.

infoDIRECT www.all-electronics.de Link zur Langversion dieses Beitrags und zu EPCOS: 325AEL0607

trockenen Technologie � Keine Säure im Kondensator und des-

halb problemloser Einbau und Lage-rung

Bild 7 zeigt einen HEV-Umrichter der zweiten Generation mit einem kreisför-migen PCC (CN � 500 μF, UN = 450 VDC, Ith

= 200 Aeff, D = 270 mm), integrierter Bus-bar und Y-Kondensator-Funktion. Zur optimalen Nutzung der Leistungshalblei-ter muss die Streuinduktivität zwischen den Halbleitern und den PCCs minimiert werden. Daher wird der Zwischenkreis-kondensator um bzw. zwischen den Leis-

AUTOMOBIL-ELEKTRONIK � Dezember 2007 27

KOMPONENTEN