Forschung
Forschungsprojekte am HiPE-LAB
Die folgenden Forschungsprojekte nutzen das HiPE-LAB zum Test der neu entwickelten Systeme.
ODYSSEV
Um eine breite Akzeptanz von vollelektrischen Fahrzeugen (EV) zu erreichen, müssen die Hauptbedenken der Verbraucher ausgeräumt werden, darunter eine größere Reichweite und schnellere Lademöglichkeiten. Hochspannungssysteme bieten die Möglichkeit, diese Herausforderung zu bewältigen, und Unternehmen weltweit wie Hitachi Automotive oder Porsche haben nun mit der Serienproduktion von 800-V-Systemen begonnen. Der Übergang von den üblichen 12-V-Batterien zu 800-V-Systemen und der kommenden Generation von Hochspannungs-EVs bringt jedoch eine Reihe neuer technischer Herausforderungen mit sich, wie beispielsweise den Bedarf an hochzuverlässigen Komponenten oder die Notwendigkeit, Größe und Gewicht der Systeme zu reduzieren und gleichzeitig die Spannungen sicher zu erhöhen.
ODYSSEV knüpft an den aktuellen Trend zu Hochspannungsantriebssträngen an, um die nächste Generation von Leistungswandlern für Kraftfahrzeuge zu entwickeln und die verschiedenen Antriebskomponenten zu optimieren, indem die Vorteile höherer Spannungspegel sowie die fortschrittlichen Fähigkeiten neuartiger leistungselektronischer Topologien genutzt werden. In diesem Sinne ist die zentrale Entwicklung von ODYSSEV ein Hybridkonzept für Wechselrichter, das in der Lage ist, sowohl die Eigenschaften von RC-IGBTs als auch von SiC-MOSFETs unter den unterschiedlichen Lastbedingungen, denen Elektrofahrzeuge ausgesetzt sind, zu nutzen. In diesem Sinne werden zwei verschiedene Konfigurationen eines Quasi-Level-VSI in Kombination mit AHXS validiert, um die beste technisch-wirtschaftliche Leistung unter verschiedenen Szenarien zu ermitteln.
In Verbindung mit dem Wechselrichter optimiert ODYSSEV sowohl die Geometrie und Topologie des Hochspannungsmotors – mit besonderem Fokus auf die Vermeidung von Teilentladungen und Stromoberwellen – als auch die Konfiguration des Batteriepacks. Der Batteriepack wurde vollständig rekonfigurierbar ausgelegt, sodass er bei niedrigeren Spannungen (400–800 V) geladen werden kann, im Antriebsmodus jedoch 1200–1600 V liefert. An dieser Stelle muss hervorgehoben werden, dass der vorläufige Entwurf des ODYSSEV-Antriebsstrangs auf 1200 V und 100 kW abzielt, jedoch werden vor der endgültigen Auslegung mehrere Szenarien analysiert, um die Erreichbarkeit höherer Spannungen zu bewerten.
ODYSSEV befasst sich zudem mit Innovationen im Antriebsstrang, die den Bordlader, die Systemintegration und die Gesamtsteuerung des Antriebsstrangs betreffen, und liefert so eine voll funktionsfähige Lösung, die in der Lage ist, die Effizienz für verschiedene Fahrzeugmodelle, Fahrregionen, Lastbedingungen und Fahrstile über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus hinweg zu maximieren. Das Endziel von ODYSSEV ist es, das neuartige Konzept eines Hochspannungsantriebsstrangs zu demonstrieren, indem der Prototyp in ein Fahrzeug integriert und unter realen Fahrbedingungen getestet wird, um so konkrete Belege für die geringeren Kosten, Verluste und das geringere Gewicht zu liefern, die Hochspannungslösungen für Hersteller von Elektrofahrzeugen bieten können.
LimBa-Leik
Im Rahmen der angestrebten Transformation der Energiesysteme in Deutschland und Europa werden künftig effiziente Technologien zur Erzeugung, Speicherung und Wandlung erneuerbarer Energie zur Anwendung kommen. Das Bindeglied zum elektrischen Verbundnetz stellt in der Regel für all diese Anlagen eine Leistungselektronik dar, die in Form von Stromrichtern die erneuerbar erzeugte Energie äußert effizient ins elektrische Verbundnetz abgeben kann. Die Leistungshalbleiterschalter der Stromrichter unterliegen Prinzip bedingt einem hohen thermo-mechanischem Stress, der durch das harte Ein- und Ausschalten mit hoher Frequenz, bei hoher Spannung und hohen Strömen entsteht. Aufgrund der zahlreichen unterschiedlichen Materialien mit teils sehr gegensätzlichen thermischen Parametern, die zum Einsatz kommen, um Leistungshalbleiterschalter in Modulbauweise zu fertigen, bewirkt der auf sie ausgeübte Stress ebenso eine Alterung im Aufbau und damit am Ende ein versagen der Bauteile.
Das Ziel des avisierten Projektes "LimBaLeik" ist es, erstmalig ein validierbares Gesamtmodell zur Bewertung der Restlebensdauer mit Industriestandard zu erarbeiten und die dafür benötigten, aktuell nicht existenten Mess-Verfahren und -methoden, herauszuarbeiten. Diese sollen bereits durch erste Machbarkeitsuntersuchungen im HiPE-LAB experimentell aufgezeigt und abgeleitet werden.
ReCoWind
Frequenzumrichter sind unverzichtbare Bestandteile moderner Windenergieanlagen. Gleichzeitig weisen sie hohe Ausfallraten auf und verursachen erhebliche Reparaturkosten und Ertragseinbußen. Ziel des Vorhabens ReCoWind ist die weitere Erforschung der Ursachen und Mechanismen der oft frühzeitigen und unvorhergesehenen Ausfälle von Frequenzumrichtern in Windenergieanlagen. Einen Schwerpunkt bildet dabei Feuchtigkeit als ein im Rahmen von Vorarbeiten identifizierter, ausfallrelevanter Einflussfaktor. Aufbauend auf den Ergebnissen von felddatenbasierten, modellbasierten und experimentellen Untersuchungen werden Maßnahmen im Bereich des Designs, der Betriebsführung, der Instandhaltung sowie im Bereich von Komponentenprüfungen abgeleitet, um die Zuverlässigkeit von Frequenzumrichtern in Windenergieanlagen zu erhöhen.
In Rahmen von ReCoWind konnten erstmalig mit Temperatur- und Feuchtesensoren versehene Umrichter-Module in einem Umrichtersystem im HiPE-Lab unter kombinierter klimatischer und elektrischer Belastung vermessen werden. Um anwendungstypische, realitätsgetreue Testbedingungen zu gewährleisten, wurden die Prüfprofile dabei aus Feldmessdaten abgeleitet, die im Rahmen von Feldmesskampagnen u.a. im ReCoWind-Projekt aufgezeichnet wurden. Ziel der Messungen ist, das Mikroklima in Umrichtern zu erfassen und besser zu verstehen.
SiC-Mobil
Ziel des Verbundprojektes SiC-Mobil ist, Traktionsantriebe und Ladesysteme von Elektrofahrzeugen kleiner, leichter und effizienter zu machen. Der Schlüssel dazu liegt in der Leistungselektronik. Neuartige Leistungshalbleiterbauelemente auf der Basis von Siliziumcarbid (SiC) ermöglichen die Realisierung hoher Umrichterleistungen mit geringerem Bauraum und Gewicht bei gleichzeitig höherem Wirkungsgrad als mit den bisher eingesetzten Silizium-basierten Schaltern (IGBT). Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu SiC-Umrichtern für die Elektromobilität sind deshalb nach wie vor Gegenstand aktueller Forschungen in der gesamten Automobilbranche weltweit. Die wirtschaftlich erfolgreiche Nutzung von SiC-Umrichtern in der Elektromobilität lässt sich nur erreichen, wenn im Rahmen eines interdisziplinären Entwicklungsprozesses zusätzlich zur reinen Umrichterfunktionalität auch die parasitären Lebensdauer- und EMV-Effekte in die SiC-Umrichterentwicklung einbezogen werden.
Aufbau der HLE-Forschergruppe „Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen“
Die hohe Entwicklungsgeschwindigkeit bei den heutigen Multimegawatt-Windenergieanlagen bedeutet, dass bei der technischen Zuverlässigkeit während der kontinuierlichen Stromerzeugung über die Lebensdauer nur geringe Langzeiterfahrungen bestehen können. Ihre weltweite Verbreitung führt zu immer diverseren und, damit einhergehend, herausfordernden Umgebungsbedingungen für die eingesetzte Leistungselektronik. Gleichzeitig führt der Kostendruck zu einer Minimierung der Anlagenklimatisierung, so dass die Elektronik nicht nur unterschiedlichen Belastungsprofilen ausgesetzt ist, sondern auch wechselnden klimatischen Bedingungen. Hauptaufgabe der EFRE geförderten Forschergruppe „Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen“ ist es, multimodale Belastungen mit der Erforschung der Wechselwirkungen zwischen elektrischen, mechanischen und klimatischen Profilen zu untersuchen. In dem neuen Kompetenzzentrum wurden über vier Jahre leistungselektronische Bauelemente und deren Verhalten basierend auf Felderfahrungen und in der gesamten Bandbreite von Einzelkomponententests bis hin zu Tests mit kompletten Umrichtern durchgeführt und analysiert. Die Vorhersage der Wirkung der multimodalen Belastungen bereits während der Entwicklungsphase ist von großer Bedeutung für die Lebensdauer von Bauelementen und zur Vermeidung von Feldausfällen und damit für den langfristigen Produkterfolg.
Die Bedeutung der innerhalb des Vorhabens entstandenen Labormöglichkeiten zu praxisnahen Zuverlässigkeitstests lässt sich bereits heute an der Nachfrage von Unternehmen nach Simulationsmodellen, Belastungsmessungen, weiterführenden Forschungs- und Entwicklungskooperationen sowie konkreten Untersuchungen im HiPE-LAB erkennen. Dabei kommt insbesondere das Know-how der Forschergruppe zum Tragen, die Gebiete der leistungselektronischen Bauelemente, der Stromrichtertechnik und der Regelungstechnik, vom Bauteil über Schaltungsmodule bis hin zu Prüfständen für praktische Untersuchungen von dynamischen Belastungen, welche die elektronischen Komponenten von Windenergieanlagen ertragen müssen, gesamtheitlich zu betrachten. Mit modernen Analyse- und Messsystemen zur Bestimmung der Bauelementcharakteristik und durch nachbildende Bauelementsimulationen lassen sich wichtige Erkenntnisse sowohl zur Steigerung der Lebensdauer als auch zur Wirkungsgradsteigerung der Leistungsbauelemente erzielen.
Pressetext der Universität Bremen zum Projekt HLE
