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.
Das Forschungsvorhaben KOOPERATION hat zum Ziel, den Nutzen aus SiC Halbleitern im hohen Maße zu steigern. Dadurch soll KOOPERATION dazu beitragen, die Systemkosten im elektrischen Antriebsstrang zu reduzieren und letztendlich E-Fahrzeuge aus deutscher Hand noch attraktiver zu machen. Die Methoden von KOOPERATION fokussieren dabei nicht einfach auf Detailverbesserungen des Standes der Technik, sondern nutzen zwei grundlegende Lösungsansätze, welche es erlauben, SiC Materialien wesentlich besser auszunutzen.
Neuartige Leistungshalbleiter wie z.B. auf Siliziumkarbidbasis (SiC) haben überragend gute elektrische Eigenschaften. Gegen einen breiten Masseneinsatz sprechen aber die hohen Materialkosten. Zwei Lösungsansätze sollen daher den Nutzen dieser sehr teuren Bauelemente wesentlich steigern bzw. den Materialeinsatz der Halbleiter deutlich reduzieren. Erstens soll das elektronische Gerät mehr als eine Aufgabe übernehmen. Dieser Multi-Use Wandler soll das E-Fahrzeug antreiben und zusätzlich im Stillstand als Ladegerät dienen. Zweitens soll ein neuartiges siliziumbasiertes Snubberelement den SiC Schalter wesentlich entlasten und besser nutzbar machen. Zusammen können beide Methoden die Kosten reduzieren und einen hohen Mehrwert generieren, so dass sich SiC am Markt schneller und effizienter durchsetzen kann.
Im Projekt KOOPERATION werden zwei Hauptziele verfolgt. Zum einen soll auf einem Siliziumcarbid(SiC)-Leistungsmodul ein sogenannter RC-Snubber (SiRC) zum Einsatz kommen, der die parasitären Effekte dämpft, die bei Schaltvorgängen mit SiC-Komponenten auftreten. Wegen dieser Effekte, und den daraus resultierenden Schwingungen, müssen SiC-Transistoren langsamer geschaltet werden, als eigentlich möglich wäre. Durch den RC-Snubber werden die störenden Schwingungen gedämpft und die Transistoren können mit höheren Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden. Dies reduziert die Schaltverluste und steigert die Effizienz der SiC-Komponente. Zum anderen wird ein Dual-Use-Ansatz verfolgt, indem der im Antriebsstrang verbaute Gleichstromwandler auch als Ladegerät fungiert. Ermöglicht werden soll dies durch eine Topologieumschaltung, die nicht nur sehr hohe Leistungen für das Laden mit Wechsel- oder Gleichstrom zulässt, sondern auch die Möglichkeit zur deutlichen Erhöhung der Ladeleistung bietet. Die Integration von Baugruppen und deren gesteigerte Effizienz erlaubt zudem eine deutliche Reduzierung der Baugröße.
Die Präparation intermetallischer Phasen bei niedrigen Temperaturen bleibt eine herausfordernde Aufgabe. In den vergangenen Jahren wurden Redoxreaktionen an reaktiven intermetallischen Präkursoren zu einer vielseitigen Methode, insbesondere für die Herstellung metastabiler intermetallischer Verbindungen, entwickelt. Bisher wurden solche Reaktionen hauptsächlich als Gas-Fest-Reaktionen geführt. Andererseits sind Redoxreaktionen gelöster Cluster-Spezies in Ammoniak oder organischen Aminen bekannt, die Zugang zu neuen Metalloid-Spezies, z. B. zu Clusterpolymeren, bieten. In den meisten Fällen werden hier allerdings Produkte erhalten, die Lösungsmittelmoleküle oder Komplex-Kationen enthalten. In dieser Hinsicht könnten Redoxreaktionen in der Lösung einer ionischen Flüssigkeit einen alternativen Zugang zu neuen rein intermetallischen Phasen bieten. In bisherigen Versuchen, dies zu realisieren, liefen jedoch die Redoxreaktionen aufgrund der zu hohen Reaktivität der eingesetzten Ionischen Flüssigkeiten gegenüber empfindlichen Präkursoren wie den Zintl-Phasen sehr schnell und schwer kontrollierbar sowie vornehmlich heterogen ab, so dass vor allem amorphe Produkte erhalten wurden. Dieses Projekt hat einerseits das Ziel, inerte Ionische Flüssigkeiten zu entwickeln, die sich dazu eignen, intermetallische Phasen mit Zintl-Anionen bei niedriger Temperatur aufzulösen und damit möglich werdende systematische Untersuchungen kontrollierter homogener Redoxreaktionen zu neuen metastabilen intermetallischen Phasen durch gezielte Zugabe geeigneter Oxidationsmittel durchzuführen. Die Anwendbarkeit derartiger Redoxreaktionen auf salzartige Carbide soll ebenso untersucht werden. Dies verspricht Zugang zu neuen Carbiden oder sogar zu Kohlenstoffmodifikationen mit polymeren Strukturmotiven. Andererseits sollen topotaktische Redoxreaktionen geeigneter Präkursoren in gezielt hergestellten Ionischen Flüssigkeiten durchgeführt werden, deren Reaktivität und Lösungsvermögen für Produktspezies eine vollständige Umsetzung des Präkursors erlauben. Dies verspricht Zugang zu technisch interessanten, auf andere Weise jedoch schwierig erhältlichen Produkten wie graphen-analogen Siliciumschichten. Für die Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes werden sogenannte TAAILs (Tunable Alkyl-Aryl Ionic Liquids) gezielt hergestellt, deren Imidazolium-Kationen funktionalisierte Phenylsubstituenten zur Einstellung elektronischer Eigenschaften und somit der Reaktivität als Protonenquelle tragen. Die Alkyl-Seitenketten sollen anionische Gruppen oder Polyether-Reste besitzen, die eine Erhöhung der Löslichkeit von Salzen oder salzartigen Verbindungen durch Komplexierung von Kationen ermöglichen. Die protische Aktivität solcher Ionischen Flüssigkeiten wird weiterhin durch den selektiven Austausch von Wasserstoffen an den Kohlenstoffatomen des Imidazol-Kerns gegen inerte Aryl-Substituenten eingestellt.
Ziel des Projektes ist die Erarbeitung der Grundlagen für eine einphasige bidirektionale AC/DC-Umrichtertechnologie mit Hochvolt-SiC-Bauelementen für die Anbindung an das Mittelspannungsnetz sowie deren Umsetzung in einem Demonstrator. Die galvanische Trennung erfolgt hierbei über einen HF-Transformator, der mit neuen Kernaufbauten und angepassten Isolierstoffen den hohen Spannungssteilheiten der Hochvolt-SiC-Bauelemente standhält. Unser Teilvorhaben widmet sich dabei der Erarbeitung von modellbasierten Alterungs- und Ausfallszenarien für induktive Bauelemente in einer SiC-BiNet Installation. Auf dieser Basis sollen dann optimal geeignete Materialpaarungen und Konstruktionen für induktive Bauelemente untersucht und deren analytische Qualifizierung vorgenommen werden. Übergeordnetes Ziel ist die Bereitstellung optimal geeigneter Demonstratoren für die Induktivitäten an die Partner zum dortigen Aufbau eines Gesamt-Demonstrators. Der erste Projektabschnitt wird dominiert von Topologiestudien und Simulationen, wobei die Ergebnisse einerseits als datentechnische Basis für unsere eigene weitere Arbeit dienen und andererseits auch den Partnern als Input für deren Teilprojekte zugearbeitet werden. Im Weiteren werden optimale Wickelarten unter Berücksichtigung von Stromform, Frequenz und Kühlmedium untersucht und es wird durch Iterationen von Simulation, Musterbau und Versuch eine elektromagnetische Optimierung zur Gewährleistung der Funktion mit minimalen Verlusten und geringstmöglichem Materialeinsatz erarbeitet. Der anspruchsvollste Teil der Aufgabe ist die Entwicklung des Isolationssystems, wobei der technologische Spagat aus optimaler Isoliereigenschaft und möglichst minimalem Bauraum aufzulösen ist. Neben materialtechnischen und geometrischen Aspekten werden vor allem auch umgebungstechnische Szenarien eruiert. Die wissenschaftlichen Arbeiten werden kontinuierlich flankiert durch Iterationen von Aufbau, Test und Optimierung von Mustern und Demonstratoren.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 99 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 99 |
| License | Count |
|---|---|
| offen | 99 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 91 |
| Englisch | 15 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 28 |
| Webseite | 71 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 51 |
| Lebewesen und Lebensräume | 34 |
| Luft | 47 |
| Mensch und Umwelt | 99 |
| Wasser | 25 |
| Weitere | 99 |