Automotive-Forschungsprojekt InMOVE Ein Zwischenkreiskondensator für elektrische Antriebsmodule

Im Rahmen des InMOVE-Projekts wurde auch erforscht, welche Elektrolyte sich für den hohen Temperaturbereich und die erforderlichen elektrochemischen Eigenschaften eignen.

Im Rahmen des Projekts InMOVE hat sich seit 2016 ein Konsortium unter der Leitung von VW um die Entwicklung integrierter Leistungselektroniklösungen für den Antrieb von Elektro- und Hybridfahrzeugen bemüht.

Ergebnis des Projekts: ein Arbeitsmodul mit 80 kW. Der passende Zwischenkreiskondensator dazu kommt von FTCAP.

Geleitet vom Automobilhersteller VW, waren in das Projekt InMOVE neben der zur Mersen-Gruppe gehörenden FTCAP noch das Fraunhofer-Institut ISIT, Danfoss, Vishay, Reese+Thies Industrieelektronik sowie die Fachhochschule Kiel involviert. Ihr Ziel: für den Bereich kleiner und mittlerer Antriebsleistungen wie Plug-in-Fahrzeuge ein modulares Antriebskonzept zu entwickeln, das auf heutigen Getriebekonzepten aufbaut und je nach Fahrzeugklasse eine unterschiedliche Anzahl an Elektromaschinen vorsieht. Damit wird die elektrische Antriebsleistung skalierbar und die Antriebsarchitektur bei Verwendung gleicher Komponenten variabel.

Durch den verfolgten modularen Ansatz zur Leistungsskalierung und Variabilität möglicher Antriebstopologien ergeben sich Skaleneffekte und gleichzeitig reduzieren sich die Entwicklungskosten der elektrischen Antriebskomponenten. Voraussetzung dafür jedoch ist eine sehr kompakte Bauweise der zu integrierenden Leistungselektronik-Komponenten. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden daher innovative Technologien in einem mechatronischen Gesamtansatz verfolgt, der das oben beschriebene Antriebssystemkonzept ermöglichen soll. Inzwischen wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen und die Partner konnten ein Antriebsmodul mit einer beachtlichen Leistungsdichte von 80 kW pro Liter realisieren.

Gesucht: ein passender Zwischenkreiskondensator

Aufgabe von FTCAP war es, die den hohen Ansprüchen genügenden Zwischenkreiskondensatoren bereitzustellen. Gemäß der Spezifikation galt es, ein 800-V-System mit einer Schaltfrequenz von 13,5 kHz und einer hohen Stromtragfähigkeit von 70 bis 80 A zu realisieren. Ziel war zudem ein möglichst geringer ESR, um möglichst wenig Verlustleistung zu generieren. Dazu kamen noch Hochtemperaturfähigkeit bis 125 °C, ein kleines Volumen und eine lange Lebensdauer; zudem sollten die Kondensatoren auch günstig in der Fertigung sein.

Anfangs verfolgte das Unternehmen das Ziel, eine temperaturoptimierte Zwischenkreiskapazität zu entwickeln, die auf zwei unterschiedlichen Dielektrika basiert. Dafür wurden das Gebiet der Aluminiumelektrolyt-Kondensatoren und das der Film- bzw. Folienkondensatoren betrachtet. Beide Technologien sollen dazu in der Lage sein, die Hochstrom- und Hochtemperaturanforderungen des Zwischenkreises zu bewältigen. Allerdings ergaben Tests während der Designphase, dass ein Filmkondensator für diese Anwendung bis 125 °C mit den am Markt befindlichen Materialien noch nicht realisierbar ist. Zwar eignet sich das Trägermaterial PEN-HV für Temperaturen bis 125 °C, dennoch findet nach der Bedampfung mit Metall eine mechanische Schwächung des Trägermaterials (und damit des Dielektrikums) statt, was die Spannungsfestigkeit erheblich reduziert und das Material somit für diese Anwendung unbrauchbar macht.