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Teilvorhaben 6, Teilvorhaben 5

Teilvorhaben: Spezifikation und Bewertung kompakter und optimierter Leistungselektronik auf Siliziumkarbidbasis für effiziente automotive Anwendungen, Teilvorhaben: Leistungsmodule mit SiC-Komponenten und integrierten SiRC-Snubbern

Das Forschungsvorhaben KOOPERATION hat zum Ziel, den Nutzen aus SiC Halbleitern im hohen Maße zu steigern. Dadurch soll KOOPERATION dazu beitragen, die Systemkosten im elektrischen Antriebsstrang zu reduzieren und letztendlich E-Fahrzeuge aus deutscher Hand noch attraktiver zu machen. Die Methoden von KOOPERATION fokussieren dabei nicht einfach auf Detailverbesserungen des Standes der Technik, sondern nutzen zwei grundlegende Lösungsansätze, welche es erlauben, SiC Materialien wesentlich besser auszunutzen.

Effiziente Formierungsstrategien zur Erhöhung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie der Kostensenkung in der Produktion von Lithium-Ionen-Zellen/Batterien, Effiziente Formierungsstrategien zur Erhöhung der Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Sicherheit sowie der Kostensenkung in der Produktion

Um die Verbreitung und Marktakzeptanz der Elektromobilität weiter zu fördern ist es unerlässlich, Verbesserungspotenziale zu den zentralen Fragen wie Energiedichte, spezifische Energie, Reichweite, Lebensdauer, Sicherheit oder Produktionskosten zu erforschen und zu realisieren. Die Motivation der BMW AG ist, innerhalb Effiform ein fundamentales Verständnis zur Bildung (auch als Formierung bezeichnet), Beschaffenheit und Stabilität der Oberflächenschichten beider Elektroden zu erlangen. Spezifisches Ziel des Projekts Effiform ist es demnach, auf Basis grundlegender Untersuchungen zur Formierung insbesondere der Ausbildung der anodischen Solid Electrolyte Interphase (SEI), aber auch der kathodischen Grenzschicht (Cathodic Decomposition Layer - CDL) den Formierungsaufwand hinsichtlich Zeit als auch benötigter Infrastruktur zu optimieren. Dadurch sollen die Kosten der Zellproduktion durch die Vereinfachung der Formierung stark reduziert werden. Dies soll zum einen durch die Beschleunigung der Formierung selbst, aber auch durch eine intelligente Prüfmethode zur Charakterisierung und Freigabe der Zellen erreicht werden. Des Weiteren soll durch angemessene Formierungsparameter eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer und Erhöhung der intrinsischen Sicherheit der Zellen erreicht werden, wodurch ebenfalls die Wertschöpfungskette optimiert werden würde. Diese Ziele sollen mit state-of-the-art Materialien (Graphit, NCM) erreicht werden. Parallel dazu soll untersucht werden, inwieweit die Ergebnisse auf advanced Materialien (z.B. Si/C Komposite) und Prozesse übertragbar sind. Neben der Beratung und Begleitung in Fragen zur Zelltechnologien in diversen AP ist die BMW AG für die Untersuchung der Schnittstelle Hersteller/Anwender verantwortlich. Die Konsortialführerschaft übernimmt die Firma VARTA. Mit diesen Zielstellungen soll für die deutsche Industrie im internationalen Wettbewerb ein deutlicher Kosten- und Qualitätsvorteil und Wissensvorsprung im Bereich der Batteriezellfertigung erreicht werden.

MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

Ide3AL: 'Innovationen für dynamische, energie-effiziente elektrische Antriebe mit neuartiger Leistungselektronik in der Industrie & Fertigung', Teilvorhaben: Innovative, verlustarme Sinusfilter

Ziel des Forschungsprojektes Ide3AL ist es, die Verluste im Antriebssystem gegenüber marktetablierten, geregelten Antriebssystemen um durchschnittlich 15% zu senken. Der Einsatz schnellschaltender, verlustarmer SiC-Leistungshalbleiter in Verbindung mit integrierter Filtertechnologie soll zu einer deutlichen Reduktion von Eigen- und Zusatzverlusten führen, die konventionelle Umrichter nach dem Stand der Technik verursachen. Im Teilvorhaben werden folgende Punkte bearbeitet: 1. Auslegung und Realisierung des Sinusfilters; 2. Kern- und Materialauswahl für Wickelgüter; 3. Fertigung der Wickelgüter.

SiC-basierte modulare Leistungselektronik für ausfallsichere Antriebstechnik - SiCmodul, Teilvorhaben: Hochzuverlässige SiC basierte motorintegrierte Leistungselektronik

Die Robert Bosch GmbH wird im Rahmen des Projekts SiCmodul die Entwicklung hochtemperaturstabiler (bis 200°C) und hocheffizienter SiC Leistungsmodule unterstützen und den Fügeprozess für SiC Chips weiterentwickeln. Diese neue Modulaufbautechnologie für SiC wird mittels geeigneter Testvehikel hinsichtlich elektrischer Performance und Robustheit qualifiziert. Als finaler Demonstrator wird eine 800V Asynchronmaschine für die Elektronikintegration in das Maschinengehäuse modifiziert und auf dem Motorprüfstand getestet. Die entwickelte SiC Leistungsmodultechnologie wird parallel auf Modulebene elektrisch charakterisiert.

SiC-basierte modulare Leistungselektronik für ausfallsichere Antriebstechnik - SiCmodul, Teilvorhaben: Neuartige niederinduktive 1200 V SiC-Powermodule mit Hochtemperatur-Treibern in Leiterplatten-Embeddingtechnik

Forschungsziele von SiCmodul sind Einsatz und Befähigung neuartiger Aufbau- und Verbindungstechnologien (AVT) zur Realisierung eines hochintegrierten, universellen Halbbrücken-Bausteins für leistungselektronische Anwendungen mit schnellschaltenden SiC-Halbleitern. Die Integration von Leistungsschaltern, Snubber-Kondensator und Treiberschaltung in einem Embedded-SiC-Modul ermöglicht einerseits durch Modularisierbarkeit den Einsatz in verschiedenen Applikationen und Leistungsklassen, andererseits die Nutzung der Vorteile von SiC-Halbleitern. Hierzu zählen der Einsatz in Hochtemperatur-Applikationen bei Temperaturen Tj bis 200 Grad Celsius, sowie die Maximierung der Leistungsdichte mittels schneller Schaltvorgänge durch eine Kommutierungsinduktivität kleiner als 4 nH. Der Hauptfokus von Schweizer liegt auf dem Kernstück des Projekts SiCmodul, welches das 1200 V SiC Embedding Leistungsmodul mit Halbbrücken-Funktionalität darstellt. Zu dessen Realisierung werden auf Leadframes gefügte Siliziumcarbid-Halbleiter in hochtemperatur-geeignete, organische Substrate durch Leiterplattenprozesse integriert/embedded und die Leadframes beidseitig galvanische in Mikro Via-Technologie kontaktiert. Zusätzlich sollen ebenfalls passive Bauelemente, Sicherheitssensorik und Gatetreiber in den Modulen integriert werden.

SiC-basierte modulare Leistungselektronik für ausfallsichere Antriebstechnik - SiCmodul, Teilvorhaben: Modulare Hochtemperatur SiC Power Elektronik für ausfallsichere Leistungssteuerung der Antriebstechnik

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM arbeitet an vier Arbeitspaketen im Vorhaben. Der Schwerpunkt der Aktivitäten liegt in der Entwicklung eines niederinduktiven Aufbaus für Schaltzellen mittels Embedding zur effizienten Nutzung schnellschaltender SiC-Leistungshalbleiter, der Erforschung eines Verfahrens zur Erzeugung dicker Cu-Metallisierungen auf den Kontaktflächen vereinzelter Leistungshalbleiter, der Optimierung der Embedding-Technologie mittels Niedertemperatur- / Niederdruck-Ag-Sintern und galvanischer Oberseitenkontaktierung, der Entwicklung eines fertigungstauglichen Verfahrens im Vergleich zum Embedding mittels doppelseitiger Cu-Kontaktierung sowie einer Untersuchung des thermischen Verhaltens im Vergleich zu anderen Embedding-Verfahren und der Untersuchung sowie Optimierung einer modularen Verbindungstechnik zwischen den Komponenten von Leistungsmodulen mittels einer kombinierten Sinter- / Laminier-Technologie. Mit den Kenntnissen zu Methoden und Technologien in der Aufbau- und Verbindungstechnik von mikroelektronischen und mikrosystematischen Bauteilen unterstützt IZM die Verbundpartner bei ihren Arbeiten.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Fraunhofer ISE

Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungs-/energiebatterie an das Verteilnetz. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3-kV-SiC-MOSFETs genutzt. Mit diesen Bauelementen sollen SiC-Leistungsmodule zu 150 - 300 A entwickelt werden. Erst die Entwicklung von niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodulen schafft die Grundlage für die Entwicklung von Mittelspannungsumrichtern hoher Leistung. In einem 3,3-kV-Netz ergeben sich hierbei Umrichterleistungen von 250 - 1.000 kVA. Über die Mittelspannungsebene wird der Hochleistungsspeicher eingebunden, der dann in das 110-kV-Netz gekoppelt wird. Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Weiter ermöglichen mehrere Hochleistungsspeicher im Verbund des 110-kV-Netzes den Wiederaufbau des Netzes und das Anfahren von Kraftwerken. Damit können Hochleistungsspeicher neben den klassischen Pumpspeicherseen eine weitere strategisch wichtige Säule zur Schwarzstartfähigkeit der Energieversorgung bilden. Durch die Verbundpartner dieses Vorhabens ist die gesamte wirtschaftliche Wertschöpfungskette vom Komponentenhersteller, Leistungselektronikhersteller, Systemintegrator und Netzbetreiber dargestellt. Die Forschungsaspekte zu Bauelementen, Leistungselektronik, System- und Regelungstechnik werden durch das Fraunhofer ISE flankiert. Semikron wird die Entwicklung der niederinduktiven HV-SiC-Halbleitermodule durchführen. Die Entwicklung der induktiven Leistungsbauelemente und die Durchführung damit verbundener Studien werden von STS übernommen.

SiC-MSBat: Mittelspannungsumrichter mit Hochvolt-SiC-Leistungsmodulen für Großspeicher und systemdienliche Verteilnetze, Teilvorhaben: Optimierte Aufbau- und Verbindungstechnik für SiC-Leistungshalbleiter zur Anwendung in Mittelspannungsumrichtern

Hochleistungsspeicher ermöglichen den kurzzeitigen Inselbetrieb von Industrieanlagen und sichern somit kostenkritische Produktionsprozesse bei Netzausfällen. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungselektronischen Umrichters mit 250 kW mit SiC-Halbleitern zur Anbindung einer Hochleistungsenergiebatterie an das Verteilnetz. Innerhalb des Vorhabens 'SiC-MSBat' werden neue leistungselektronische Konzepte basierend auf innovativen Halbleitertechnologien entwickelt, die die Systemkosten senken und damit eine schnellere, unkomplizierte und effiziente Integration von Speichern in Mittelspannungsnetze ermöglichen. Für die Entwicklung werden Vorserienmuster von 3,3 kV SiC MOSFETs und Dioden verwendet. Das Ziel im Teilvorhaben ist damit zuverlässige Leistungselektronikmodule zu konzipieren, die durch ihre Eigenschaften ein gutes Skalierungspotentialbieten. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf hohen Schaltfrequenzen die besondere Herausforderungen mit sich bringen. So muss das Layout der Modulschaltung zu niedrigen Induktivitäten hin optimiert werden, um Schaltverluste zu reduzieren und hohe Überspannungen zu vermeiden.

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