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Gut zu sehen sind die als Profile und Drähte ausgebildeten massiven Kupferelemente, die auf FR4-Basismaterial mittels Ultraschallverbindungstechnik aufgebracht wurden.
Die gesamte Einheit der Motorensteuerung lässt sich dank HSMtec auf einer einzigen Leiterplatte unterbringen.
Die noch unbestückte Motorensteuerung für den eScooter: Zuerst wird die Endstufe, ein integriertes Three-Phase-Full-Bridge-Modul mit sechs MOSFETs, montiert
Biegestelle mit Kerbfräsungen: Die integrierten Drähte bzw. Profile erlauben die Konstruktion von selbsttragenden mehrdimensionalen Leiterplatten sowie das gezielte Führen von Wärme und hohen Strömen über die Biegekante.
Der etwa 10 kg schwere ADAC-Starthilfekoffer ist mobil einsetzbar und enthält eine eigene Steuerungselektronik, die Startenergie aus einem Li-Ion-Akku und Doppelschicht-Kondensatoren bereitstellt.
Hohe Ströme fließen durch die Leiterplatte des ADAC-Starthilfekoffers: Je nach Batterieausführung können es 250 A oder bis zu 400 A sein um das Auto wieder flott zu kriegen.

Eine recht nette Anwendung der Elektromobilität ist der akkugetriebene Motorroller „eScooter“, der besonders in ländlichen Gegenden das Leben der Postboten erleichtern soll. In der Schweiz fand bereits ein Pilotprojekt statt, das auf der Motorsteuerung der Rising-edge GmbH basierte.Für ein angenehmes Fahrgefühl und Wendigkeit sorgt ein permanentmagneterregter Dreiphasen-Synchronmotor mit einer Leistung von bis zu 15 kW. Dabei liefert der Motorcontroller bis zu 270 A Ausgangsstrom, kontinuierlich fliessen 160 A. Ein FPGA stellt die nötige Rechenleistung für die Berechnung der feldorientierten Vektorregelung (FOC) bereit. Die Endstufe bildet ein integriertes Dreiphasen-Full-Bridge-Modul mit sechs MOSFETs, das in THT-Technik auf die Leiterplatte bestückt ist. Dies bedingt, dass die Motorenströme über die Leiterplatte zum Motor gelangen müssen.

 Im Fall der Motorsteuerung für die eScooter waren bislang spezielle Montagen nötig, um grosse Ströme über die Leiterplatte führen zu können. Mit HSMtec ist es jedoch möglich, das gesamte Motorsteuerungsmodul mit einer Fläche von 228 x 75 mm2 auf einer einzigen Leiterplatte unterzubringen. Die eingesetzten massiven Kupferelemente, die im vierlagigen Multilayer eingepasst sind, leiten den Strom zügig weiter und sorgen gleichzeitig für rasche Entwärmung. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit, da weder Schraubanschlüsse noch eine Kabelverbindung zwischen Modul und Leiterplatte erforderlich sind. Der Motorcontroller ist nicht nur für die Motorenansteuerung zuständig, sondern regelt auch die Rekuperation, also die Rückgewinnung der Bremsenergie. Dabei wird das Zusammenspiel einer mechanischen Bremse und der Rekuperation so gesteuert, dass möglichst viel Energie zurückgewonnen werden kann, aber auch immer die vom Benutzer geforderte Bremsleistung erreicht wird.

Universelles Umrichtermodul

Auch in einem IGBT-basierten Mehrfachumrichter (MCB, Multi-Converter-Box) für Fahrzeuganwendungen von Semikron arbeitet eine HSMtec-Platine. Dabei galt es gleich mehrere technische Herausforderungen zu bewältigen, darunter die Abstände für Luft und Kriechstrecken, Stromtragfähigkeit der elf Leistungspfade bei einer Umgebung von +105 °C und geringem Wärmeeintrag, mäanderförmige Verschachtelung der Platzierung, analoge Strommessung der Wechselrichter (SV-Signale), niederohmige Spannungsversorgung und getrennt geführte Bussysteme. Mit Unterstützung der Technologen von Häusermann konnte die optimale Aufbau- und Verbindungstechnik für die Anwendung gefunden werden. Dabei ist es mit der Leiterplattentechnologie HSMtec möglich, Hochstromleitungen mit idealen Querschnitten positionsgenau im Board einzubetten. Konkret dient die MCB als Traktor-Steuergerät zur Ansteuerung der Hydraulik, Klima, Lüftung, etc. und ist wassergekühlt.

Ein anderes interessantes HSMtec-Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Drivetec für eine Anwendung im Motorenbereich umgesetzt. Dabei sollen die Abgase vom Turbolader auf ein Schaufelrad gelenkt werden, so dass sich Umlaufgeschwindigkeiten von bis zu 120.000 U/min realsieren lassen. Mittels Generator wird hier Energie in die Batterie rückgespeist.

Gut im Rennen

Richtig rasant wird es beim studentischen Wettbewerb „Formula Student“. Hier beweisen Studenten mit ihrem selbst entwickelten Rennwagen Ingenieurssachverstand, Teamfähigkeit und Marketinggeschick. Zahlreiche Teams internationaler Universitäten liefern sich alljährlich auf verschiedenen Rennparcours spannende Wettbewerbe in verschiedenen Disziplinen. Das aus 63 Studenten bestehende TU Graz Racing Team ist ein Rennstall der Technischen Universität Graz, der jährlich zwei Rennwagen der Klasse Formula Student und Formula Student Elektrik konstruiert und fertigt, an der weltweit über 400 universitäre Teams teilnehmen. Das allgemeine Ziel, die besten Formula-Student-Rennwägen zu bauen wird in erster Linie durch Optimierung der Module Elektronischer Antriebsstrang, Chassis, Elektronik, Fahrwerk und Motor angestrebt.

In Silverstone  schickte das Team 2011 seinen Rennboliden MaxWheel ins Rennen. Die Konstruktion mit nasslaminiertem Carbon-Monocoque und das einteilige Heck sind auf geringes Gewicht ausgelegt. Aus zwei permanenterregten Synchronmaschinen mit je 60 kW Spitzenleistung besteht der Antrieb. Der 280 kg leichte Rennwagen erreicht eine maximale Drehzahl von 8500 U/min bei einer Sekundärübersetzung von 1:3. MaxWheel beschleunigt in 4,5 s auf 100 km/h und erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 115 km/h. Die Fahrzeugsteuerung wird durch eine MicroAutoBox von dSpace realisiert, ein Echtzeitsystem für schnelles Funktions-Prototyping in Fullpass- und Bypass-Szenarien. Als Stromrichter dient das Leistungshalbleitermodul Hybrid Kit for HybridPACK 1 von Infineon Technologies.

Einen beachtlichen Erfolg erzielte MaxWheel 2011 am Hockenheimring: Das Racer-Team der TU Graz holte sich die Auszeichnung „Most Energy Efficient Car“. Im MaxWheel sind insgesamt 84 Batteriezellen bestehend aus Lithium-Polymer-Zellen mit 20 Ah Nennkapazität und einem Gesamtgewicht von 48kg verbaut. Um einen effizienten Ladevorgang zu gewährleisten, ist es nötig, die Spannung zwischen den einzelnen Zellen zu messen und elektronisch auszuwerten. Die Kombination von Ansteuerungs- und Signalverarbeitungstechnik mit Leistungshalbleitern auf einer Leiterplatte stellt auch in der Elektromobilität eine Herausforderung dar. Neben den Anforderungen an Platz und Gewicht gilt es hohe Ströme zu bewältigen und gleichzeitig für rasche Abwärme zu sorgen. Die Platinentechnik HSMtec mit ihren massiven Kupferelemente ist für derartige Aufgaben prädestiniert.

Im Graben gelandet

Wenn die schöne Fahrt mit einem liegengebliebenen Wagen endet, ist das ärgerlich; die zunehmende Elektrifizierung stellt besondere Anforderungen an die Batterie. Sie muss nicht nur den Strom für Kaltstarts liefern, sondern zudem dafür sorgen, dass anspruchsvolle Elektronik auch während der Fahrt stets mit ausreichender Energie versorgt ist. Gleichzeitig ist sie auch das größte Sorgenkind: Häufigste Ursache für Pannenhilfe ist eine funktionsuntüchtige Batterie.

Eine komfortable Lösung um Autobatterien bei einer Pannenhilfe effizient und schnell aufzuladen, hat das Unternehmen Rapid-e-Engineering ersonnen. In enger Zusammenarbeit mit dem ADAC wurde in knapp zwei Jahren ein spezieller Starthilfekoffer entwickelt, der mobil einsetzbar ist. Das etwa 10 kg schwere Gerät enthält eine eigene Steuerungselektronik, die Startenergie aus einem Li-Ion-Akku und Doppelschicht-Kondensatoren bereitstellt. Die in Modulen aufgebauten SuperCaps weisen sehr hohe Kapazitäten von 110 F bei einer Nennspannung von 14 V auf. Durch ihre recht hohen Entladeströme von 1400 A sind sie in der Lage, die nötige Startenergie unter allen Temperaturbedingungen bereitzustellen. Um jedoch die Batterie sinnvoll aufzuladen, ist überdies eine Batteriediagnose nötig: Schließlich dürfen beim Ladevorgang keine Spannungsspitzen auftreten, die zu Fehlfunktionen etwa von Sensoren führen könnten.

Das bedeutet indes, dass hohe Ströme durch die Leiterplatte fließen. Je nach Batterieausführung können es 250 A oder bis zu 400 A sein, die für kurze Zeit (max. 20 s) aus dem SuperCap über die Platine zur Nehmerbatterie fließen, um so das Auto wieder starten zu können. Auch hier kann HSMtec seine Stärken ausspielen. Die verwendete vierlagige Mutilayer-Leiterplatte auf FR4-Basis ist 2 mm dick und 150 mm x 110 mm groß. In diese HSMtec-Platine wurden in den Innenlagen insgesamt 290 mm Kupferprofile mit den Breiten 8 mm und 12 mm integriert. In den Außenlagen fanden knapp 203 mm Kupferprofile mit Breiten von 2 mm und 4 mm Verwendung. Durch die integrierten Kupferprofile war es möglich, die Erwärmung der Hochstromleiterbahnen auf maximal 40 °C zu begrenzen.

 

Rauchende Boards vermeiden

Bei Stromversorgungen hat das Layout einen ganz entscheidenden Einfluss auf die Funktionalität des Boards. Auch wenn eine Stromversorgungsschaltung auf dem Papier richtig dimensioniert wurde, heißt das noch lange nicht, dass sie auch in der Praxis so funktioniert wie erhofft. Mit HSMtec lassen sich Leistungselektronik und effizientes Wärmemangement sinnvoll vereinen.