DauerPower - SiC-Inverter-Elektronik für maximale Dauerleistung im Antriebsstrang EV

Abstract

Innerhalb des Projekts erfolgte die Auslegung, Realisation und Demonstration eines SiC-basierenden Antriebsumrichters für Elektrofahrzeuge, der den Standard für die bereitstellbare maximale Dauerleistung im Systemumfeld EV neu definierte und möglichst nah an den Wert seiner Spitzenleistung heranführte. Der Weg dahin führte über die Kombination mehrerer Neuerungen und umzusetzender Innovationen: • Die Nutzung einer hocheffizienten SiC-MOSFET-basierenden Leistungsendstufe. • Die Implementierung eines für automotive Anwendungen neuen hochtemperaturfähigen Kondensatorpolymers mit maximaler Betriebstemperatur von 140°C für den DC-Link-Kondensator. • Das Verpacken dieses Hochtemperatur-Kondensatorpolymers mittels einer thermisch ausreichend gut leitfähigen Vergussmasse. • Der Einsatz einer neuen thermischen Gesamtkonzeption, die den gesamten Zwischenkreis - d.h. Modul, Kondensator und DC-Verschienung -, sowie den AC-Phasenausgang und das EMV-Filter integrierte. • Die Realisation eines baugruppen-topographiebezogenen Flüssigkühlers in Additive Manufacturing Technologie (3D-Drucktechnik). Die Darstellung und Verifikation aller Verbesserungen wurde an einem Demonstrator-SiC-Inverter mit 790 kW Spitzenleistung (auf Basis eines 800V-Zwischenkreises), entsprechend einer Dauerleistung von mindestens 630 kW, anhand seines funktionalen Betriebst auf einem Prüfstand aufgezeigt. Auf dieser Basis wurde die Steigerung der Antriebsumrichter-Performance bezüglich des Verhältnisses von Dauerleistung zu Spitzenleistung auf mindestens 80% erzielt und nachgewiesen.

Within the project the design, realization and demonstration of a SiC-based drive inverter for electric vehicles were executed, that defines the standard of provided continuous maximum power in the system surrounding EV on a new level, the proximate possible value of peak power. The path to get there led via the combination of several novelties and implemented innovations: • Usage of a highly sufficient SiC-MOSFET-based power stage. • Implementation of one – for automotive application novel – high temperature capable capacitor polymers with maximum operating temperature of 140°C as DC-link-capacitor. • Packaging of this high-temperature-capacitor-polymer by potting material with sufficient good thermal conductivity. • Utilization of a novel thermal overall concept, that integrated the entire DC-link – in terms of power module, capacitor, and DC-bus bars – as well as AC-phase output and EMI-Filter. • Realization of topography-related liquid cooler by additive manufacturing technology (3D-printing technique). The presentation and verification of all improvements was provided by a SiC-inverter-demonstrator with 790 kW peak power (on the base of 800V-DC link), corresponding to the continuous power of minimum 630 kW, by functional operation on an electric drive test bench. On this foundation the increase in ratio of continuous power to peak power of minimum 80% level in drive inverter performance was gained and approved.