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Teilvorhaben: Nichtlineare modellprädiktive Regelung schnellschaltender Leistungselektronik mit Pulsmusteroptimierung

Das Projekt "Teilvorhaben: Nichtlineare modellprädiktive Regelung schnellschaltender Leistungselektronik mit Pulsmusteroptimierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Albert-Ludwigs-Universität, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Professur für Systemtheorie, Regelungstechnik und Optimierung durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer hochdynamischen Regelungstechnik für den Einsatz hochfrequent taktender Einspeisewechselrichter auf Basis von Siliziumcarbid(SiC) -Halbleitern. Innerhalb des Vorhabens wird ein netzgekoppelter Wechselrichterdemonstrator mit schnellschaltenden SiC -Halbleitern und einem neuartigen modellbasierten Regelansatz entwickelt. Der Demonstrator soll in der Lage sein, sowohl aktuelle als auch zukünftige Vorgaben hinsichtlich Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Regeldynamik bzw. Regelgüte zu erfüllen und somit auch eine flexible Lösung für Anforderungen bieten, die sich im Rahmen der Energiewende durch die Veränderung des Versorgungsnetzes ergeben.

Teilvorhaben 1: Prototyp-Entwicklung und System-Integration

Das Projekt "Teilvorhaben 1: Prototyp-Entwicklung und System-Integration" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von KSB SE & Co. KGaA durchgeführt. In dem Vorhaben sollen drehzahlerhöhende und -regelnde Leistungselektroniken miniaturisiert und in elektrische Pumpenantriebe integriert werden. Der Hauptentwicklungsaufwand liegt hierbei auf der Miniaturisierung und Integration der Leistungselektronik in das Motorgehäuse. Hierfür wird eine zweistufige Strategie verfolgt: zunächst wird die Schaltung spezifisch auf die Anwendung ausgelegt, indem z.B. die Energiespeicherung durch die rotierenden Massen der Pumpe eingerechnet werden. Im zweiten Schritt werden die verbleibenden Komponenten durch eine neue Aufbautechnik so weit wie möglich integriert. Zum Einsatz soll die Einbett-Technologie kommen, bei der Leistungsschalter und andere Bauelemente direkt in den Schaltungsträger integriert werden. Diese neuartige Verbindungstechnik erlaubt gegenüber konventionellen Aufbauten sehr kurze Verbindungswege mit sehr niedrigen parasitären Induktivitäten. Die damit möglichen höheren Schaltfrequenzen erlauben kleinere und verlustärmere magnetische Bauteile, einen verbesserten elektromagnetischen Entwurf sowie einen reduzierten Aufwand für EMV-Filterung. Die Integration der Leistungselektronik in den Elektromotor erfordert eine Überarbeitung der elektromechanischen Motorkonstruktion, der reduzierte Kühlbedarf der miniaturisierten Leistungselektronik soll vom Motor-Kühlkreislauf übernommen werden. Mit Konstruktion, Fertigung und Integration von Leistungselektronik und Motor in einem Versuchsträger soll das Potenzial dieser Lösung demonstriert werden. Dazu sollen Simulation, Verifikation und Qualifizierung des integrierten Systems in einem Prototyp- und Demonstrationsvorhaben erfolgen. AP 1: Projektmanagement (KSB) AP 2: Erarbeitung der Spezifikation (alle Partner) AP 3: Entwicklung+Aufbau Prototyp-Steuerelektronik (Phase 1; TRL 5) AP 4: Entwicklung und Aufbau von Prototypen (Phase 2; TRL 6) AP 5: Aufbau einer Versuchs- und Demonstrationsanlage (Phase 2; TRL 7) AP 6: Qualifizierung des Antriebssystems (Phase 2; TRL 8)

Teilvorhaben: Planare AVT für effiziente GaN-Leistungselektronikmodule

Das Projekt "Teilvorhaben: Planare AVT für effiziente GaN-Leistungselektronikmodule" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. In diesem Projekt werden neuartige schaltungstechnische Lösungen mit GaN-Bauelementen für einen Fahrzeugwechselrichter untersucht. Für die Anwendung im Automobil muss die Lösung zuverlässig, kompakt und kostengünstig sein. Deshalb ist Zuverlässigkeit ein zentrales Thema. Zur Ausnutzung der Vorteile der GaN-Bauelemente (z.B. hohe Temperaturen und schnelles Schalten, geringe Größe), muss eine niederinduktive Aufbau- und Verbindungstechnik angewendet werden. In diesem Projekt soll von Siemens eine planare Aufbau- und Verbindungstechnik speziell für die Anwendung mit GaN-Bauelementen erforscht werden. Durch optimierte Gateansteuerung werden die Bauelemente besser ausgenutzt. Zusätzlich soll ein nachhaltiges Konzept und Design für die elektromagnetische Verträglichkeit erforsch werden. Im Projekt wird ein Demonstrator aufgebaut werden, um die Vorteile durch die neuartigen GaN-Bauelemente aufzuzeigen. Ausgehend von einer Spezifikationsphase (AP1) aus Sicht der Anwendung im Antriebsumrichter wird das Konzept für die neuen Komponenten abgestimmt. Darauf aufbauend werden die benötigten Komponenten des GaN Leistungsmoduls entwickelt und sinterfähige GaN Halbleiter in ein niederinduktives Leistungselektronikmodulaufbau integriert. Der Schwwerpunkt der Arbeiten liegt in den Arbeitspaketen 6 (Entwicklung, Isolation, Konstruktion des Wechselrichters) und AP7 (Demonstrator- und Applikationstests). Für die Anwendung im Antriebsumrichter erfolgt zunächst in AP 6 der Entwurf des Wechselrichters sowie der zugehörigen Komponenten. Im Anschluss wird in AP7 der Antrieb eines E-Fahrzeuges aufgebaut um die erarbeiteten Lösungen zu verifizieren. Ziel ist es, einen kompakten Elektroantrieb für Elektrofahrzeuge der Leistungsklasse 20/60 kW (20 kW Dauerleistung, 60 kW Spitzenleistung) - bestehend aus Wechselrichter, Motor, integrierten du/dt- oder Sinus- und EMV-Filtern und den zugehörigen Steuerungskomponenten - aufzubauen.

Teilvorhaben: Gesamtkonzept und Integration

Das Projekt "Teilvorhaben: Gesamtkonzept und Integration" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Durch den Einsatz maßgeschneiderter Faserverbundtechnik sollen die elektrischen Antriebe leichter, leistungsstärker und geräuschärmer ausgeführt werden. Erste Abschätzungen gehen davon aus, dass an passiven Motorkomponenten bis zu 50% Gewicht eingespart werden kann. Im Fokus stehen Bahn- und Busanwendungen. Auf Systemebene wird eine Steigerung der Leistungsdichte von ca. 1 kW/kg auf ca. 1,5 kW/kg angestrebt. Zum einen wird damit der klassische Leichtbauaspekt über die Nutzung der spezifischen mechanischen Materialeigenschaften der Compositematerialien angestrebt (Stoffleichtbau). Weiterhin wird eine Optimierung der Kühlung durch den Einsatz elektrisch isolierender Compositelösungen möglich. Damit wird eine Systeminnovation ermöglicht, die neue Konstruktionsweisen zugänglich macht (Systemleichtbau). In einer ersten Screeningphase werden geeignete Strukturen bezüglich Umsetzbarkeit und Leichtbaupotential überprüft sowie Ausführungsvarianten abgeleitet. Folgende Baugruppen sollen betrachtet werden: - Lagerschild - Spaltrohr und Rotor - Motorgehäuse - Welle Seitens Siemens erfolgt die Projektbearbeitung an zwei Stellen. Anwendung, Randbedingungen, Anwendungsziele und Verwertung wird durch die Division Traktionsantriebe definiert, die Konzernforschung im Bereich Composite-Entwicklung bringt die technische Expertise zur technisch fundierten Durchführung des Projektes ein. Folgende Inhalte sollen bearbeitet werden: - Anwendungs- und Anforderungsdefinition elektrische Antriebstechnik - Ableitung konkreter Baugruppen und Designanpassung - Materialauswahl und Eigenschaftscharakterisierung im Bezug auf Mechanik, thermische Leitfähigkeit/Beständigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit - Strukturelles Design für Metall- und Compositelösung - Prototyp-Gestaltung und Realisierung im Austausch mit Projektpartnern (Schwerpunkt: Prepreg-/RTM-Technologie) - Bauteil-/ Substrukturprüfung - Systemintegration.

Teilvorhaben: Systemintegration und Entwicklung von Aufbau- und Verbindungstechniken sowie Ansteuerverfahren

Das Projekt "Teilvorhaben: Systemintegration und Entwicklung von Aufbau- und Verbindungstechniken sowie Ansteuerverfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Robert Bosch GmbH durchgeführt. 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. Für eine höhere Marktakzeptanz von Elektrofahrzeugen sind neben der Reichweite auch die Kosten entscheidend. Diese können durch die Steigerung der Wirkungsgrade von elektronischen Komponenten entscheidend gesenkt werden. Der aktuelle Stand der Technik zur Darstellung von hocheffizienten elektrischen Antrieben mit hoher Leistung stößt an seine Grenzen. Ziel im Forschungsprojekt H3Top ist es, die Leistung über eine höhere Spannungslage zu erhöhen und gleichzeitig die Effizienz zu steigern. Dazu soll eine neuartige Wechselrichtertopologie für den Einsatz im Traktionsantrieb in Elektrofahrzeugen erforscht und weiterentwickelt werden. Zum Einsatz kommen dabei vorhandene kostengünstige 650 V-Halbleiterbauteile, wodurch positive Skaleneffekte erwartet werden. Außerdem werden die Themen Bauraum, Lagerströme, EMV, Ausfallsicherheit/Verfügbarkeit und Geräuschemission untersucht, da sie weiteres Potential zur Nutzerakzeptanz versprechen.

Teilvorhaben: Entwicklung eines skalierbaren Umrichtersystems und Demonstratoraufbau

Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung eines skalierbaren Umrichtersystems und Demonstratoraufbau" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Infineon Technologies AG durchgeführt. Mit der 3-Level-Topologie lassen sich neuartige 800V-Hochspannungssysteme unter Verwendung von 650V Leistungshalbleitern anstelle von 1200V Bauteilen wirtschaftlich darstellen und damit drei Ziele verfolgen: - Steigerung der Antriebsleistung durch höhere Betriebsspannung - Hocheffizient durch geringere Schaltverluste, Verluste werden um größer als 20% reduziert - Kosteneffizienz durch automotive-qualifizierter 650V Halbleiter-Technologien Daneben werden die Themen Bauraum, Lagerströme, EMV, Ausfallsicherheit/Verfügbarkeit und Geräuschemission adressiert. Durch die Skalierbarbarkeit adressiert H3TOP Leistungen von 40kW bis 200kW für den Einsatz in allen elektrischen und elektrifizierten Fahrzeugen inkl. Nutzfahrzeuge. Nach der Abbildung der automotive Anforderungen auf die Topologie werden gemeinsam mit den Partnern Demonstratoren in mehreren Leistungsklassen aufgebaut, in Betrieb genommen und vermessen. Dabei wird eine iterative Optimierung der Ergebnisse erreicht.

Definition und Analyse verschiedener induktiv gekoppelter Leistungsübertragungssysteme

Das Projekt "Definition und Analyse verschiedener induktiv gekoppelter Leistungsübertragungssysteme" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ENASYS GmbH durchgeführt. Das Gesamtvorhaben dient der Schaffung einer bidirektionalen drahtlosen Schnittstelle (Hardware/Software) zwischen Fahrzeug und Smart-Home zur Übertragung elektrischer Energie. Traktionsbatterien von E-Fahrzeugen können so als quasistationäre Speicher für das Gesamtsystem verfügbar werden. Die Schnittstelle ist für hohe Sicherheit auszulegen und es werden nur freigegebene Nutzer für Energieflüsse zwischen Haus und Fahrzeug zugelassen. Die betrachteten (quasi-) stationären Energiespeicher und induktiv gekoppelten Komponenten werden über eine Software-Schnittstelle miteinander kommunizieren und so einen Energiefluss untereinander erlauben. Weiterhin soll eine Mensch-Maschine- Schnittstelle bestehen, für Android-Endgeräte (Tablets und Smartphones). Das Gesamtsystem wird in einem umfangreichen Feldversuch erprobt mit nachfolgender Datenauswertung. Teilvorhaben ENASYS: Es werden induktive bidirektionale Übertragungssysteme definiert und an Prototypen untersucht. Hierbei bestimmen die elektrischen und mechanischen Anforderungen von Gebäude- und Fahrzeugseite das Design. Das gewählte Übertragungssystem wird an die Leistungs- und Kommunikationskomponenten von Fahrzeug und Gebäude angepasst. AP1: Spezifikationen/Lastenheft Interaktion Smart-Home/BEV AP1.3 - Hardware, Messtechnik, Software stationär AP1.4 - BEVs, Induktion AP2: Entwicklung/Test Einzelkomponenten für Interaktion Smart-Home/BEV AP2.1 - Batterien, Energiemanagement AP2.2 - BEVs AP2.3 - Smart-Home AP3: Integration / Feldtest Gesamtsystem Smart-Home und BEV AP3.1 - Betreuung Feldtest BEVs AP3.2 - Betreuung Feldtest Smart-Home AP4: Normung/Standardisierung AP4.2 - Normen BEV-Gebäude-Kopplung AP5: Sicherheit/Zuverlässigkeit AP5.1 - FMEA Einzelkomponenten / Gesamtsystem AP5.2 - EMV-Betrachtung AP5.3 - Übertragung / Optimierung Komponenten und Systemebene AP6: Projektkoordination AP6.2 - Öffentlichkeitsarbeit

Teilvorhaben: Neue Konzepte für elektrische Maschinen

Das Projekt "Teilvorhaben: Neue Konzepte für elektrische Maschinen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von AEM - Anhaltische Elektromotorenwerk Dessau GmbH durchgeführt. Ein hoher Wirkungsgrad von Elektrofahrzeugen erfordert die optimale Abstimmung und Kompatibilität der in das Fahrzeug integrierten Hochvoltbatterie, leistungselektronischen Wandler und Antriebe. Lösungen für schnelle, hochstromfähige Zwischenspeicher, energieeffiziente Antriebsregelungen und deren Integration in ein System sind im Kfz-Markt noch nicht Stand der Technik. Durch neue, dynamische Speichertechnologien kann die Energieeffizienz von Hybrid- und Elektrofahrzeugen speziell im Stadtverkehr drastisch erhöht werden. Die Verwendung höherer Taktfrequenzen und verbesserter Ansteuerverfahren der Fahrzeugumrichter gekoppelt mit einem verbesserten Motorendesign, welches die Verkopplungen zwischen Umrichter, Motor und Fahrzeug, reduziert, bietet ein Potenzial zur Erhöhung der Effizienz, der Zuverlässigkeit und der Lebensdauer bei reduzierten EMV-Maßnahmen und einer Gewichtsund Volumenreduktion. Zur deutlichen Reduktion zukünftigen Entwicklungszeiten und -kosten müssen begleitend die Methoden zur Modellierung und Simulation von Elektro- und Hybridfahrzeugen weiterentwickelt werden. Das Projekt schafft einerseits die Grundlagen, dass die Energie effizienter gespeichert und gewandelt werden kann, und andererseits, dass die notwendigen hochgetakteten leistungselektronischen Stellglieder EMV-kompatibel in das System integriert werden können. Das Verbundprojekt teilt sich in die drei Themengebiete 'Zwischenspeicher', 'Antrieb' und 'Systemebene'. Im Teilprojekt 'Zwischenspeicher' wird die Nutzung von Superkondensatoren unter Einbeziehung von Gleichspannungswandlern untersucht. Im Teilprojekt 'Antrieb' wird das optimale Zusammenspiel von Umrichter und Motor einschließlich einer wirkungsgradoptimierten systemkompatiblen Regelung betrachtet. Im Teilprojekt 'Systemebene' wird die Integration der Komponenten in das System unter Aspekten der Elektromagnetischen Verträglichkeit analysiert und verbessert.

Teilvorhaben: Fahrzeugspezifische Maßnahmen und Umsetzung

Das Projekt "Teilvorhaben: Fahrzeugspezifische Maßnahmen und Umsetzung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Volkswagen AG durchgeführt. Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen hängt maßgeblich von der Reichweite ab. Abhängig von Speichertechnologie und energetischer Wandlung ist somit der Wirkungsgrad ein entscheidender Parameter für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Dazu müssen die Hochvoltbatterie, die leistungselektronischen Wandler und die Antriebe optimal aufeinander abgestimmt sein und kompatibel in das Fahrzeug integriert werden. Zur Lebenszeitverlängerung der Batterien muss ein aufwendiges Lade- und Entlademanagement betrieben werden, wodurch beim Bremsen mit Energierückgewinnung (Rekuperation) nicht die gesamte Energie gespeichert werden kann, was zu Wirkungsgradverlusten und verringerter Reichweite führt. Lösungen für schnelle Zwischenspeicher, energieeffiziente Antriebsregelungen und deren Integration in ein System sind im Kfz-Markt noch nicht Stand der Technik. Das in dieser Skizze beschriebene Verbundprojekt soll einerseits die Grundlagen schaffen, dass die Energie effizienter gespeichert und gewandelt werden kann, und andererseits, dass die notwendigen leistungselektronischen Stellglieder EMV-kompatibel in das System integriert werden können. Im Teilverbundvorhaben 'Fahrzeugspezifische Maßnahmen und Umsetzung' steht die systemische Integration neuer Komponenten, wie z.B. schneller Zwischenspeicher oder optimierter Inverter/E-Maschinen-Kombinationen, im Vordergrund. Die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zur Wahrung qualitativer Ansprüche ist hierbei ein wichtiger Aspekt, der frühzeitig berücksichtigt werden muss. VW erarbeitet innerhalb dieses Teilvorhabens zusammen mit den Projektpartnern Grundlagen zur Anpassung von simulationsbasierten Analysetechniken und bedarfsgerechten Messverfahren. Die Erkenntnisse werden genutzt, um neue EMV Eigenschaften zu identifizieren und somit Anforderungen zu erweitern oder anzupassen. VW nutzt hierbei vor allem die Fahrzeugerfahrung, die grundlegend zur Identifikation von bauraum-, kosten- und volumeneffizienten EMV Maßnahmen ist.

Teilprojekt: Erforschung und Berechnung eines breitbandigen Strommess-Shunts

Das Projekt "Teilprojekt: Erforschung und Berechnung eines breitbandigen Strommess-Shunts" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Duisburg-Essen, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, Fachgebiet Energietransport und -speicherung durchgeführt. Im Verbundprojekt EStroS wird ein Strommess-Shunt entwickelt, mit dem zum ersten Mal eine sehr schnelle und gleichzeitig genaue Messung der Stromänderung in der neuesten Generation von HGÜ-Anlagen ermöglicht wird. 'Ein Shunt ist ein niederohmiger elektrischer Widerstand, der zur Messung des elektrischen Stromes verwendet wird (Messwiderstand). Der Strom, der durch einen Shunt fließt, verursacht einen zu ihm proportionalen Spannungsabfall, der gemessen wird.' Auf der Grundlage der Strommessung mit hoher Bandbreite soll der Schutz der modernen HGÜ-Energieanlagen vor Ausfällen gewährleistet werden. Das erhöht die Netzstabilität und somit die Versorgungssicherheit. Die Universität Duisburg-Essen wird innerhalb des Projekts einerseits die theoretischen, mathematischen und simulatorischen Grundlagen erarbeiten, andererseits wird sie die realisierten Proben, Versuchsmuster und Prototypen in Laborumgebung auf die angestrebten Eigenschaften überprüfen. Die wissenschaftlichen Tätigkeiten der Universität umfassen zunächst das Durchführen von elektromagnetischen Feldsimulationen. Parallel dazu erfolgen die messtechnischen Untersuchungen an möglicherweise geeigneten Werkstoffen. Daraufhin werden die erfolgversprechendsten Varianten für den Shunt umgesetzt und messtechnisch untersucht. Dabei werden der Frequenzgang, das Wandlungsmaß als Funktion der Temperatur und die elektromagnetische Verträglichkeit untersucht. Abschließend erfolgen die Untersuchungen am Gesamtsystem.

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