Innovative Antriebsmaschinen für die Elektromobilität

Forschungsprojekt der TH Nürnberg gewährleistet störungsfreien Betrieb von Elektromotoren

  • Foto: Stefan Köhler (TH Nürnberg)

Gehört die Zukunft der Elektromobilität? Die zeitnahe Entwicklung von effizienten, sicheren und wirtschaftlich herstellbaren Technologien wird für den Markterfolg in der Automobilindustrie und bei den Kunden entscheidend sein. Das Team um Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner von der TH Nürnberg forscht an Schätzmethoden des Rotorzustands von fremderregten Synchronmaschinen, mit dem Ziel, den störungsfreien Betrieb von Elektromotoren sicherzustellen – ein wichtiger Beitrag für die Entwicklung innovativer und effizienter Antriebsmaschinen für Elektromotoren. Die Staedtler-Stiftung fördert das Projekt mit 40.000 Euro.

Die Forschung in der Elektromobilität startete in den letzten Jahren durch, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickeln immer neuere und effizientere Technologien für die ökologisch nachhaltigen Fahrzeuge. Mit der Energiewende wird die Nachfrage nach umweltfreundlichen Lösungen in allen Bereichen der Technik immer größer.

Ob die Zukunft auf dem Mobilitätsmarkt der Elektromobilität gehört, entscheidet sich an der Entwicklung effizienterer und zugleich sicherer Systeme.
Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner von der Fakultät Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik (efi) der TH Nürnberg forscht mit seinem Team an der Optimierung von Schätzungsmethoden des Rotorzustands für einen in der Elektromobilität sehr interessanten Motortypen, der fremderregten Synchronmaschine. Das Hauptziel des Projekts ist es, den störungsfreien Betrieb von Elektromotoren sicherzustellen – ein wichtiger Erfolgsfaktor für die Weiterentwicklung der Elektromobilität. In seinem Projekt „Rotorzustandsschätzung für fremderregte Synchronmaschinen“ entwickelt Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner mit seinem Team dazu neue technologische Ansätze.
In der Elektromobilität werden derzeit vor allem permanenterregte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen eingesetzt. Beide Antriebskonzepte weisen Vor- und Nachteile auf: Die permanenterregten Synchronmaschinen haben eine hohe Leistungsdichte und einen günstigen Wirkungsgrad. Sie benötigen jedoch aufwendige Elektronik, um Ausfälle zu verhindern, und Seltene-Erde-Magnete, die sehr teuer und endlich in ihrer Verfügbarkeit sind.

Die Asynchronmaschinen sind sehr robust, sicher im Betrieb und enthalten keine Seltenen Erden. Allerdings weisen ihr Wirkungsgrad und ihre Leistungsdichte ein ungünstigeres Profil auf als die permanenterregten Synchronmaschinen.
„Ich arbeite seit einigen Jahren am optimierten Betrieb von fremderregten Synchronmaschinen, um so den Weg für eine innovative und zukunftsorientierte Elektromobilität zu öffnen“, so Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner. Fremderregte Synchronmaschinen kommen ohne Seltene-Erden-Magnete aus, mit einem hohen Wirkungsgrad verbinden sie die Vorteile der bereits bekannten Antriebskonzepte.
Bei fremderregten Synchronmaschinen erfolgt die Energieübertragung üblicherweise mittels eines Schleifringsystems auf den Rotor, wodurch es zu mechanischem Verschleiß und durch den entstehenden Abrieb im Luftspalt zu Hochvolt-Isolationsproblemen kommen kann. Der Schleifring ist deshalb einer der größten Nachteile dieses interessanten Motortyps. In dem im Jahr 2016 erfolgreich abgeschlossenen Forschungs-Verbundprojekt FORELMO, an dem die TH Nürnberg beteiligt war, wurde bereits ein kontaktloses Energieübertragungssystem entwickelt, das diese Nachteile der fremderregten Synchronmaschinen erfolgreich beseitigt. Durch das kontaktlose System können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Rotorstrom allerdings nicht direkt messen. „Wir nutzen mathematische Modelle und Berechnungsverfahren, um den Rotorstrom und den Rotorwiderstand aus anderen Messgrößen zu schätzen“, fasst Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner den neuen technologischen Ansatz zusammen.

Die Kenntnis über den Rotorwiderstand gibt Aufschluss über die Wärmeentwicklung im Rotor und dient damit als Kenngröße für den Überhitzungsschutz. Mit einer noch präziseren Aussage über den Rotorwiderstand lässt sich die fremderregte Synchronmaschine effektiver nutzen, bei einem längeren Betrieb mit höherer Leistungsfähigkeit ohne Überhitzung.
„Die Verbesserungen der Schätzmethode sind ein weiterer Fortschritt, der die Attraktivität der fremderregten Synchronmaschinen für die Automobilbranche erhöht. Dies kann dazu beitragen, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Automobilindustrie zu steigern“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner.

Die Optimierung der Rotorzustandsschätzung ist ein neuer Forschungsansatz im hoch kompetitiven Forschungsfeld der Elektromobilität. Die Entwicklung innovativer und effizienter Antriebsmaschinen für Elektromotoren spielt eine große Rolle bei der Energiewende und im Klimaschutz. Das Projekt der TH Nürnberg leistet dafür einen wichtigen Beitrag und wird von der Staedtler-Stiftung mit 40.000 Euro gefördert.

Quelle.

3Ccar FuE-Projekt: Integrierte Komponenten zur Reduktion der Komplexität in kostengünstigen Elektrofahrzeugen

Motivation
Europa und vor allem Deutschland besitzen in der Mikroelektronik besondere Stärken auf den Gebieten Automobil-, Energie-, Industrie- und Sicherheitselektronik. Um die Mikroelektronikkompetenz im Hinblick auf eine breite Digitalisierung zu stärken, fördert die Europäische Kommission gemeinsam mit Mitgliedsstaaten in der Initiative ECSEL Forschungsvorhaben und Pilotlinien. Deutsche Schwerpunkte liegen dabei auf multifunktionalen Elektroniksystemen, energiesparender Leistungselektronik, Design komplexer Systeme sowie Produktionstechnologien.

 

Ziele und Vorgehen
Ziel des Forschungsvorhabens 3Ccar, in dem 11 deutsche Partner mit 38 europäischen Partnern zusammenarbeiten, ist eine Steigerung der Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit von Elektroniksystemen für Elektrofahrzeuge. Hierbei sollen die Funktionalität und der Integrationsgrad wichtiger Komponenten für die Einsatzbereiche Antrieb, Bordnetz und Energiespeicher gesteigert werden, beispielsweise durch den Einsatz neuer Halbleitermaterialien in der Leistungselektronik. Auf Systemebene wollen die Partner mit Hilfe optimierter elektrischer Netzarchitekturen und leistungsfähiger Steuergeräte gleichzeitig die Komplexität und den Entwicklungsaufwand senken.

 

Innovationen und Perspektiven
Die in 3Ccar erforschten Technologien können die Energieeffizienz und damit auch die Reichweite von Elektrofahrzeugen steigern und so die Akzeptanz und den Markterfolg der Elektromobilität erhöhen. Die angestrebte Systemvereinfachung ermöglicht deutschen Fahrzeugherstellern und Zulieferern zudem, Skalierungseffekte zu nutzen, Entwicklungsaufwände zu senken und so ihre Wettbewerbsfähigkeit weiter zu steigern. Die im Projekt untersuchten zuverlässigen Systemdesigns könnten langfristig in weiteren Anwendungsbereichen mit höchsten Sicherheitsanforderungen, wie etwa der Luftfahrt, genutzt werden.

Europäische Partner
Österreich: AVL List GmbH, Infineon Technologies Austria AG, TTTEch Computertechnik AG, Kompetenzzentrum – Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft mbH, Technical University Graz, Tschechien: Brno University of Technology, Institut mikroelektronickych aplikaci s.r.o., ON Design Czech s.r.o., Frankreich: Valeo Equipements Electriques Moteur SAS, STMicroelectronics (Grand Ouest) SAS, Valeo Systèmes de Contrôle Moteur SAS, Commis-sariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives CEA, Hutchinson SA (assoziiert), Rumänien: Infineon Techno-logies Romania and Co. Societate in Comandita Simpla, Institutul National de Cercetare Dezvoltare Pentru Microtehnologie, Belgien: ON Semiconductor Belgium BVBA, Tenneco Automotive Europe BVBA, Vereinigtes Kö-nigreich: QinetiQ Limited, Niederlande: NXP Semiconductors Netherlands BV, Technische Universiteit Eindhoven, Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek, Lettland: Elektronikas un datorzinātņu institūts, Finnland: Teknologian tutkimuskeskus VTT, Murata Electronics Oy, Okmetic Oyj, Spanien: Fundación Tecnalia Research & Innovation, Advanced Automotive Antennas S.I., Fico Triad S.A., IXION Industry & Aerospace SL, Italien: Ideas & Motion S.r.l., Torino E-District Consorzio, Solbian Energie Alternative SRL, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Interactive Fully Electrical Vehicles, University di Pisa, Litauen: Vilnius Gediminas Technical Universi-ty, UAB Metis Baltic

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg sind das Fraunhofer IISB, die OTH Amberger sowie die SIEMENS AG beteiligt. Internationale Partner sind bspw. NXP Semiconductors Netherlands BV, und die Technische Universiteit Eindhoven.

FuE-Projekt: Elektronisches Längs- und Querführungssystem für automatisierte Fahrmanöver

Motivation
Intelligente und nachhaltige Mobilität ist ein zentrales Ziel der neuen Hightech-Strategie. Forschungsarbeiten zu Elektroniksystemen für die Elektromobilität sowie automatisiertes, elektrisches Fahren leisten hier wesentliche Beiträge. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge können gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmaschinen bei automatisierten Fahrfunktionen, die deutlich über den Stand der Technik wie bspw. Einpark- oder Überholassistenten hinausgehen, spezifische Vor-teile bieten und durch ihre Leistungsfähigkeit überzeugen.

 

Ziele und Vorgehen
Das Projekt OmniSteer geht mit seiner Zielsetzung hinsichtlich neuartiger, automatisierter Fahrmanöver deutlich weiter als heutige Systeme. Durch die Integration des elektrischen Antriebs in die einzelnen Räder ergeben sich Vorteile, die bisher nicht realisiert werden konnten. Fahrmanöver in beengten Situationen werden so zeitlich wie auch energetisch effizienter. Beispielsweise im Zustelldienst kann der Zeit- und Energiebedarf deutlich reduziert werden, da sogar kontinuierlich aus der Fahrt heraus ein Einparken quer zur Fahrrichtung möglich ist (ominidirektional) und somit kleinste Parklücken effizient genutzt werden können.

Erst die Radintegration des elektrischen Antriebsstranges ermöglicht diese Innovation. Im Projekt entsteht ein verkleinertes Demonstrationsfahrzeug, das schnell und kostengünstig umgesetzt werden kann. Das Fahrzeug kann mit Sensoren das Umfeld erkennen, den bestmöglichen Fahrweg errechnen und dann Manöver eigenständig ausführen. Der Fahrer wird den Vorgang mit Hilfe einer eigens entwickelten Anzeige im Fahrzeug nachvollziehen können und behält so jederzeit die Kontrolle über das Fahrzeug.

Innovationen und Perspektiven
Die neuartige Kombination aus einzeln elektrisch angetriebenen und lenkbaren Rädern führt zu völlig neuen automatisierten Fahrfunktionen, welche die Manövrierfähigkeit und somit das Leistungsspektrum von Fahrzeugen erhöht. Darüber hinaus werden Energie- und somit die Betriebskosten gesenkt. Mit innovativen Fahrzeugen, die neue automatisierte Fahrfunktionen für den mobilen Menschen nutzbar wird die Position Deutschlands als Leitanbieter für E-Fahrzeuge gestärkt.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg ist die Firma SCHAEFFLER beteiligt.

FuE-Projekt: Hocheffiziente und skalierbare Elektronikbausteine für Antrie-be von Elektrofahrzeugen

Motivation
Intelligente und nachhaltige Mobilität ist ein zentrales Ziel der neuen Hightech-Strategie. Forschungsarbeiten zu innovativen Elektroniksystemen für die Elektromobilität sowie automatisiertes, elektrisches Fahren leisten hier wesentliche Beiträge. Die benötigte hochkomplexe Leistungselektronik muss derzeit für Fahrzeuge unterschiedlicher Leistungsklassen jeweils neu entwickelt werden. Ein skalierbares, breiter einsetzbares Baukastensystem, das zugleich auf neuen Halbleiterbauelementen gesteigerter Leistung aufbaut, kann erhebliche Vorteile für eine leistungsgesteigerte und kosteneffiziente Elektromobilität erschließen.

 

Ziele und Vorgehen
Im Projekt HoskA sollen neue Komponenten für skalierbare Umrichterbausteine für den Einsatz in Antrieben von Elektrofahrzeugen entwickelt werden. Diese erlauben es, höchste Wirkungsgrade sowie eine Leistungssteigerung deutlich über dem heutigen Stand der Technik zu erreichen. Realisiert wird dies durch den Einsatz von schnellschaltenden Halbleitern sowie neuartiger niederinduktiver Chip-Kontaktierungs-Technologie auf Folien-Basis und hochfrequenter Kondensatoren. So wird es möglich, höhere Fahrzeug-Bordnetzspannungen und damit eine Reduktion der Ströme und der Wärmeverluste zu realisieren. Die Kombination der Entwicklungen wird zu einer weiteren Effizienzsteigerung im Antrieb beitragen.

 

Innovationen und Perspektiven
Durch die Flexibilität des Baukastens kann die benötigte Elektronik schnell und kostengünstig an neue Anwendungen angepasst werden. Der entwickelte leistungsgesteigerte Umrichter kann sowohl in Elektrofahrzeugen als auch darüber hinaus in Anwendungen wie z. B. einem luftgelagerten Brennstoffzellen-Kompressor mit integrierter Leis-tungselektronik zum Einsatz kommen.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg sind das Fraunhofer IISB und die Firma SEMIKRON beteiligt.

FuE-Projekt: Elektroniksysteme für die Sensordatenfusion beim automatisierten elektrischen Fahren

Motivation
Intelligente und nachhaltige Mobilität ist ein zentrales Ziel der neuen Hightech-Strategie. Forschungsarbeiten zu innovativen Elektroniksystemen für die Elektromobilität sowie automatisiertes, vernetztes, elektrisches Fahren leisten hier wesentliche Beträge. Eine konkrete Herausforderung ist es dabei, Daten zum Fahrzeugum-feld aus unterschiedlichen Quellen in einem zentralen Steuergerät im Fahrzeug zu einem digitalen Modell der Umgebung zu verschmelzen, um verschiedene automatisierte Fahrfunktionen zu ermöglichen.

Ziele und Vorgehen
Im Projekt OFP wird ein neuartiges elektronisches Steuergerät für automatisierte Fahrzeuge entwickelt, das Daten aller derzeit gängigen Automobilsensoren über offene Schnittstellen einlesen und komplexe Sensordatenfusionen durchführen kann. Damit ist das System in der Lage, verschiedene Fahrfunktionen von Fahrerassistenz bis zum hochautomatisierten Fahren zu unterstützen bzw. komplett auszuführen. Die zu entwickelnde Hardware sowie darin eingebettete Algorithmen fusionieren die Daten aus Kameras, Radarsensoren, digitalen Karten und aus der drahtlosen Fahrzeugkommunikation zu einem dreidimensionalen Umgebungsmodell und übernehmen die Planung der Fahrzeugbewegung. Sie genügen dabei den hohen Sicherheitsanforderungen des Automobilsektors. Im Projekt wird als beispielhafte Anwendung das autonome, induktive Laden und anschließende Umparken von Elektrofahrzeugen auf einem Parkplatz technisch umgesetzt.

 

Innovationen und Perspektiven
Die entwickelte Fusionsplattform vereint neuartige, bisher nicht verfügbare Sicherheitsfunktionen mit rechenstarken Prozessoren. Aufgrund ihrer offenen Schnittstellen wird sie allen OEM und Zulieferern zur Entwicklung automatisierter Fahrfunktionen zur Verfügung stehen. Die damit ermöglichten hohen Stückzahlen sowie die Verwendung gängiger Sensorik erlauben eine kostengünstigere Umsetzung verschiedener automatisierter Fahrfunktionen. Zudem wird die Plattform Forschern und Entwicklern in Hochschulen, Instituten und Industrie als Referenzarchitektur zur Integration neuer Hard- und Software im Kontext des automatisierten Fahrens die-nen. Damit trägt OFP dazu bei, die führende Rolle der deutschen Forschung und Industrie im Automobilbereich weiter auszubauen.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg ist die Firma Elektrobit beteiligt.

FuE-Projekt: Automatisch rekonfigurierbare Aktoriksteuerungen für aus-fallsichere automatisierte Fahrfunktionen

Motivation
Das automatisierte und vernetzte Fahren ist ein wesentlicher Bestandteil einer zukünftigen intelligenten und nachhaltigen Mobilität. Die Umsetzung automatisierter Fahrfunktionen hängt insbesondere auch von technologischen Fortschritten bei Elektronik und Sensorik ab. Dabei müssen nicht nur die einzelnen Komponenten, sondern das Gesamtsystem so ausfallsicher gemacht werden, dass jederzeit eine sichere Fahrt gewährleistet wird. Da beim vollautomatisierten Fahren auch im Fehlerfall der Mensch nicht mehr eingreift, muss das System bei unvorhergesehenen Ereignissen reagieren können und stets stabil bleiben.

 

Ziele und Vorgehen
Ein möglicher Lösungsweg für einen unterbrechungsfreien Fahrbetrieb wäre eine Verdopplung aller elektrisch/elektronischen Komponenten. Falls eine Komponente ausfällt, wäre dafür eine baugleiche vorhanden, die notfalls genutzt werden könnte. Da dies allerdings weder wirtschaftlich noch technisch effizient ist, werden innerhalb des Projektes AutoKonf Sicherheitslösungen erarbeitet, die durch ein redundantes, generisches Steuergerät erlangt werden. Fällt das für die Lenkungs- oder Bremsfunktion zuständige Steuergerät aus, übernimmt das überzählige generische Steuergerät die jeweilige Aufgabe und kann das Fahrzeug sicher führen. Damit das redundante Steuergerät die Aufgaben der Lenkung- oder Bremssteuerung übernehmen kann, werden im Projekt Elektroniksysteme entwickelt mit denen u.a. die Signalverteilung und Stromversorgung dynamisch geändert werden.

 

Innovationen und Perspektiven
Durch das neue Konzept wird bei gleichbleibender Sicherheit die Komplexität der elektronischen und elektrischen Systeme für das automatisierte Fahren erheblich reduziert und die Fahrzeuge insgesamt günstiger.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus Nordbayern sind die Firmen intedis und LEONI beteiligt.

FuE-Projekt: Galliumnitridbasierte Leistungselektronikmodule für effiziente Elektromobilität

Motivation
Die Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie für die Energieeffizienz. Sie kommt vor allem in Branchen zum Einsatz, in denen Deutschland besondere Stärken hat: etwa in der Automobilindustrie, im Energiesektor und im Maschinen- und Anlagenbau. Innovationen auf Basis neuer Halbleitermaterialien bereiten jetzt den Weg zu Leistungselektroniksystemen der nächsten Generation mit gesteigerter Leistung, Effizienz und Robustheit. Darüber hinaus ermöglichen die neuen Halbleitermaterialien besonders kompakte Bauformen und niedrige Verlustleistungen, wodurch gänzlich neue Anwendungsszenarien erschlossen werden.

Ziele und Vorgehen
Im Vorhaben sollen wesentliche technologische Aspekte der Halbleiter-, Modul-, und Umrichter-entwicklung auf Galliumnitrid-Basis verbessert werden. Diese Entwicklungen sollen das Wide-Band-Gap-Material (Halbleiter mit großer Bandlücke) für die Leistungselektronik in der Elektromobilität verfügbar machen und höhere Arbeitstemperaturen ermöglichen. Schwerpunkt des Vorhabens ist es, einen niederinduktiven und hochintegrierten Umrichter zu entwickeln, der bei großer Zuverlässigkeit einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Leistungsdichte aufweist. Die Ergebnisse werden in einem Demonstrator veranschaulicht.

Innovationen und Perspektiven
Mit dem Umrichter, der auf schnellschaltender Galliumnitrid-Leistungselektronik basiert, stehen dann zuverlässige Bauelemente für die Elektromobilität zur Verfügung. Diese effiziente und kostengünstige Leistungselektronik steigert den Wirkungsgrad und reduziert die Schaltverluste, das Volumen und das Gewicht von Umrichtern. Die Erkenntnisse und Entwicklungen können in Zukunft in Nutzfahrzeugen, der Bahntechnik, der Luftfahrt sowie in der Lade-Infrastruktur für die Elektromobilität zum Einsatz kommen.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus Nürnberg ist die Firma SEMIKRON beteiligt.

FuE-Projekt: Hochzuverlässige und intelligente Bordnetztopologien für automatisierte Fahrzeuge

Motivation
Das automatisierte und vernetzte Fahren ist ein wesentlicher Bestandteil einer zukünftigen intelligenten und nachhaltigen Mobilität. Die Umsetzung automatisierter Fahrfunktionen hängt insbesondere auch von technologischen Fortschritten bei Elektronik und Sensorik ab. Dabei müssen nicht nur die einzelnen Komponenten, sondern das Gesamtsystem so ausfallsicher gemacht werden, dass jederzeit eine sichere Fahrt gewährleistet wird. Da beim vollautomatisierten Fahren auch im Fehlerfall der Mensch nicht mehr eingreift, muss das System bei unvorhergesehenen Ereignissen reagieren können und stets stabil bleiben.

 

Ziele und Vorgehen
Das Projekt HiBord erforscht zukünftige Bordnetztopologien für den Einsatz in hoch- und vollautomatisierten Fahrzeugen. Bordnetztopologien stellen die energetische, logische und räumliche Anordnung aller elektronischen Bauteile sowie deren Zusammenwirken im Fahrzeug dar. Um den Aufbau von vollständig redundanten Systemen zu vermeiden, soll ein intelligenter Verbund aller elektronischen Komponenten eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Fehlertoleranz des Bordnetzes ermöglichen. Die technischen Zielsetzungen umfassen dabei die dynamische Umleitung von Energieflüssen durch intelligente Schnittstellen, aktive dezentrale Energiespeicher zur kurzzeitigen Spannungsversorgung sicherheitskritischer Komponenten, Fehlerdetektion und Zustandsüberwachung der Kabel und Steckkontakte sowie Sof-ware- und Entwicklungswerkzeuge zum Entwurf intelligenter Bordnetzsysteme.

 

Innovationen und Perspektiven
Durch das intelligente Bordnetz können im Fehlerfall während der Fahrt automatische Fahrfunktionen gewährleistet werden, die das Fahrzeug in einen sicheren Zustand bringen. Dadurch wird die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nutzerakzeptanz von automatisierten Fahrzeugen maßgeblich gesteigert.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg sind das Fraunhofer IISB und die Smart Cable GmbH beteiligt.

FuE-Projekt: Modulare Leistungselektronik auf Siliziumcarbid-Basis für Hochspannungsanwendungen

Auf Siliziumcarbid-Basis entwickelte Umrichter werden in zuver-lässigen und robusten Komponenten der Bahn- und Energie-technik angewendet© den-belitsky – Fotolia.com

 

Motivation
Die Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie für die Energieeffizienz. Leistungselektronik kommt vor allem in Branchen zum Einsatz, in denen Deutschland besondere Stärken hat: etwa in der Automobilindustrie, im Energiesektor und im Maschinen- und Anlagenbau. Innovationen auf Basis neuer Halbleitermaterialien bereiten jetzt den Weg zu Leistungselektroniksystemen der nächsten Generation mit gesteigerter Leistung, Effizienz und Robustheit. Darüber hinaus ermöglichen die neuen Halbleitermaterialien besonders kompakte Bauformen und niedrige Verlustleistungen, wodurch gänzlich neue Anwendungsszenarien erschlossen werden.

 

Ziele und Vorgehen
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer hochkompakten, niederinduktiven und skalierbaren Leistungselektronik-Baugruppe auf Siliziumcarbid-Basis für effiziente Hochspannungsanwendungen. Dafür wird ein Konsortium entlang der kompletten Wertschöpfungskette Kondensatoren entwickeln, deren Materialien und Bauformen für die Anforderungen der neuen Hochvolt-Siliziumcarbid-Technologie geeignet sind. Die zu erfor-schenden Bauelemente sollen mit höheren Betriebsspannungen umgehen können und über geringere Einschaltwiderstände und kürzere Schaltzeiten verfügen. Außerdem sind sie auch für den Betrieb bei höheren Temperaturen geeignet. Die Ergebnisse werden in zwei Demonstratoren veranschaulicht. Die zu entwickelnden Umrichter arbeiten zuverlässiger, länger und effizienter als bisherige Baugruppen.

 

Innovationen und Perspektiven
Zum Projektende steht eine miniaturisierte, 10-15-fach schneller schaltende und für unterschiedliche Leistungs- und Spannungsklassen leicht skalierbare Leistungselektronik-Baugruppe für Umrichter zur Verfügung, die u.a. in der Bahn- und Energietechnik angewendet werden kann. Die Elemente eignen sich beispielsweise als aktive Netzfilter zur Stabilisierung des Verteilernetzes, um somit das richtige Spannungsniveau in Ortsnetzen zu sichern. Sie ermöglichen die Reduktion von Schaltverlusten, steigern den Wirkungsgrad und reduzieren das Volumen, den Preis und das Gewicht der Leistungsbaugruppen signifikant. Das Vorhaben bringt dadurch die Elektromobilität und die Energiewende voran.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg ist die Firma SEMIKRON beteiligt.

FuE-Projekt: Hocheffiziente, langlebige und kompakte Leistungselektronik mit Galliumnitrid-Bauelementen für die Elektromobilität der Zukunft

Motivation
Die Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie für die Energieeffizienz. Sie kommt vor allem in Branchen zum Einsatz, in denen Deutschland besondere Stärken hat: etwa in der Automobilindustrie, im Energiesektor und im Maschinen- und Anlagenbau. Innovationen auf Basis neuer Halbleitermaterialien bereiten jetzt den Weg zu Leistungselektroniksystemen der nächsten Generation mit gesteigerter Leistung, Effizienz und Robustheit. Darüber hinaus ermöglichen die neuen Halbleitermaterialien besonders kompakte Bauformen und niedrige Verlustleistungen, wodurch gänzlich neue Anwendungsszenarien erschlossen werden.

Ziele und Vorgehen
Im Projekt sollen die Grundlagen hochdynamischer, kompakter Gleichspannungswandler für das Bordnetz von Elektrofahrzeugen mit höheren Leistungsdichten und geringeren Verlusten erforscht werden. Für dort eingebaute Wandler werden neuartige Schaltkreise und geeignete Regelungsansätze entwickelt, die die Vorteile der neuen Halbleitermaterialien für schnelle Schalter besonders gut ausnutzen. Zur Entwicklung höchstkompakter Komponenten werden die dominanten Einflussgrößen auf Verluste und Entwärmung erforscht und optimiert. Mit einer rechnergestützten Optimierung werden sowohl das Bauvolumen als auch die Störungen durch elektrische oder elektromagnetische Effekte reduziert. Der Nachweis erfolgt durch Aufbau von Ergebnisdemonstratoren und Funktionsmustern.

Innovationen und Perspektiven
Das Projekt wird zu effizienten Komponenten und neuartigen Gerätekonzepten für Wandler in Elektrofahrzeugen führen. Durch die industrielle Umsetzung kann ein wesentlicher Beitrag zu kostengünstigen, effizienten, leichten und kompakten elektrischen Fahrzeugen geleistet werden.

Source: www.elektronikforschung.de

Aus der Metropolregion Nürnberg ist das Fraunhofer IISB beteiligt.