Bei der Erforschung und Entwicklung zukünftiger Leistungselektroniksysteme stehen bisher neue Halbleiter (GaN und SiC) im Mittelpunkt. Optimierungen im Gesamtsystem stoßen hierbei an Grenzen, da passive Bauelemente bzgl. Volumen, Gewicht und auch Wirkungsgrad einen erheblichen Beitrag am Gesamtsystem haben. Bei aktuellen Schaltungskonzepten für Leistungselektronik gilt dies insbesondere für magnetische Komponenten. Daher fokussiert das Verbundvorhaben die Erforschung induktiver Bauelemente, wie Leistungstransformatoren und -drosseln für Schaltfrequenzen bis zu 2 MHz und die daraus resultierenden Herausforderungen für Entstörbauteile und Konzepte zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), sowie der Realisierung eines höchstkompakten externen Ladewandlers für E-Fahrzeuge. Zu Beginn des Projekts wird sich SUMIDA in die gemeinsame Erarbeitung des Lastenhefts für den Demonstrator einbringen. Hierbei werden die speziellen Anforderungen an die induktiven Leistungsbauteile als auch die groben Randbedingungen für die Funkentstörkomponenten definiert. In AP2 wird das Pflichtenheft für die Magnetics erstellt. Dies beinhaltet dann auch erste Überlegungen zur möglichen Entwärmung der Bauelemente. In AP3 werden sämtliche induktiven Bauelemente berechnet, ausgelegt, simuliert, aufgebaut und charakterisiert. Eine wissenschaftlich-technische Untersuchung der Materialparameter vor allem bei Ferrit bringt dabei neue Erkenntnisse im Hochfrequenzbereich. In AP4 werden die Projektpartner bei der systematischen EMV-Entwicklung unterstützt. In AP5 und AP6 wird SUMIDA beim Demonstratorbau zuarbeiten und Lessons-Learned ableiten.
Motivation:
KMU bilden eine tragende Säule der deutschen Wirtschaft. Sie sind oft hochspezialisiert, wichtige Partner in Innovations- und Wertschöpfungsketten und Treiber des technischen Fortschritts. In der Elektromobilität können KMU-getriebene Innovationen dazu beitragen, die Rolle Deutschlands als Leitanbieter auszubauen. Gerade kleine und leichte elektrifizierte Fahrzeuge, die ein potenziell wichtiger Bestandteil künftiger Individualmobilität sind, bieten KMU die Chance, neue Marktsegmente zu erschließen.
Ziele und Vorgehen:
Ziel ist es, einen neuartigen Stromsensor zu entwickeln, der optimal auf die speziellen Erfordernisse der Elektromobilität abgestimmt ist. Hierzu zählen vor allem sehr geringe Messfehler, eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Störfestigkeit. Durch den Einsatz neuer Algorithmen, verbunden mit der gleichzeitigen Messung der Ströme im Hin- und Rückleiter, soll die Strommessung genauer, störfester und effizienter erfolgen. Weiterhin ist Ziel, die Lebensdauer von Batterien zu erhöhen. Mittels Lebensdaueranalyse im Sensor wird diese Messmöglichkeit realisiert.
Innovationen und Perspektiven:
Der mehrphasige Stromsensor mit integriertem Störsignalausgleich weist sehr geringe Messfehler gegenüber den am Markt vorhandenen Stromsensoren auf. Die Ergebnisse sind für alle Strommessaufgaben interessant, die in stark EMV-belasteter Umgebung stattfinden wie beispielsweise E-Fahrzeuge, Antriebstechnik, Schaltnetzteile und Lichtbogenanwendungen.
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.
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.
Alle für die Typgenehmigung und für die CE Konformität notwendigen Anforderungen sind zu erarbeiten und hinsichtlich der Relevanz in Bezug auf die jeweiligen im Projekt eingesetzten Einzelkomponenten sowie für das Gesamtkonzept zu bewerten. Im Rahmen des Gesamtvorhabens übernimmt die SLG Prüf- und Zertifizierungs GmbH die Analyse geltender Richtlinien und Normen für Sicherheit und EMV im Kfz und im Ladebetrieb für die eingesetzten Einzelkomponenten und für das Gesamtkonzept hinsichtlich CE relevanter Anforderungen, im Rahmen der Typgenehmigung sowie in Bezug auf das Produktsicherheitsgesetz. Dabei erfolgt die Begleitung aller Entwicklungsstände während der Projektlaufzeit hinsichtlich der relevanten Anforderungen mit dem Ziel der Vermeidung zu spät erkannter Aspekte, welche einer erfolgreichen Zulassung entgegenstehen. Ein Hauptschwerpunkt wird die Konzepterarbeitung zur EMV-gerechten Baugruppenanordnung und Stromführung mit dem Ziel, ein Konzept zu erarbeiten welches eine möglichst zügige und störungsfreie EMV Prüfung ermöglicht. Ein weiterer Aspekt ist die Betrachtung der Komponenten- und Materialauswahl entsprechend den Anforderungen bezüglich EMV, mechanischer, elektrischer und thermischer Sicherheit. Während der gesamten Projektlaufzeit erfolgt ein Abgleich der Anforderungen und Gegebenheiten mit dem aktuellen Stand der Technik, mit Normen und Normenentwürfen und zu erwartenden perspektivischen Anforderungen. Dabei sollen einerseits Aspekte aus der sich entwickelnden Normungswelt in das Projekt einfließen, andererseits aber auch die im Projekt gesammelten Erfahrungen über die Mitarbeit in Normungsgremien und Arbeitskreisen in entsprechende Gremien und Dokumente weitergegeben werden. Abschließend soll für alle Projektpartner ein nachvollziehbarer und gültiger Prüfplan für den Konformitätsbewertungsprozess zur Verfügung stehen.