Beschaffung einer Batterieprüfanlage, um Alterungstests an Modulen mit Balancierungssystemen durchführen zu können TTZ-EMO Mitarbeiter David Oeser und Andreas Ziegler mit [...]
Forschungsprojekt der TH Nürnberg gewährleistet störungsfreien Betrieb von Elektromotoren Foto: Stefan Köhler (TH Nürnberg) Gehört die Zukunft der Elektromobilität? Die [...]
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.