DauerPower - SiC-Inverter-Elektronik für maximale Dauerleistung im Antriebsstrang EV; Teilvorhaben der Robert Bosch GmbH: "Komponenten-Technologien für den dauerleistungsfähigen SiC-Antriebsumrichter"

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. Die folgenden Technologie-Innovationen und -schwerpunkte wurden als Enabling hierfür erforscht: • Die beiden Additive Manufacturing Technologien Binder-Jetting und Selective-Laser-Melting wurden auf ihre Eignung bezüglich der Darstellung von automotive-gängigen leistungselektronischen Komponenten hin untersucht. Mittels Selective-Laser-Melting wurden zwei Kühler-Varianten – eine in Kupfer für den Modul-Kühler und eine in Aluminium-Legierung für den Phasen-Kühler – in verschiedenen Aufbaukampagnen untersucht, in Teilen konstruktionsgerecht realisiert und in Summe für den Demonstrator-Aufbau bereitgestellt. • Verschiedenste anorganische und organische Vergussmaterialien wurden für das Verpacken und die Integration des Zwischenkreiskondensators in den Phasen-Kühler evaluiert. Die anorganischen Vergussmassen wurden nach intensiver Untersuchung verworfen und ein organisches Polymer als Vorzugslösung nach Anforderungskriterien selektiert. • Für den Zwischenkreiskondensator kam ein für automotive-Anwendungen neuartiges hochtemperaturfähiges Kondensator-polymer mit maximaler Betriebstemperatur von 140°C erfolgreich zum Einsatz. 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 following technology innovations and foci are explored as enabling to this: • Two additive manufacturing technologies - Binder-Jetting and Selective-Laser-Melting – were examined for their capability on design and formation of automotive-utilizable power electronics components. Via Selective-Laser-Melting two cooler varieties were manufactured - one in copper for the module-cooler and the second in aluminum-alloy for the phase-cooler -, analyzed in different build-up campaigns, partially realized and construction boundaries and provided finally for demonstrator build-up. • Different inorganic and organic potting materials were evaluated for packaging and integration of DC-link capacitor into phase-cooler. The inorganic potting materials were discarded after intensive examination and one organic polymer was selected as preferred solution according to requirement’s criteria. • As DC-link capacitor one for automotive application novel high temperature capable capacitor polymer was used successfully with maximum operation temperature of 140°C. 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.