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Automotive-Forschungsprojekt InMOVE

Ein Zwischenkreiskondensator für elektrische Antriebsmodule


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Abwägung von verschiedenen Lösungsansätzen

Im Anschluss wurden innerhalb des Konsortiums mehrere Grobkonzepte für passende Aluminiumelektrolyt-Kondensatoren entwickelt, wobei zwei Varianten mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen in die engere Auswahl kamen. Im Vordergrund der Überlegungen stand die Kühlung, da aufgrund des höheren ESR mit einer gesteigerten Verlustleistung und damit auch mit einer größeren Temperaturüberhöhung bei Belastung zu rechnen war. Variante 1 bestand aus zwölf schmalen, langen Standard-Kondensatoren und Variante 2 aus zwei flachen, breiten Kondensatoren. Obwohl die Variante 1 eine kostengünstige Herstellung ermöglicht hätte, wäre die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund der Vielzahl an Kondensatoren deutlich höher. Aufgrund der Länge der Gehäuse ergab sich zudem eine schlechte thermische Anbindung an den Kühler, denn die Bauform verringert die Kühlfläche am Boden.

Variante 2 basierte auf zwei gut kühlbaren Kondensatoren mit Gewindeanschluss – der GW-Baureihe von FTCAP. Ein spezieller Stufenboden sorgt in Verbindung mit einem Sil-Pad für eine optimale Wärmeableitung. Dank des Stufenbodens und der Montage über eine Ringschelle lassen sich die Kondensatoren nahezu nahtlos an einem Kühlkörper befestigen. Ihr mechanisch belastbares, lasergeschweißtes Voll-Alu-Gehäuse trägt zu einer hohen Lebensdauer bei. Ein neuartiger Multipin-Deckel gewährleistet einen geringen ESR mit folglich hoher Stromtragfähigkeit. Obwohl der Deckel aufwändig zu fertigen ist und generell viel Entwicklungsarbeit zu leisten war, fiel die Entscheidung des Konsortiums auf diese Variante 2.

Erforschung von wärmetauglichen Elektrolyten

Im Rahmen der Realisierung von Variante 2 prüfte FTCAP zunächst, welche Elektrolyte für den Aluminiumelektrolyt-Kondensator im Temperaturbereich bis 125 °C zur Verfügung standen. Laborversuche ergaben, dass ein möglicher 125-°C-Elektrolyt zwar hochtemperaturtauglich war, aber nicht die erforderlichen Eigenschaften wie Spannungsfestigkeit, Leitfähigkeit und Viskosität aufwies. Daher wurde in Abstimmung mit dem Konsortium beschlossen, mit einem passenden 110-°C-Elektrolytsystem weiter zu forschen. Nachdem der Kondensator berechnet und die Machbarkeit in der Fertigung geprüft worden war, konnte mit der Konstruktion begonnen werden und es entstanden Prototypen.

Bei der Erstmusterprüfung bestätigten die Messergebnisse sowohl die mechanischen, aber vor allem auch die elektrischen Erwartungen. Im Anschluss wurde der Kondensator unter annähernd realen Arbeitsbedingungen betrieben, um die Funktionsfähigkeit bei der geforderten Wechselstrombelastung von 70 A thermisch und elektrisch zu testen. Hierfür wurden bei einem Strombelastungstest simultan an spezifischen Positionen im und am Testkondensator die Temperaturen überprüft. Zusätzlich wurde bei dieser Messung versucht, durch eine externe Temperierung anhand eines Peltier-Elements mögliche Anwendungstemperaturen abzubilden. Um den notwendigen Wechselstrom von 70 A bei einer Frequenz von 13,5 kHz zu realisieren, wurde in einem Reihenschwingkreis (bestehend aus Prüfkondensator, Resonanzkondensator und Resonanzspule) durch eine Koppelwindung eine Erregerspule mit Leistungsanreger eingebunden.

Ergebnis der Versuche: Es ist eine Wechselstrombelastung von 70 A am Kondensator abbildbar. Da die Temperierung durch das Peltier-Element im Vergleich zum realen Kühler nur als erste Näherung des realen Kühlers genutzt werden kann, traten Temperaturen im Bereich von bis zu 140 °C auf. Zusätzliche Tests an der Fachhochschule Kiel bestätigten jedoch, dass die Hotspot-Temperatur im Kondensator 110 °C nicht überschreitet, wenn er im realen Kühler eingebaut ist. Somit stand dem Konsortium ein passender Zwischenkreiskondensator zur Verfügung, mit dem sich das angestrebte 80-kW-Antriebsmodul realisieren ließ.

Neben Forschungsprojekten wie InMOVE arbeitet FTCAP kontinuierlich an neuen Film- und Aluminium-Elektrolytkondensatoren. So könnten etwa Multipin-Kondensatoren den bislang auf dem Markt vorherrschenden parallel geschalteten axialen Kondensatoren mit Lötstern ernsthafte Konkurrenz machen. Erste Testreihen dazu haben gute Ergebnisse gebracht; nun arbeitet man weiter an einer serientauglichen, möglichst flexibel skalierbaren Lösung. Ein gewisser Zeitdruck ist dabei durchaus vorhanden: Schließlich will die Automobilindustrie ab 2020/21 anfangen, E-Mobile in großen Stückzahlen herzustellen.


  1. Ein Zwischenkreiskondensator für elektrische Antriebsmodule
  2. Abwägung von verschiedenen Lösungsansätzen

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