Das Projekt "Teilvorhaben: effizientes Laden für PKW (Luftstrom-ELP)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bayerische Motorenwerke AG durchgeführt. Mit der Steigerung des Energieinhalts von Traktionsbatterien und damit der Reichweite von Elektrofahrzeugen ist es erforderlich, auch die Ladeleistung um mindestens den Faktor 2 zu erhöhen. Hier stoßen heutige Elektronik-Bauteile bezüglich Entwärmung oder hohem Wirkungsgrad an ihre Grenzen. Das Interesse von BMW liegt in einer Verbesserung der Ladetechnologie und deutlichen Reduzierung der Ladeverlust um ca. 30% durch - neue Halbleitermaterialien mit reduzierten Schalt- und Durchlassverlusten, z.B. Galliumnitrid, - Erhöhung der maximal zulässigen Chiptemperatur, - verbesserte Wärmeabfuhrkonzepte auf Basis der Luftgekühlte Wide Band Gap-Leistungselektronik und Mechatronik Technologien. Die Herausforderung für das Projekt ist neben der Wirkungsgraderhöhung und der Temperaturstabilität der Komponenten die Erhöhung der zulässigen Temperaturdifferenz für eine Verbesserung der Kühlung. BMW sieht die Chance, durch den Einsatz von neuen Bauteilen bei gleicher Ladeleistung den für Ladegerät und DC/DC-Wandler notwendigen Bauraum zu verkleinern und bei höherer Ladeleistung eine gegenüber konventionelle Lösungen einhergehende Bauteilvergrößerung zu kompensieren. Der Schwerpunkt für BMW in Luftstrom ist der automotive Ansatz für die luftgekühlten On-board und Off-board Ladegeräte. BMW wird über die Festlegung der funktionalen Anforderrungen und Spezifikationen in der Initialphase kontinuierliche Inputs zu den F&E Arbeiten liefern und die abschließende Validierung der Ladegeräte federführend in eigenen Labors durchführen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Untersuchung von luftgekühlten Hochvolt-Bordnetzwandlern & Nebenaggregatsantrieben" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Lenze Drives GmbH durchgeführt. Im Rahmen des Teilvorhabens wird Lenze 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. Lenze wird dazu, in Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Hochschule OWL, Demonstratoren aufbauen, die eine Verwertung und Darstellung der Projektergebnisse ermöglichen und den Technologiegewinn aufzeigen. Lenze wird an der Spezifikation für luftgekühlte Nebenaggregatantriebe und DCDC-Wandler in Hochvolttechnologie (AP 1.1) mitarbeiten, ultrakompakte DCDC-Wandler (AP 2.1) erforschen sowie luftgekühlte Systeme konzipieren (AP 2.2). Anhand der vorausgegangenen Arbeitsergebnisse erfolgt dann die Realisierung von zwei Demonstratoren als Nebenaggregatsantriebe (ohne Potentialtrennung für größere Leistungen und mit Potentialtrennung für Kleinspannungsmotoren) (AP 3.1). 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, mit dem Ziel, die Projektergebnisse nachfolgend in einer Nutzfahrzeugumgebung zu evaluieren (AP 4.1 und 5.1).
Das Projekt "Teilvorhaben: Endstufendesign für potentialtrennende HV-LV DC/DC-Wandler unter Verwendung von Wide-Band-Gap-Leistungshalbleitern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Robert Bosch GmbH durchgeführt. Das Projekt Luftstrom verfolgt das Ziel, die beiden möglichen Optimierungspotenziale, Erhöhung der Temperaturdifferenz und des Wirkungsgrades, konsequent zu nutzen, um so die Vorteile kompakter luftgekühlter leistungselektronischer Komponenten nutzbar zu machen. Innovationsziele, die in Luftstrom verfolgt werden: - Im Idealfall geräuschloses Laden - Reduzierung der Verluste beim Ladevorgang um bis zu 30% - Vereinfachte Fahrzeugintegration luftgekühlter Systeme (Reduzierte Abdichtungs- und Korrosionsproblematik, neue Freiheitsgrade bei Platzierung im Fahrzeug) - Reduktion der Kühl-Peripherie - Erhöhung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems In diesem Rahmen ergibt sich nun die bosch-spezifische Hauptzielstellung eines schalt-, wirkungsgrad- und hochtemperaturoptimierten Endstufendesigns für potentialtrennende HV-LV DC/DC-Wandler unter Einsatz von GaN- Leistungshalbleitern. Aufbau eines Topologiekonzeptes und eines Schaltungsentwurfs für potential-trennende HV-LV DC/DC-Wandler auf Basis schnellschaltender GaN-Leistungsbauelementen Für GaN-Leistungstransistoren geeignetes Endstufendesign unter Berücksichtigung der Auswahl von chip-naher Aufbau- und Verbindungstechnik, Modulkonzeption und Schaltungsentwurf Optimiertes DC/DC-Wandlerdesign unter Berücksichtigung von Energiespeichern und Luftkühlung Demonstration der optimierten Funktionalität und Robustheit der Entwicklungen auf technologie- bzw. funktionsspezifischen und systemnahen Prüfständen Nachweis des systemischen Gesamtnutzens und dessen Ableitung zum Kundennutzen.
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.
Das Projekt "Teilvorhaben: Erste Studie zur Qualifizierbarkeit von GaN Chip Embedding Technologien in Automobilanwendungen am Beispiel von kühlerlosem Laden" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Infineon Technologies AG durchgeführt. Durch den Einsatz und die Erforschung neuartiger Schaltungstopologien und hoch-effizienter Wide-Band-Gap (WBG) Leistungsbauelemente/AVT soll im Rahmen des Vorhabens die Verlustleistung in kompakten leistungselektronische Komponenten weiter reduziert werden. Zudem soll die zulässige Temperaturdifferenz zwischen Verlustleistungsquelle und Umgebung erhöht werden, womit eine Luftkühlung bisher noch wassergekühlter Systeme möglich wird. Die erzielbaren Verbesserungen sollen am Beispiel von Ladegeräten, DC/DC-Wandlern und Wandlern für Nebenaggregate, wie sie für das Laden elektrischer Fahrzeuge benötigt werden, erforscht und dargestellt werden. Das hohe Potential von GaN-Bauelementen im Sinne von Effizienz und hoher Schaltfrequenz kann nur durch eine temperaturtolerante und auf der elektrischen Seite optimalen Anbindung der Aufbau- und Verbindungstechnik gehoben werden, die auch die nötigen Stressanpassungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen GaN und Gehäusematerial erlaubt. Infineon wird im Rahmen des Projektes Untersuchungen zur Zuverlässigkeit GaN basierter luftgekühlter Leistungselektronik (Module, diskrete Leistungshalbleiter) durchführen. Die Infineon Technologies wird im Rahmen des Vorhabens initiale Untersuchungen zur Verwendbarkeit von Embbedded GaN Power Schaltkreisen, insbesondere für die Aufbau- und Verbindungstechnik in der Automobilelektronik durchgeführt. Es werden Zuverlässigkeitstests durchgeführt, um die besonderen Anforderung der GaN Bauelemente an Stressbedingungen im Fahrzeug zu erforschen. Dazu erfolgt eine gemeinsame Abstimmung hinsichtlich der Anforderungen für die Tests mit den Projektpartnern. Infineon wird dabei auf Standard konforme und automotive taugliche Prozesse und Verfahren achten. Im Ergebnis wird durch das Projekt damit ein wesentlicher Beitrag zur Bewertung des Einsatzpotentials von gehäusten GaN-Chips für die Automobilindustrie erwartet.
Das Projekt "Teilvorhaben: Effizientes hochzuverlässiges passives thermisches Management für Elektromobilitätsanwendungen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Siemens AG durchgeführt. Die Entwärmung der Leistungselektronik ist von zentraler Bedeutung für deren Effizienz und Zuverlässigkeit. Dadurch den Einsatz von Wide-Band-Gap (WBG) Leistungsbauelemente ist es möglich die zulässige Temperaturdifferenz zwischen Verlustleistungsquelle und Umgebung zu erhöhen, womit eine Luftkühlung bisher noch wassergekühlter Systeme in Elektroautos möglich wird. Die erzielbaren Verbesserungen im Hinblick auf die Kühlung und der Zuverlässigkeit sollen erforscht und dargestellt werden. Im Vordergrund steht dabei, die effiziente Entwärmung bei den bestehenden Systemvoraussetzungen zu gewährleisten und dadurch die geforderte Zuverlässigkeit des Umrichters bei den thermischen und mechanischen Beanspruchungen zu gewährleisten, wirtschaftliche Fertigungsverfahren zu etablieren und ein hohes Niveau der Qualitätssicherung zu realisieren. Wesentliche neue Aufbau-, prozesstechnische und konstruktive Probleme werden gelöst, die den Einsatzbereich bisheriger passiver Kühlverfahren von IGBT Leistungsmodulen auf geringere Verlustleistungen beschränkt. Um ein kompaktes Kühldesign sicherzustellen muss das Kühlsystem im Hinblick auf die Wärmeableitung und Wärmespreizung optimiert werden. Bei gewöhnlichen Kühlkörpern sind die Temperaturgradienten aufgrund der endlichen metallischen Wärmeleitfähigkeit sehr groß. Deshalb bieten sich Heatpipes bzw. Thermosyphons mit einer etwa 100-mal größeren Wärmeleitfähigkeit an. Die notwendigen Randbedingungen werden schon in der Anfangsphase des Projekts definiert. Wesentliche neue Aufbau-, prozesstechnische und konstruktive Probleme werden gelöst, die den Einsatzbereich bisheriger passiver Kühlverfahren von IGBT Leistungsmodulen auf geringere Verlustleistungen beschränkt. Nach thermischer Analyse und Optimierung des Leistungsmoduls und Gesamtsystems sollen im Verbundvorhaben Labormustern und Demonstratoren zum effizienten thermischen Management aufgebaut werden und deren Funktion verifiziert werden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Auslegungsmethodik luftgekühlter Ladegeräte" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik durchgeführt. Das Teilprojekt des Instituts für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) beschäftigt sich mit der Untersuchung und dem Vergleich von luftgekühlten Ladegeräten für Elektrofahrzeuge. Bei der Auslegung von luftgekühlten leistungselektronischen Systemen gibt es komplexe Wechselbeziehungen zwischen den Systemkenngrößen: Leistung, Gewicht, Halbleitertechnologie, Kosten, Topologie und Geräuschemission. Eine umfassende analytische und simulationsbasierte Betrachtung macht die Abhängigkeiten sichtbar und führt zu einer Methodik, die eine optimale Auslegung der luftgekühlten Leistungselektronik im Betriebsbereich erlaubt. Diese grundlegende Methodik ist zusätzlich auch für andere Anwendungsgebiete außerhalb der Automobiltechnik von Nutzen. Es werden Ladeprofile für aktive und passive Luftkühlung untersucht und miteinander verglichen. In diesem Teilprojekt werden neuartige 'Wide-Band-Gap' (WBG)-Leistungshalbleiter aus Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) betrachtet. WBG-Leistungshalbleiter mit geeignetem Gehäuse erlauben den Betrieb bei erhöhter Sperrschichttemperatur. Nachteilig bei diesem Betrieb ist, dass mit zunehmender Sperrschichttemperatur auch die Durchlass- und Schaltverluste steigen. Denkbar ist ein langsamer Ladevorgang mit reduzierter Leistung und geräuschloser passiver Luftkühlung. Für schnelle Ladevorgänge wird ein Betrieb mit aktiver Luftkühlung bei höheren Verlusten betrachtet. Die Bearbeitung des Teilprojektes erfolgt in fünf Arbeitspaketen: Zunächst werden Schnittstellen und Spezifikationen mit den anderen Projektpartnern definiert. Im darauffolgenden Arbeitspaket geht es um Ladeprofile und Geräuschemissionen. Vergleich von Laden mit aktiver und passiver Luftkühlung. Das nächste Arbeitspaket beschäftigt sich mit Netzrückwirkungen und der Auslegung von geeigneten Filtersystemen. Anschließend werden in den letzten beiden Arbeitspaketen Wandlertopologien verglichen und eine geeignete Auslegungsmethodik entwickelt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Luftgekühltes hocheffizientes variabel nutzbares Ladegrät" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie durchgeführt. Das Projekt Luftstrom verfolgt mittels Forschungen auf dem Gebiet leistungselektronischer Komponenten für Elektrofahrzeuge (Ladegeräte, Gleichspannungswandler und Wandler für Hilfsaggregate) das konkrete Ziel eines zukünftig möglichst völlig geräuschlosen Ladens von Elektro- und Plug-In Fahrzeugen mit 30% weniger Verlusten. Das Fraunhofer IISB konzentriert sich hierbei auf die Erforschung eines neuartigen Ladegerätes. Der Arbeitsplan orientiert sich dabei streng an den beiden physikalisch möglichen Optimierungspotenzialen, Erhöhung der Temperaturdifferenz und des Wirkungsgrades, welche konsequent mittels der drei Ansätze, Einsatz neuartiger WBG-Halbleiter und neuartiger Schaltungstopologien sowie Übergang auf Luftkühlung durch optimierte Wärmeabführ, verfolgt werden, um so die Vorteile kompakter luftgekühlter leistungselektronischer Komponenten nutzbar zu machen.
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