Forschungsprojekt H3Top: Niederinduktiver Kondensator erfüllt Zielvorgaben

Um aktuellen Anforderungen der 3-Level-Wechselrichter-Topologie zu entsprechen, hat FTCAP niederinduktive Filmkondensatoren mit etwa 10 nH aus Polypropylen mit einer speziellen Zink-Metallisierung entwickelt.

Das mit 5,58 Mio. € BMBF-geförderte Forschungsprojekt H3Top (Laufzeit Februar 2016 bis Januar 2019) war ein gemeinsames Forschungsprojekt von Robert Bosch, Infineon, Daimler, FTCAP sowie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Das wichtige Vorhaben setzte auf neuartige Wechselrichter, um die Leistungsfähigkeit und Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen zu steigern.

Hierzu sollten 3-Level-Umrichter in Fahrzeugen mit hoher Betriebsspannung von 800 V statt der regulären 400 V eingesetzt werden, um dadurch die Strombelastung von Leistungselektronik und E-Maschine zu reduzieren, mit dem Ziel, die internen Leistungsverluste um 20% zu senken. Zu den Projektzielen gehörte weiterhin die Realisierung neuer Schaltungen mit bereits zertifizierten Halbleiterbausteinen, um die Kosten im Rahmen zu halten. Ebenso Verbesserungen hinsichtlich des Gewichts, der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie der Ausfallsicherheit.

„Die Mersen-Division Electrical Power, zu der auch FTCAP gehört, hat in den letzten fünf Jahren bereits mehrere neue Lösungen im Bereich E-Mobilität entwickelt und auf den Markt gebracht“, erläutert FTCAP-Geschäftsführer André Tausche. „Forschungsprojekte wie H3Top sind ein wichtiger Bestandteil dieser Strategie.“

Direkt mit den Wickeln vergossene Kühlkörper

Die jetzt von FTCAP vorgestellten und vorrangig für Elektrofahrzeuge entwickelten Kondensatorblöcke bestehen aus mehreren, gewickelten Einzelkondensatoren. Ihre möglichen Kapazitäten liegen zwischen 100 bis 1000 µF. Da in erster Linie die Anforderungen an den Kondensator durch den FTCAP-Kunden definiert werden, sind auch Kapazitätswerte außerhalb des oben genannten Wertebereichs denkbar. Der realisierte Aufbau ermöglicht laut FTCAP eine deutlich höhere Flexibilität sowohl bezüglich der Anschlüsse als auch der Gehäuseform. Der Kondensator ist direkt an den Kühlkörper gekoppelt, an dem wiederum alle Bohrungen und Befestigungen für die Restelektronik angebracht sind.

Der im Rahmen des Projekts entwickelte Kondensator weist diverse technische Neuerungen auf, die in dieser Form bei FTCAP bislang noch nicht angewandt wurden. Eine Besonderheit ist der direkt mit den Wickeln vergossene Kühlkörper, der eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet. Somit lassen sich die Halbleitermodule direkt auf dem Kühlkörper und trotzdem in unmittelbarer Nähe zum Kondensator verschrauben. Weiterhin wurden für den Anschluss und die Verteilung der DC-Spannung erstmalig flexible Stromschienen verwendet, welche speziell für dieses Projekt entwickelt wurden.

Auch der mit 2,4μm sehr dünne Film sei ein Novum, wie Tausche konstatiert, er habe alle Erwartungen vollständig erfüllt, insbesondere bezüglich der Spannungsfestigkeit. Last but not least ermöglicht das direkte Vergießen des Kondensators in das Umrichtergehäuse einen kompakten Aufbau mit relativ geringem Volumen. So ließen sich Materialaufwand und Kosten beschränken.

Insgesamt konnte FTCAP die für den Kondensator definierten Zielsetzungen realisieren, nämlich niedrige Induktivität (um die 10 nH), modularer Aufbau, Integration von Kühlkörper und DC-Stromschienen. Die entwickelte und als Prototyp hergestellte Baugröße war innerhalb des Projekts die Voraussetzung für die Errichtung von kompletten Umrichter-Einheiten, mit denen die Projektpartner umfangreiche Messungen durchführen konnten. Diese Forschungsergebnisse dienen den Herstellern der anderen Baugruppen, insbesondere der Leistungshalbleiter, als Grundlage zur Weiterentwicklung ihrer Technologien.

FTCAP Fischer und Tausche Capacitors brachten mehr als 70 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von Kondensatoren für die unterschiedlichsten Branchen in das H3Top-Projekt ein. Zum aktuellen Sortiment gehören sowohl Film- als auch Elektrolytkondensatoren. Abgesehen von Standard-Kondensatoren in kleineren und mittleren Stückzahlen bieten die Husumer auch Sonderanfertigungen für schwierige Anwendungen: Gemeinsam und in enger Abstimmung mit den Kunden realisieren die Experten komplexe individuelle Lösungen.

Seit 2018 gehört FTCAP zum Mersen-Konzern. Durch den Zusammenschluss der Unternehmen ergeben sich auf beiden Seiten große Potenziale. Das erklärte Ziel ist es, innovative Module anzubieten, bei denen die FTCAP-Kondensatoren auf Busbars und Kühlkörper von Mersen optimiert sind.

Grundlagen Kondensatoren: Technologie, Anwendungen und Trends

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