System Design
Hochintegrierte leistungselektronische Systeme
Leistungselektronik von Semikron Danfoss für die E-Mobilität
Semikron Danfoss bietet seit mehr als 25 Jahren integrierte Leistungselektronik-Systeme für Fahrzeuganwendungen und kann so auf langjährige Erfahrung bauen. Zunächst lediglich Hochleistungssilizium und Gate-Treiber in kundenspezifischen Gehäusen, wurden diese Systeme zu hochintegrierten Systemen entwickelt und beinhalten jetzt die Steuerelektronik und Software zur Vektorregelung. Bis heute wurden bei Semikron Danfoss insgesamt mehr als zwei Millionen hoch integrierter Invertersysteme für Stapler gefertigt. Außerdem wurden 100.000 400-V- und 800-V-Umrichter für den Einsatz in elektrifizierten Bussen und Lastwagen gebaut. Die folgende Zeitleiste zeigt Fahrzeugsysteme von Semikron Danfoss, die in den letzten drei Jahrzehnten an Kunden geliefert wurden
Voraussetzungen für leistungselektronische Systeme in Fahrzeuganwendungen
Flexible, hocheffiziente Leistungselektronik ist eine zentrale Voraussetzung, um der Elektromobilität zum Erfolg zu verhelfen. Um eine maximale Leistungsdichte zu erreichen, müssen die elektrischen Verluste und die Wärmewiderstände auf ein Minimum reduziert werden. Es ist eine maximale Bauteilintegration erforderlich, die gleichzeitig auch kostengünstig sein muss. Die EMV-Anforderungen der europäischen EMV-Richtlinie für zugelassene Fahrzeuge müssen eingehalten werden. Die Schnittstelle für die Verbindung mit dem Master-Controller im Fahrzeug muss flexibel genug sein, um eine Anpassung an unterschiedliche Bedingungen zu ermöglichen. Zum Beispiel erreichen die 3-phasigen IGBT Wechselrichter SKAI 2 HV (siehe oben) eine Leistungsdichte von bis zu 20 kVA / Liter bei einem Nennwirkungsgrad von > 98%.
SKAI - Leistungselektronische Bausteine
Alle SKAI leistungselektronischen Systeme basieren auf der gleichen, im Folgenden dargestellten Architektur. Der Kern dieser Systeme ist das Leistungsteil mit den Halbleiterschaltern, den Zwischenkreiskondensatoren, den Sensoren für die Phasenströme und die Zwischenkreisspannung sowie die Temperatursensoren auf dem Keramiksubstrat und auch EMV-Filter. Die Systeme werden komplettiert mit Gate-Treibern, Schutzfunktionen für Überstrom, Überspannung und Übertemperatur, getrennten Stromversorgungen für alle erforderlichen internen Spannungen und einem Mikrocontroller.
Die Konverter der SKAI Produktfamilie von Semikron Danfoss wurden zur Verwendung in Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen optimiert. Die SKAI Systeme bieten ein hohes Maß an Integration und vereinen wesentliche Vorteile gegenüber vergleichbaren Systemen. Sie wurden im Einklang mit den neuesten Normen entwickelt, was kurze Markteinführungsphasen und niedrige Entwicklungskosten sichert. Die SKAI Systeme stellen Standard-Plattformen mit Niedervolt-MOSFETs oder Hochspannungs-IGBTs auf Siliziumbasis dar. SKAI Systeme können auch auf individuelle Kundenanforderungen angepasst werden.
Optionale Steuerungs-Software SKAIwareTM
Die Schnittstelle zwischen der Steuereinheit und dem Hauptcontroller im Fahrzeug ist entweder als CAN Bus Schnittstelle oder, alternativ, als Interface für ein reines Schaltsignal ausgeführt. Ebenfalls ist die Motorsteuerungssoftware SKAIwareTM erhältlich, die auf feldorientierter Regelung aufbaut. SKAIwareTM garantiert die stabile Regelung des Elektromotors bis in den Feldschwächebereich und ermöglicht die Implementierung von dynamischen und effizienten Fahrantriebe und Generatorlösungen. SKAIwareTM empfängt normalerweise die Eingaben eines zentralen Steuergerätes über CAN und wandelt diese dann in präzise Drehzahl- oder Drehmomentenwerte um.
Die SKAIwareTM Software-Lösung wurde in Übereinstimmung mit der MISRA-C-Norm entwickelt und an die SKAI Hardware angepasst. Sie eignet sich zur Steuerung von synchronen Permanentmagnetmotoren als Innen- oder Außenläufer sowie von Drehstrom-Induktionsmotoren. Mit dieser Software lassen sich die Parameter für verschiedene Arten von Motoren auswählen. SKAIwareTM umfasst Funktionen wie die Temperaturüberwachung in Motoren und Umrichtern, Batterietiefentladungsschutz, Überspannungsschutz bei der Energierückgewinnung, CAN Kommunikation über CANopen, Software-Update über CAN-Bootloader innerhalb des Bordnetzes etc. Benutzer können auch ihre eigene individuelle Steuersoftware verwenden. In bestimmten Fällen kann die Controller-Hardware auch an spezifische Anforderungen angepasst werden.
Entwicklungs-Assistenz
Für die Auslegung einer zuverlässigen elektronischen oder mechatronischen Komponente muss man die Betriebsbedingungen kennen, um die Alterungs- und Ausfalleffekte bestimmen zu können. Neben extremen Umgebungstemperaturen sind dies die Temperaturschwankungen des Halbleiters und deren Zeitdauern im Betrieb ("Mission Profile"). Auf Grundlage des angegebenen Profils können die Gesamtlebensdauer und die Auswirkungen der kritische Lastschwankungen bestimmt werden. Mit diesen detaillierten Daten ist dann eine optimierte Motorsteuerung erreichbar. Semikron Danfoss kann die generische SKAIwareTM Motorsteuerungs-Software für einen kundenspezifischen Motor parametrieren. Es ist auch möglich, kundenspezifische Steuerungs-Software vor der Auslieferung hochladen.
