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Teilvorhaben: Basis für die Elektromobilität der Zukunft

Das Projekt "Teilvorhaben: Basis für die Elektromobilität der Zukunft" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von AUDI AG durchgeführt. Das Forschungsprojekt HELENE wird die Machbarkeit von GaN-auf-Si als robuste Hochspannungs-Technologie entlang der Wertschöpfungskette bis zu Demonstratoren mit hoher industrieller, gesellschaftlicher und ökologischer Relevanz überprüfen. Diese Technologie bietet einige Vorteile gegenüber dem zurzeit verwendeten SiC-Halbleiter: gesteigerte Effizienz, höhere Schaltfrequenzen, minimierter Flächenverbrauch und ein geringeres Gewicht. Auch die Kosten der GaN-Technologie sind gering genug um eine Konkurrenz darzustellen. HELENE zielt auf die Erforschung der Grundlagen hochdynamischer, kompakter Bordnetzwandler zur Reduzierung bis hin zum Entfall der 48 V-Batterie und Ladegeräten mit 60 % höherer Leistungsdichte und 40 % geringeren Verlusten gegenüber dem Stand der Technik, bei Erfüllung international geltender Zuverlässigkeitsanforderungen.

Teilvorhaben: Automotivegerechte Umsetzung von Wandlersystemen

Das Projekt "Teilvorhaben: Automotivegerechte Umsetzung von Wandlersystemen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von HELLA KGaA Hueck & Co. durchgeführt. Im Projekt wird der Einsatz von GaN-Bauteilen in Leistungswandlern für den Einsatz in EVs und PHEVs untersucht. Immer mehr Sicherheits- und Komfortkomponenten benötigen Leistungen im Bereich größer als 1kW, die im 12V-Bordnetz unzureichend oder gar nicht bedient werden können. Dafür wurden für Pkw weitere Spannungsebenen im Bereich von 48V bzw. über 400V etabliert. Zur Leistungsübertragung zwischen diesen Spannungsebenen sind kompakte, effiziente und zuverlässige Wandler erforderlich. Zunächst wird ein hochdynamischer, bidirektionaler Bordnetzwandler mit einer Nennleistung von ca. 6kW entwickelt, der eine Verkleinerung bzw. Entfall der 48V-Batterie ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften neuer GaN-Schalter und innovative AVT-Ansätze zur Kühlung eingesetzt, um trotz erhöhter Anforderungen eine kompakte, zuverlässige und effiziente Lösung zu ermöglichen. Zur Ladung der Traktionsbatterie soll ein Ladegerät mit etwa 3,7kW mit Skalierungsoption auf 11kW bei dreiphasiger Versorgung entwickelt werden, das gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung der Leistungsdichte um 60% mit gleichzeitiger Senkung der Umwandlungsverluste um 40% aufweist. Im Teilvorhaben werden die Systemanforderungen analysiert und darauf aufbauend Funktionsmuster und Demonstratoren entwickelt, aufgebaut und validiert.

Teilvorhaben: Schaltungen und Regelungen für GaN-basierte Bordnetzwandler

Das Projekt "Teilvorhaben: Schaltungen und Regelungen für GaN-basierte Bordnetzwandler" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Paderborn, Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik, Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) durchgeführt. Beim Fachgebiet LEA werden für On-Board-Wandler neuartige Topologien und geeignete Regelungsansätze entwickelt, die besonders die Vorteile von schnellen Wide-Bandgap-Schaltern (WBG) ausnutzen, ergänzt um eine Reduzierung der Wandlungsstufen. Im Zuge der Optimierung wird eine funktionsübergreifende, niederinduktive Schaltzelleinheit zur Reduzierung der Filtergrößen, verbesserten Kühlung und Skalierbarkeit der Leistungsklasse entwickelt, die für modularisierbare Interleavingtechnik geeignet ist. Durch Resonanzbetrieb und integrierte Elektro-Magnetische-Verträglichkeit-(EMV)-Filter werden elektromagnetische Störungen verringert. Zur Entwicklung höchstkompakter magnetischer Komponenten werden die Einflussgrößen Kerngeometrie, Ferritmaterial und Wicklungskonzept bezüglich Verluste und Entwärmung im angestrebten Frequenz- und Leistungsbereich untersucht. Im Ergebnis steht ein kompakter, verlustarmer und modularisierbarer Aufbau des Ladewandlers. Weil EMV-Filter erheblichen Bauraum in Ladewandlern beanspruchen, wird mit einer rechnergestützten Mehrzieloptimierung deren Bauvolumen reduziert, indem das Störspektrum für ausgewählte Schaltungen abgeschätzt und optimale Geometrieparameter des EMV-Filters ermittelt werden. Zudem ist LEA bei der Schaltungsauswahl, -auslegung und Regelungsentwurf für den DC-DC-Wandler beratend beteiligt. Der Nachweis der Ergebnisse erfolgt durch Aufbau von 2 Ergebnisdemonstratoren und 3 Funktionsmustern.

Teilvorhaben: Untersuchung luftgekühlter Bordnetzwandler und Nebenaggregats-Wechselrichter für Nutzfahrzeuge

Das Projekt "Teilvorhaben: Untersuchung luftgekühlter Bordnetzwandler und Nebenaggregats-Wechselrichter für Nutzfahrzeuge" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Institut für Industrielle Informationstechnik (inIT), Labor Leistungselektronik und Elektrische Antriebe durchgeführt. Im Rahmen des Teilvorhabens wird das Labor für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe (LLA) sich auf Untersuchungen zur Verlustreduzierung und Wärmespreizung in luftgekühlten Systemen konzentrieren und die Einsetzbarkeit der neuen Technologien in den Gebieten Hochvoltanwendungen und Kleinspannungsmotoren sowie auch in anderen Anwendungsfeldern erforschen. Das LLA wird dazu, in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Lenze, Demonstratoren aufbauen, die eine Verwertung und Darstellung der Projektergebnisse ermöglichen und den Technologiegewinn aufzeigen. Die Hochschule Ostwestfalen-Lippe wird an der Spezifikation für luftgekühlte Nebenaggregatswechselrichter mit und ohne Potentialtrennung und DC/DC-Bordnetzwandler in Hochvolttechnologie (AP 1.1) mitarbeiten. Auf Basis dieser Spezifikationen wird ein parametrierbares Entwärmungsmodell aufgebaut um die Realisierbarkeit zu überprüfen(AP 2.1). Im Rahmen des Arbeitspakets 2.2 werden, mit dem Ziel der Verlustleistungsreduktion, DC/DC-Wandlertopologien untersucht. Ausgehend der vorher sowie parallel stattfinden Untersuchungen werden dann realisierbare Konzepte für die zu konstruierenden Demonstratoren entwickelt. (AP 2.3) Auf Basis der Konzeptentwicklung werden dann mehrere Demonstratoren aufgebaut. In AP 3.1 wird einerseits ein Nebenaggregatswechselrichter ohne Potentialtrennung für größere Leistungen und andererseits mit Potentialtrennung für Kleinspannungsmotoren entwickelt und im Rahmen eines Demonstrators realisiert. Außerdem wird ein dritter Demonstrator aufgebaut, der als DC/DC Wandler für den Energieaustausch zwischen HV- und NV-Bordnetz zuständig ist (AP 3.2). Anschließend erfolgen für alle Demonstratoren umfangreiche Labortests (AP 4.1, AP 4.3), mit dem Ziel, die Projektergebnisse nachfolgend in einer Nutzfahrzeugumgebung zu evaluieren (AP 5.1). Außerdem werden in AP 4.2 die Demonstratoren mit Niederspannungsnetzanbindung aller Projektpartner hinsichtlich ihrer Netzrückwirkungen vermessen.

Teilvorhaben: Lebensdauermodellierung für Verschleißausfälle auf Leiterplatten

Das Projekt "Teilvorhaben: Lebensdauermodellierung für Verschleißausfälle auf Leiterplatten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie durchgeführt. Es wird ein hochdynamischer, bidirektionaler Bordnetzwandler mit einer Nennleistung von ca. 6 kW entwickelt, der eine Verkleinerung bzw. Entfall der 48 V-Batterie ermöglicht. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften neuer GaN-Schalter und innovative Kühlungsansätze der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) eingesetzt, um trotz erhöhter Anforderungen eine kompakte, zuverlässige und effiziente Lösung zu ermöglichen. Dazu werden neuartige Konzepte für den Kühlkreis und das Gehäuse untersucht. Weiterhin werden Lebensdauermodelle anhand von Simulationen und Messungen für die neuen hochintegrierten AVT-Ansätze mit GaN-Schaltern erarbeitet und durch Zuverlässigkeitstests verifiziert.

Teilvorhaben: Auslegung und Qualifizierung der Hardware nach gültigen EMV Richtlinien

Das Projekt "Teilvorhaben: Auslegung und Qualifizierung der Hardware nach gültigen EMV Richtlinien" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von KFE Kompetenzzentrum Fahrzeug Elektronik GmbH durchgeführt. Das Forschungsprojekt HELENE zielt auf die Erforschung von Grundlagen für hochdynamische, kompakte Bordnetzwandler zur Reduzierung bis Entfall der 48 V-Batterie und Ladegeräten mit 60 % höherer Leistungsdichte und 40 % geringeren Verlusten gegenüber dem Stand der Technik, bei Erfüllung international geltender Zuverlässigkeitsanforderungen.

Teilvorhaben: Neuartige induktive Bauelemente für HELENE

Das Projekt "Teilvorhaben: Neuartige induktive Bauelemente für HELENE" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von SUMIDA Components & Modules GmbH durchgeführt. Das Forschungsprojekt zielt auf die Bearbeitung der Grundlagen hochdynamischer, kompakter Bordnetzwandler zur Verkleinerung oder Entfall der 48 V-Batterie und deren Ladegeräte mit 60 % höherer Leistungsdichte und 40 % geringeren Verlusten gegenüber dem Stand der Technik. Für On-Board-Wandler werden neuartige Topologien und geeignete Regelungsansätze entwickelt, die besonders die Vorteile von schnellen Wide-Bandgap-Schalter (WBG) ausnutzen. Durch Resonanzbetrieb und integrierte EMV-Filter werden elektromagnetische Störungen verringert. Durch neuartige Montagetechnologien der Leistungshalbleiter wird die thermomechanische Ermüdung verbessert. Zur Entwicklung kompakter magnetischer Komponenten werden die dominanten Einflussgrößen bezüglich Verluste und Entwärmung hin zu einem effizienten und modularem Aufbau erforscht und optimiert. Dazu werden innovative Vormagnetisierungs-Verfahren entwickelt. Zudem werden Integrationsansätze zur multifunktionalen Nutzung einzelner Magnetkerne wie Schwingkreisspulen und Transformatoren untersucht. Mit einer rechnergestützten Mehrzieloptimierung wird das Bauvolumen der EMV-Filter reduziert. Der Nachweis erfolgt durch Aufbau von Ergebnisdemonstratoren und Funktionsmustern.

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