Leistungselektronik für e-Fahrzeuge - DRIVE-E

DRIVE-E Akademie
Erlangen, 8.-12. März 2010
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge
Konzepte und Herausforderungen
Dr. Martin März
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 -12
www.zklm.iisb.fraunhofer.de
1
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Historie
Historie
Kfz-Elektronik der 70-er Jahre
„ Drehstrom-Generator
„ Transistorradio
„ Transistorzündung, elektr. Benzineinspritzung (Sonderausst.)
Erster Hybrid-PKW
(Lohner-Porsche Mixte)
Ein Elektroauto knackt als
erster PKW die 100 km/h
1900
1960
1970
Si Leistungsdiode
Erfindungen
Leistungsmodul
Bipolar-Leistungstransistor
1980
IGBT
Leistungs-MOSFET
2
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Historie
Historie
DC-Motoren
„ Mechanischer Kommutator (Bürsten)
Ö begrenzte Standzeit, Wartungsbedarf
Ö limitierter Drehzahlbereich
Ö voluminös, teuer
„ Regelung via Schalter und Widerstände
Schutz- und Diagnose
Gate-Treiber
EMV Filter
IDC
µC-Steuerung
statt mechanischer Kommutierung
M
Leistungselektronik
M
AC-Motoren
mit elektronischer Kommutierung
M
IAC
DC
AC
Ö ineffizient
Ö unkomfortabel
3
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Leistungsumformung mit höchster Effizienz
Umrichterwirkungsgrad 1)
Leistungsbilanz
0.97
150
0.95
100%
0.85
0.90
Drehmoment [Nm]
200
100 kW
100
80 kW
60 kW
50
40 kW
20 kW
0
0
2000
4000
Drehzahl [1/min]
1) ermittelt an einer 100 kW PM-Maschine
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
6000
8000
DC
AC
97%
M
Moderne Umrichter
„ sind hoch effizient,
„ erlauben optimale Motorausnutzung
bzgl. Dynamik, Drehmoment und
Drehzahlbereich, sind
„ rückspeisefähig (Rekuperation),
„ langlebig und wartungsfrei.
4
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Leistungselektronik – Schlüsselsysteme für die Autos von morgen !
Brennstoffzellenfahrzeuge
Hochlast-Verbraucher
DC
DC
xC
DC
„
„
„
„
Klima-Kompressor
x-by-wire
aktives Fahrwerk
Anbauaggregate (NFZ)
Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge
DC
DC
AC
DC
14 V
Bordnetz
Hybridfahrzeuge
DC
AC
DC
optional
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
HV-Bordnetz
DC
Elektrischer
Antriebsenergiespeicher
SuperCaps
NiMH, Li-Ion,...
5
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Start-Stop
Boost
Elektrisches
Fahren
Spannungs- und Leistungsklassen
Micro-/Mild-Hybrids, Elektro-Kleinstwagen
„ E-Motorleistung: 5...20 kW
„ HV DC-Spannung: 42 V...250 V
„ Leistungsschalter: MOSFET (IGBT)
9
9
(9)
Full-Hybrids, Elektro-Kleinwagen
„ E-Motorleistung: 20...60 kW
„ HV DC-Spannung: 200 V...450 (650)V
„ Leistungsschalter: IGBT
9
9
9
FCEV und BEV 1), Power-Hybrids,
Nutzfahrzeuge
„ E-Motorleistung: >60 kW
„ HV DC-Spannung: 350 V...750 V
„ Leistungsschalter: IGBT
9
Realisierbare Fahrzeugfunktionen:
1) FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug)
BEV: Battery Electric Vehicle
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Honda
CIVIC
IMA
Toyota
Prius
9
9
Daimler
F600
6
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Hochspannungsbordnetz
Klimakompressor
Das Hochspannungsbordnetz
muß aus Sicherheitsgründen
(Berührschutz) vollständig (allpolig)
vom Fahrzeug-Chassis elektrisch
isoliert sein (sofern VHV > 60V).
DC
AC
Chassis
VHV
DC
DC
Fahrantrieb
14 V
Bordnetz
DC
AC
DC
DC
Elektrischer
Energiespeicher
7
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Optimale Traktionsspannung ?
VHV = ?
Antriebsumrichter
Energiespeicher
Umrichterkosten [a.u.]
Antriebsleistung
Antriebsleistung == const.
const.
Kosten Speicher ∝ K 0 + n (VHV ) ⋅ k1
MOSFET
„ Aktive Masse (= Energieinhalt)
IGBT
50
100 150
200 250 300 350
400 450
„ Anzahl seriengeschalteter Zellen n; der Faktor k1
beinhaltet den Aufwand für:
ƒ Einzelzellenelektronik (Balancing),
ƒ Zellenverschienung (incl. Montage), etc.
Zwischenkreisspannung VHV [V]
Mit steigender Spannung sinken auch die Kabelquerschnitte, d.h. Kabelkosten und -gewichte.
Die HV-Bordnetzspannung ist Resultat einer
individuellen Gesamtsystemoptimierung!
8
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Traktionsspannung
Antriebsumrichter
Energiespeicher
Zellenspannung [V]
4,0
3,5
LiFePO 1)
3,0
2,5
2,0
1,5
SuperCap
1,0
0,5
0
0
20
40
60
80
Entnommene Ladung [%]
1) bei Entladung mit 4C und 25°C
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
100
Gesamtchipfläche [cm²]
Mehraufwand für Nenn-Antriebsleistung
über den vollen Zellenspannungsbereich
50
P
P == 75
75 kVA
kVA
40
30
20
10
0
50
MOSFET
IGBT
gestrichelt: VHV = const.
100 150
200 250 300 350
400 450
Max. Zwischenkreisspannung VHV,max [V]
9
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Traktionsspannungsstabilisierung
Mit DC/DC-Wandler zum „idealen“ elektrischen Energiespeicher
VHV = const.
ΔVC / VC,max
Beispiel: SuperCap
DC
Im Kondensator maximal
speicherbare Energie:
Einstellbare, vom Belastungs- und Ladezustand unabhängige Traktionsspannung!
EC ,max =
1
2
10%
75%
19%
94%
C VC2,max
Spannungshub
am SuperCap
Energiespeicher
HV-Bordnetz
DC
VC,max
VC,min
davon abhängig von der minimal
zulässigen Klemmenspannung
tatsächlich nutzbar:
EC =
1
2
(
C VC2,max − VC2,min
)
Nutzbares Energiespeichervermögen:
10
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Spannungsanpassung ohne galvanische Isolation
DC
DC
Buck/Boost-Topologien
Halbbrücken-Topologie
VHV
VHV
VLV
VLV
„ Bidirektionaler Energietransfer
„ Spannungsfenster können/dürfen
sich nicht überlappen!
„ Kein Abschalten eines hochspannungsseitigen Kurzschlusses
möglich!
Vollbrücken-Topologien
V1
V1
V2
V1
V2
V2
„ Bidirektionaler Energietransfer
möglich
„ Spannungsfenster dürfen
überlappen
„ Beidseitiger Kurzschlußschutz
möglich
11
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Miniaturisierung in der Leistungselektronik
Typ. Volumensverteilung in Leistungswandlern
EMV
Filter
C1
Luft
Kühlung
C2
C3
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
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Traktionsspannungsstabilisierung
Eckdaten
eines modernen1) HV-DC/DC-Wandlers
„
„
„
„
Wirkungsgrad: >96% (20...100 kW)
Volumen: 4 Liter (Ö Leistungsdichte: 25 kW/dm3)
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
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
13
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Effizienzsteigerung durch Leistungselektronik
+10
+8
DC
0
0
20
40
60
80
Wellenleistung [kW]
100
+5
+4
+3
+2
+1
Artemis Highway
+2
+6
NEFZ
+4
+7
Artemis Jam
+6
-2
VHV = const.
AC
Wirkungsgradänderung [%]
Wirkungsgradänderung [%]
Gesamtwirkungsgrad Antriebsstrang mit Traktionsspannungsstabilisierung
0
14
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
14 V
Bordnetz
15
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
14V Bordnetzversorgung
Generator
DC/DC-Wandler (isolierend)
Wirkungsgradkennfeld
eines Klauenpolgenerators
Wirkungsgrad
400V
Wirkungsgrad [%]
100
160
140
120
100
40
35
%
40
%
50
%
45
%
60
55
%
80
65
%
60
%
Generatorstrom [A]
180
DC
14V
99
98
97
96
95
94
93
92
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
Ausgangsleistung [kW]
20
0
DC
0
10.000
Drehzahl [1/min]
20.000
zusätzlich zu hoher Effizienz:
„ hohe Regeldynamik (kein „Load-dump“),
„ geringes Gewicht, Wartungsfreiheit.
16
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
14V Bordnetzversorgung
Eckdaten
eines modernen1) Bordnetz-DC/DC-Wandlers
„ Wirkungsgrad: >96% (25% ... 90% Pnenn)
„
„
„
„
„
Eingangsspannung: 240 V ... 400 V
Ausgangsspannung: 14,4 V
Ausgangsstrom: 180 A
Ausgangsleistung: 2,5 kW
Bauvolumen: ¼ Liter
HV
DC
DC
LV
Ö Leistungsdichte: 10 kW/dm3
1) Benchmark-Design
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
17
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
14 V
Bordnetz
18
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Intelligente Netzkopplung
Batterie Laden
Drei Funktionen
Ein Wechselrichter !
DC
Mobile Steckdose
Verbesserung der Netzqualität
AC
„ Resonanzwandler mit
aktivem Netz-Frontend
„ Galvanisch isolierend
„ 2 kVA in 1,5 Liter Bauvolumen
19
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
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
Bildquelle: Toyota
„ Verteilte Systeme
„ .... ( die beste Lösung = ? )
AC
DC
DC
Energiespeicher
DC
DC
14 V
Bordnetz
DC
AC
AC
DC
DC
20
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
„Wirkortnahe Integration“ - das FhG-IISB Partitionierungskonzept
„ Energiemanagementsysteme in den Speicher
„ Umrichter in den e-Antrieb
HV-Bordnetz
DC
DC
DC
14V
Bordnetz
DC
DC
DC
Eine wirkortnahe Integration minimiert
„ HV-Verkabelungsaufwand,
„ Kosten, Gewicht und
„ Bauvolumen
AC
Zellsymmetrierung
AC
Sicherheitsüberwachung - BMU
Smart Battery
21
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Kostenreduzierung durch wirkortnahe Integration (Systemintegration)
Separat
Separat
Kosten
Angebaut
Angebaut
Systemintegriert
Systemintegriert
ƒ Geringe Vibrationen
ƒ Reduzierte Kühlmitteltemperatur (60-70°C)
ƒ Hohe Vibrationen
ƒ Reduzierte Kühlmitteltemperatur (60-70°C)
Technologie-Reifegrad, Produktionsvolumen
Bildquellen: Toyota, Ford, FhG-IISB
1997
ƒ Hohe Vibrationen
ƒ VKM-Kühlkreislauf (115°C)
2005
2012
22
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Systemanforderungen
Hybrid (HEV)
Elektroauto (EV)
Kühlmitteltemperatur (max.)
115°C
85°C
Leistungsdichte
●●●
●
Wirkungsgrad
●
●●●
Traktionsspannung
< 450 V 1)
50 ... 450 V 2)
Ströme (HV-Bordnetz)
50 ... 200 A
100 ... 400 A
Ströme (12V-Bordnetz)
200 ... 300 A
100 ... 200 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)
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
23
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
e-Antriebsplattform und -baukasten des Fraunhofer-IISB/ZKLM
Elektrische Energiespeicher
Smart Battery
Elektrische Antriebseinheiten mit
integrierter Leistungselektronik
Netzankopplung
DC
AC
24
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Smart Battery für Hybrid-TT
Modularer Zellenstack (incl. Zellsymmetrierung)
„ LiFePO4 Zellen
„ Nennspannung: 320 V
„ Energie: 2,4 kWh
Starterbatterie (14 V, Li-Ion)
Bordnetz
DC/DC-Wandler
(14 V, 2 kW)
Bidirektionaler
DC/DC-Wandler
(50 kW, luftgekühlt)
Multifunktionaler
DC/AC-Wandler
(Laden, V2G, mobile Netzsteckdose)
25
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Elektrischer Einzelrad-Achsantrieb
Eckdaten
„ Zwei unabhängige Asynchronmotoren
„ Einzelradantrieb (20 kW, 500 Nm je Rad)
„ Integrierter Doppelumrichter (300...400 Vdc)
Gemeinsamer DC-Zwischenkreiskondensator
Phasenstromsensoren
Neuartige direktgekühlte IGBT-Leistungsmodule
mit isolierenden, diagnosefähigen Gate-Treibern
26
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Belastungsprofile
Fahrzyklen
Thermische Zeitkonstanten
Passive Bauelemente
60...600 sec
Geschwindigkeit in km/h
US06
Elektromotor
300....3000 sec
NEFZ
Zeit in s
Leistungshalbleiter
0,01....5 sec
27
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Virtual System Engineering
Fahrzyklus
Lebensdauer und
Zuverlässigkeitsmodelle
Statische und transiente
Bauteiltemperaturen
Fahrleistungen, Verbrauch,
Reichweite
Fahrzeug- und
Antriebsstrangmodelle
Ströme
Spannungen
Leistungselektronik
Design
Matlab/Simulink
Thermische Modelle
Wirkungsgrade
Verlustberechnungen
28
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Virtual System Engineering
US06
Fahrzeugmodell
Geschwindigkeit in km/h
NEFZ
US06
NEFZ
Zeit in s
Leistungsanforderung in Watt
Geschwindigkeitsfahrzyklen
Leistungsfahrzyklen
NEFZ
US06
US06
NEFZ
Zeit in s
29
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
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
Ö Wärmespreizung
Ö mechanische Halterung
Thermal Interface Material (TIM)
bei lösbaren Verbindungen zum Kühlkörper
Elektrische
Verschaltung
Mechanische
Optionen
Wärmetauscher Ö Transformation des über Wärmeleitung
geführten Wärmeflusses in einen durch Konvektion und/oder
Strahlung getragenen Wärmefluß
Kühlmittel (Luft, Wasser/Glykol)
30
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
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
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik
Antriebsumrichter - IGBT Chiptemperaturen
IGBT-Temperatur in °C
ohne
ohne Bodenplatte
Bodenplatte
mit
mit Bodenplatte
Bodenplatte
doppelseitige
doppelseitige Kühlung
Kühlung
Zeit in s
US06
IGBT-Temperatur in °C
NEFZ
ohne Bodenplatte
mit Bodenplatte
doppelseitige Kühlung
Zeit in s
32
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik
Lebensdauer unter Temperaturwechselbelastung
Beispiel: Standard-Leistungsmodul mit Al2O3-DCB und Bodenplatte
Kupfer●Aluminiumoxid-Keramik●Kupfer (DCB)
Chip
Bodenplatte
Faustregel
Ergebnisse aus Forschungsprojekt LESIT
Eine Erhöhung des Temperaturhubs
um 20 Kelvin führt zu einer
Reduzierung der Lebensdauer
um etwa eine Größenordnung !
33
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik
Schadensbilder an Leistungsmodulen
DCB-Substrate
Al-Draht-Bonds
Keramik-Risse
Bond lift-off
Ablösung (Delamination)
Keramik – Metallisierung
Bildquelle: FhG-IISB
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
34
Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Hebel zur Kostensenkung und Forschungsbedarfe
Beispiel: Kostenstruktur Antriebsumrichter
Zwischenkreis & EMV-Filter
Leistungshalbleiter
„ Optimierung der Kondensatoren
(Energie u. Strom je Euro)
„ Optimierung Zwischenkreisstrukturen und Filterkomponenten
„ Reduzierung der Durchlaß- und
Schaltverluste
„ Erhöhung von „Ampere per Euro“
„ Optimiertes, steuerbares Schaltverhalten (EMV)
Steuerung & Sensoren
Aufbautechnik & Kühler
„ Anwendungsspezifische ICs
für Gate-Treiber und Signalkonditionierung
„ Low-cost Stromsensoren und
Positions-/Drehzahlgeber
„ „Sensorlose“ Motorregelverfahren
„ Erhöhung der Temperatur- und
Lastwechselfestigkeit (spez. (ΔTj)max )
„ Reduzierung des Wärmewiderstands
(z.B. durch Wärmespreizung u/o
doppelseitige Kühlung)
35
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB
DRIVE-E Akademie
Erlangen, 8.-12. März 2010
Gemeinsam die Zukunft gestalten !
Ihr kompetenter Partner in allen Fragen
der Leistungselektronik und rund um
den elektrischen Antriebsstrang
www.zklm.iisb.fraunhofer.de
Hauptsitz Erlangen
Fraunhofer Institut für Integrierte Systeme
und Bauelementetechnologie (FhG-IISB)
Zentrum für Kfz-Leistungselektronik
und Mechatronik (FhG IISB-ZKLM)
Landgrabenstrasse 94 ● 90443 Nürnberg
Tel. 0911/235 68-10, Fax -12
www.zklm.iisb.fraunhofer.de
36
ZKLM Nürnberg
Dr. Martin März
© Fraunhofer IISB