SPE Award 2024 - 2. Platz in der Kategorie "enabler technology"

MPDB®-Leistungsbox

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SPE Award 2024 - 2. Platz in der Kategorie "enabler technology"

MPDB®-Leistungsbox

Rohstoffhersteller: Celanese Sales Germany GmbH / AKRO-PLASTIC GmbH
Werkzeughersteller: Erwin Quarder Systemtechnik GmbH
Teilehersteller: Erwin Quarder Systemtechnik GmbH
Weitere Beteiligte: Infineon Technologies AG

Die entwickelte Produkttechnologie setzt neue Maßstäbe in Leistung und Kosteneffizienz bei der Kühlung sowohl einseitiger als auch doppelseitiger Leistungsmodulen für Inverter, dem Herzstück des Elektroantriebs. Durch die optimale Kühlung werden niedrigere Chiptemperaturen bei höherer Leistung ermöglicht, was die entstehenden Verluste reduziert und somit die Reichweite pro Batterieladung erhöht.

Das System besteht aus zwei Kühleinheiten – Bottom- und Top-Kühler – sowie einem Rahmen mit den Modulen und einer Feder, die das Gesamtsystem mittels selbstbefruchtender Schrauben vervollständigt. Die Performance- und Kostenvorteile der Produkttechnologie resultieren aus den folgenden innovativen Verfahren:

  • MPDB®-Verfahren: Der heliumdichte, langzeitstabile Verbund von Kunststoff und Metall ermöglicht die Substitution von gefrästen Aluminiumbauteilen oder Druckgusselementen. Dies führt zu einer kostengünstigen Herstellung in Vielfachkavität mittels Spritzguss. FORTRON 1140L4 ist aufgrund seiner zum Aluminium passenden CLTE-Werte ideal geeignet.

  • Bottom-Kühler: Die parallele Wasserführung reduziert den Druckverlust und sorgt dafür, dass die einzelnen Leistungsmodule mit gleich temperiertem Frischwasser versorgt werden. Dadurch wird der Gesamt-Wärmewiderstand (Rth) reduziert und die Performance erhöht.

  • Top-Kühler: Drei flexible High-Performance-Kühlelemente gleichen Modultoleranzen aus und reduzieren die Schichtdicke des Thermal-Interface-Materials, was ebenfalls zur Performance-Steigerung und Verlustreduzierung beiträgt.

  • Feder: Mit 800 N pro Modul wird die Deformation des Moduls im Betrieb verhindert. Dies vermeidet den sogenannten Auspumpeffekt des TIMs und gewährleistet Langzeitstabilität.

  • High-Performance-Kühlelemente im Bottom- und Top-Kühler:

    1. Hochglanzoberflächen mit einer Rauheit von < 20 nm minimieren die erforderliche TIM-Schicht und reduzieren den thermischen Widerstand. Dies entspricht den thermischen Anbindungsverfahren wie Sintern oder Löten, jedoch zu deutlich geringeren Kosten.

    2. Mikrorippen mit einem Abstand von 0,3 mm maximieren die Austauschfläche zum Wasser, was die Energieabfuhr bei niedrigem Druckverlust maximiert und somit die Verluste bei der Umwandlung von Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) minimiert.

  • Rahmen: Besteht aus AKROTEK® PK VM 30 schwarz (4896) aufgrund seines CTI-Wertes von 600.

ErwinQuarder

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Herausforderung

Die größte Herausforderung bestand darin, die Kunden für die neue MPDB®-Technologie zu gewinnen. Dies gelang uns durch die Entwicklung und erfolgreiche Durchführung von Prototypen sowie durch umfassende Langzeittests, detaillierte Analysen und Validierungen.

Das erste Produkt dieser Technologiefamilie wird ab 2025 in Serie gefertigt. Eine weitere bedeutende Hürde war die Sicherstellung der Langzeitstabilität des Thermal-Interface-Materials (TIM), was nur durch den gezielten Einsatz eines Technologiemixes möglich wurde.

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Leistungsbox von Erwin Quarder Systemtechnik GmbH