Zuverlässigkeit von Leistungselektronik/Modulen in Elektrofahrzeugen

Im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen PENTA-Projekts CosmoDU wurde gemeinsam mit mehreren europäischen Partnern erfolgreich eine modulare Hardware-Architektur für industrielle Motorantriebe entwickelt. Die Architektur ermöglicht die vollständige Integration des Umrichters sowie der Sensoren für die Zustandsüberwachung und die Optimierung der Antriebsleistung auf Basis von Selbstlernfähigkeit. Alle Informationen werden im gesamten Motor und mit den höheren Systemschichten über den Standard »OPC Unified Architecture« ausgetauscht, der einen skalierbaren und herstellerunabhängigen Weg zur Offenlegung von Informationen gegenüber den höheren Schichten des Steuerungs- und Überwachungssystems bietet. Fraunhofer ENAS war hierbei verantwortlich für die Zuverlässigkeitsbewertung und -optimierung der im Rahmen des Projekts entwickelten SiC-basierten Leistungsmodule, welche auf neuartigen Kühl- und Verbindungstechnologien basieren. Dazu wurden experimentelle Untersuchungen, inklusive Lastwechseltests und temperaturabhängige Verformungsmessungen, in Verbindung mit Finite-Elemente-Studien durchgeführt, um deren thermo-mechanische Zuverlässigkeit unter passiver und aktiver thermischer Belastung zu bewerten. Die erzielten Ergebnisse stehen somit nun für die Zuverlässigkeitsbewertung SiC-basierter Leistungsaufbauten in zukünftigen Projekten und Kooperationen zur Verfügung.

Neu ist ebenfalls, dass alle elektronischen Komponenten, die für die Smartifizierung des Motors benötigt werden, in einem Gehäuse stecken. Das führt zu einer dichten elektromagnetischen Feldkonzentration und einem breiten Störspektrum. Um auftretenden EMV-Herausforderungen zu begegnen werden von Fraunhofer ENAS  Nahfeld-(NF)-Scanner eingesetzt. Die Ergebnisse eines NF-Scans werden auf zwei Arten genutzt. Erstens können EMV-Quellen durch einen NF-Scan aufgezeigt werden, um Störquellen zu beheben. Zweitens kann der NF-Scan mit Simulationen kombiniert werden, um die Nahfelder als Quelle zu nutzen. Zusammen mit CAD-Modellen weiterer Komponenten kann die hochfrequente Feldabstrahlung in andere Bereiche untersucht und charakterisiert werden, bevor alle Komponenten physikalisch integriert werden. Mit dieser noch jungen Kombination aus NF-Messung und Simulation werden EMV-Störquellen und damit nach der Integration aller Komponenten Probleme vermieden.