Projekte

Im Rahmen des Projekts HoskA wurde ein SiC-basierter 9-phasiger Kfz-Wechselrichter auf Basis von B6-Powercores entwickelt. Die Powercores umfassen die DCB-basierten Leistungsmodule mit SiC-MOSFETs und SEMIKRON SKiN technology, den Gate-Treiber, den Zwischenkreiskondensator sowie Strom- und Temperatursensoren

Mit drei parallel geschalteten B6-Powercores wurde ein symmetrischer 9-phasiger 150-kW-Elektroantrieb mit einer Phasenverschiebung des PMSM von 40 Grad realisiert. Das Modularisierungskonzept erlaubt auch die Realisierung von 50 kW (3-phasig) und 100 kW (6-phasig) Antriebssystemen mit einem oder zwei identischen Powercores..

Projektpartner: Volkswagen Aktiengesellschaft, Semikron, TDK, Liebherr, Bundesministerium für Bildung und Forschung, VDI|VDE|IT

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Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs bieten aufgrund ihrer deutlich reduzierten Leitungs- und Schaltverluste und ihrer Fähigkeit zu höchsten Sperrschichttemperaturen ein großes Potenzial für leistungselektronische Systeme. Basierend auf dieser Halbleitertechnologie wurde ein modularer und kompakter 6-phasiger 800-V-Antriebswechselrichter für Automobilanwendungen mit einer maximalen Ausgangsleistung von 300 kW konzipiert und realisiert. Mit vier parallelen MOSFETs pro Schalter liefert das System einen maximalen Phasenstrom von 150 Arms.

Der Wechselrichter demonstriert die Vorteile von SiC-Halbleitern auf Systemebene:

• Höchste Leistungsdichte
• Höchster (Teillast-) und Fahrzyklus-Wirkungsgrad
• Höchste Schaltfrequenz
• Reduzierter Kühlaufwand

Durch die möglichen Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz ist der SiC-Umrichter für Maschinen und Anwendungen mit höchsten elektrischen Frequenzen geeignet, wie z.B. schnelllaufende Traktionsmotoren, Kompressoren und elektrische Turbolader.
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Hochdrehende Elektromotoren wie der Kompressor-Motor für Brennstoffzellen-Luftversorgungen erfordern höhere Umrichter-Ausgangsfrequenzen und damit höhere Schaltfrequenzen, um zusätzliche Verluste innerhalb der Maschine zu vermeiden. Bei modernen Wechselrichtersystemen (z.B. mit Si-IGBTs und Si-Dioden) ist die Schaltfrequenz wegen der hohen Schaltverluste typischerweise auf Werte von 10 bis 20 kHz begrenzt.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde ein 60 kW Umrichtersystem für hochtourige elektrische Maschinen entwickelt. Der Einsatz von SiC 1200 V MOSFETs, keramischen Zwischenkreiskondensatoren und ein wenig induktives Systemdesign ermöglichen Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz bei angemessenen Wirkungsgraden.

Es wurde eine Gesamtleistungsdichte der Leistungsstufe von >150 kW/l erreicht. So bietet sich die Möglichkeit, den Wechselrichter direkt in das Brennstoffzellen-Luftversorgungssystem zu integrieren.

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Im Rahmen des LZE-Projekts entwickelte das Fraunhofer IISB einen 6-phasigen Kfz-Traktionsmotor mit 175 kW für eine Nenngleichspannung von 800 V. Höchste Leistungsdichte bei einer maximalen Motordrehzahl von 20.000 U/min.

• Permanentmagnet-Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten
• Spezifikation in Anlehnung an Kfz-Traktionsmotoren
• Einsetzbar in 3- und 6-Phasen-Schaltung
• Segmentierte Magnete

In Zusammenarbeit mit den COSIVU-Projektpartnern hat das Fraunhofer IISB einen integrierten 1200-V-Wechselrichter entwickelt. Der Wechselrichter wird in einem elektrischen Antriebsaggregat für Nutzfahrzeuge von Volvo eingesetzt. Der Wechselrichter verwendet hocheffiziente SiC-Transistoren, die den Teillast- und Fahrzykluseffekt des Systems deutlich erhöhen.

Ein modularer und flexibler Aufbau ermöglicht auch die Realisierung eines 6-phasigen Wechselrichtersystems.

Das Projekt ‘COSIVU’ zielt darauf ab, neue Systemarchitekturen für den Antriebsstrang zu entwickeln, indem man einen intelligenten, kompakten und strapazierfähigen Einrad-Traktionsantrieb entwickelt, in den ein Elektromotor, ein kompaktes Getriebe, vollständige SiC-Leistungselektronik (Schalter und Dioden), ein neuartiges Steuerungs- und Zustandsüberwachungsmodul mit drahtloser Kommunikation sowie eine fortschrittliche ultrakompakte Kühllösung integriert sind.

Die Fortschritte gegenüber dem aktuellen Stand der Technik können wie folgt zusammengefasst werden:

• Dezentralisiertes Antriebssystem mit einem kompakten Systempaket und drahtloser Kommunikation zwischen Antriebseinheiten und zentralem Rechner
• Entwicklung der nächsten Generation von hochgradig integrierten Umrichtermodulen auf Basis von neuartiger SiC-Technologie (1200 V, 500 A)
• Konzepte zur Ausfallsicherheit für eine erhöhte Funktionssicherheit
• Geschlossene ‚hardware-in-the-loop‘-Technologie um durchgehend optimale Betriebsbedingungen zu garantieren
• Innovative Funktions- und Zustandsüberwachung
• Verbesserung der Haltbarkeit und absoluten Reichweite um den Faktor 2
• Der elektrische Antriebsstrang, der im Rahmen des COSIVU-Projektes entwickelt wurde, wurde am Prüfstand und in Fahrzeugen getestet

Technische Daten:

Projektpartner: Volvo Technology, Hella, TranSiC, Sensitec, Nanotest, Elaphe, Swerea, TU Chemnitz und Fraunhofer ENAS

Laufzeit: 2012 - 2014

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Die Forschung wurde im Rahmen des Projekts COSIVU durchgeführt, das von der Europäischen Kommission unter der Vertragsnummer 313980 gefördert wurde.

Elektromotor mit integrierter Leistungselektronik und Smart Stator Teeth (SST)

Im Projekt EMiLE arbeiten zehn Partner aus der deutschen Industrie und Forschungseinrichtungen an innovativen Antriebslösungen für die Elektromobilität von morgen. Im Mittelpunkt des Projekts stehen kompakte und effiziente elektrische Fahrzeugantriebe mit einem hohen Integrationsgrad von elektrischer Maschine, Leistungselektronik und Getriebe, die perspektivisch für die Großserie geeignet sind. Hohe Leistungsdichte, hoher Wirkungsgrad und Kostenminimierung sind Vorteile der realisierten Smart-Stator-Tooth-Struktur innerhalb der Antriebseinheit. Jedes Statorsegment der PMSM-Elektromaschine verfügt über eine eigene individuelle Steuerungs- und Leistungselektronik. Der modulare Systemansatz lässt sich an unterschiedliche Fahrzeug- und Antriebsklassen anpassen.

Antriebsstrang mit Smart Stator Teeth

Jeder Smart Stator Tooth (SST) besteht aus einem Motorsegment und einer Elektronikbaugruppe. Zwölf SST bilden einen PMSM-Stator und den dazugehörigen Wechselrichter.

Die Elektronik jedes SST besteht aus einem IGBT-full-bridge-Leistungsmodul, einem Phasenstromsensor, einem Stromregelkreis, einer Gate-Treibereinheit und einem Fehlererkennungsblock. Die Statorwicklungen sind direkt mit den AC-Klemmen des Leistungsmoduls verbunden, wodurch der Platzbedarf und die Anzahl der Teile reduziert werden. Das vormontierte SST kann vor der Montage des Gesamtsystems vollständig getestet werden.

Innovative Steuerungs- und Sicherheitsfunktionen

Mit den fortschrittlichen SST-Steuerungsfunktionen werden zwei Ziele verfolgt: Erstens führt der Ausfall eines Phasenleistungsmoduls nicht zu einem vollständigen Systemausfall. Zweitens werden nach der Erkennung fehlerhafter Teile die verbleibenden SST verwendet, um Auswirkungen des Defekts aktiv zu kompensieren.

Das SST-Konzept definiert und verbessert sowohl die Verfügbarkeit als auch die Fehlerbegrenzung: Ziel ist es, ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand einen sicheren Systemzustand zu erreichen, der die Stabilität des Fahrzeugs und die Sicherheit der Insassen gewährleistet. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit erhöht, was bedeutet, dass Teilfehler nicht das gesamte System zum Stillstand bringen.

Projektpartner:  VDI|VDE|IT, Aix Control, Bosch, Infineon, iSEA RWTH Aachen, Lenze, Siemens, TDK-EPC, VW, ZF

Gefördert durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung

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Eine neue Generation von Leistungsmodulen in der Automobiltechnik mit innovativen elektrischen/thermischen Schnittstellen und Verbindungstechnologien.

Es wurde eine neue Gestaltung von Leistungsmodulen für die Verwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen entwickelt. Viele der Schwachstellen heutiger Lösungen für Schnittstellen, die Beschränkungen für das gesamte Systemkonzept, der Montageaufwand sowie die Zuverlässigkeit konnten beseitigt werden. Das Ergebnis war die Realisierung und der Test eines modularen ‚Umrichter-Bausteins‘.

Modernste Umrichterkonzepte haben beispielsweise eine Schnittstelle zwischen den Leistungsmodulen und dem Zwischenkreis-Kondensator. Konstruktionsbeschränkungen bei der Platzierung von Komponenten können zu hoher Impedanz in der Umwandlungszelle führen, vor allem bei integrierten Antriebslösungen. Die Platzierung des Zwischenkreis-Folien-Kondensators im ‚Umrichter-Baustein‘ führt zu einer hohen Schaltleistung der Module, unabhängig vom gesamten 3D-Umrichter-Konzept. Dies erlaubt ebenfalls Verbesserungen hinsichtlich der Belastbarkeit (Überspannungsspielraum), EMV-Verhalten und Energieeffizienz (Reduzierung von Schaltverlusten). Des Weiteren sind auch der Gate-Treiber und der Stromsensor in das Modul integriert. Ein LTCC-Gerät mit integrierten Gate-Widerständen und Leistungsstufe der Gate-Treiber ist unmittelbar auf das gut gekühlte DAB-Substrat (Direct Aluminum Bonding) gelötet. Dadurch treten parasitäre Effekte und typische Heißstellen seltener auf.

Bauteile der Leistungselektronik in mechanische Antriebe zu integrieren, führt im Vergleich mit eigenständigen Lösungen zu einer erhöhten thermischen und mechanischen Belastung. Um diese thermisch-mechanische Belastung innerhalb des Moduls zu verringern, wurde ein vollständig auf Aluminium bestehendes Konzept verwendet. Darüber hinaus minimiert die konsequente Verwendung von aluminiumbasierten Materialien auch das Gewicht und Kosten sowie die Anfälligkeit für Korrosion. Neuartige Verbindungstechnologien wie das Laserverschweißen des Aluminium-Terminals mit dem DAB-Substrat sowie ein doppelseitiges Nano-Silber-Sintern der Halbleitergeräte wurden erforscht. Tests zu Lastwechselfestigkeit und passiven Temperaturzyklen zeigten im Vergleich mit herkömmlicher Technologie erhebliche Verbesserungen bei der Zahl der Zyklen bis zum Ausfall.

Das Konzept des ‚Umrichter-Bausteins‘ erlaubt die modulare Verwendung in einer Vielzahl von Antriebs- und Motor-Konfigurationen (z.B. in Einzel- oder Doppel-Motor-Aufbauten). Ein erster Test des Konzepts wurde in einem Achsantriebssystem durchgeführt, das im selben Projekt entwickelt wurde.

Projektpartner: Fraunhofer-Institute: IFAM, IKTS, ILT, IMS, IZM, ISIT

Laufzeit: 2009 - 2011

Ein Einzelradantrieb mit Achsantriebseinheit wurde entwickelt, der zwei mechanisch unabhängige Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) mit einem Untersetzungsgetriebe (7:1) beinhaltet. Jeder einzelne Motor hat eine Spitzenleistung von 80 kW und eine Dauerleistung von 30 kW. Das maximale Drehmoment pro Rad beträgt 2000 Nm. Das verwendete ‚off-axis-Konzept‘ erlaubt eine vielseitige Anwendung in einer Vielzahl von Fahrzeugkonzepten, beispielsweise in kleinen kommerziellen Vans, Bussen oder Sportwagen.

Es werden sechs ‚Wechselrichterbausteine‘ verwendet, um die Doppel-Wechselrichter für die Antriebseinheit mit einem Phasennennstrom von 350 A_rms und einer nominellen Gleichspannung von 400 V. Die zwei unabhängigen feldorientierten Kontrollalgorithmen sind auf einer zentralen Steuerplatine mit einem TriCoreTM-prozessor implementiert. Die Kommunikation mit dem übergeordneten Steuersystem ist über einen CAN-Bus realisiert. Dies erlaubt eine unabhängige Drehmomentsteuerung für jedes Rad der Achse. Eine fortschrittliche Sicherheitsarchitektur ist Teil der Implementierung, um die Voraussetzungen der ASIL-D-Klassifikation zu erfüllen.

Die leistungselektronischen Komponenten, inklusive des ‚Wechselrichterbausteins‘, des Steuergeräts und der Gleichstromschiene sind vollständig in den elektrischen Antrieb integriert.  Dies reduziert den Platzbedarf sowie die Kosten und führ zu einem besseren EMV-Verhalten. Eine direkte Verbindung  der AC-Kabel des Motors ohne zusätzliche Steckverbindungen und die gemeinsame Nutzung eines einzigen Kühlkreislaufs für die zwei elektrischen Maschinen und die Leistungselektronik führt unter anderem zur Verringerung des benötigten Materials sowie der Produktionskosten.

Projektpartner: SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH, MACCON

Projektdauer: 2009 - 2011

Produktblatt: High Performance Traction-Drive (2x 80 kW) with Integrated Inverter

Integrierter Antriebsumrichter für Radnabenmotoren

m Rahmen des Projektes ‚FSEM – Fraunhofer Systemforschung Elektromobilität‘ wurde ein Antriebsumrichter für die Anwendung in Radnabenmotoren mit einer Zwischenkreisspannung von 400 V beim Fraunhofer IISB entwickelt.

Der vollständig in den Radnabenmotor integrierte Antriebsumrichter generiert einen frequenzvariablen Wechselstrom aus dem Gleichstrom der Antriebsbatterie (nominelle Zwischenkreisspannung = 400 V). Aus diesem Grund steht jedem einzelnen Motor eine Dauerleistung von 30 kW und eine Spitzenleistung von 65 kW zur Verfügung. Der Antriebsumrichter, der sich zwischen Batterie und Motor befindet und am IISB zu dieser Anwendung entwickelt wurde, ist in den Außenläufermotor integriert, ohne zusätzlichen Raum bei der Konstruktion einzunehmen. Die Integration des Antriebsumrichters in den Motor erlaubt deshalb eine allgemeine Anwendung in bereits bestehenden Kühlkreisläufen des Motors. Die erwarteten elektromagnetischen Emissionen sollten aufgrund der abschirmenden Wirkung des Metallgehäuses abnehmen, in dem der Antriebsumrichter untergebracht ist. Aufgrund der Realisierung als zwei Drehstromteilmaschinen in einem Radnabenmotor ergibt sich eine redundante Systemstruktur. Sollte ein Motor oder eine Phase ausfallen, kann das System mit halber Leistung weiterbetrieben werden.

Bei der Integration von Leistungselektronik in den Motor werden besondere Anforderungen an die Konstruktion, Kontakte und die thermischen Eigenschaften gestellt. Hohe Anforderungen an Widerstandsfähigkeit und Vibrationsfestigkeit des Antriebsumrichters sind unabdingbar für die Integration in ungefederte Bereiche des Fahrzeugs. Alle Belastungen, die auf das Rad einwirken, wirken sich unmittelbar auf den Antriebsumrichter aus. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden wurden unter anderem die Stromanschlüsse an die DCBs mit Wire-Bonding realisiert. Mit Hilfe von thermischen Simulationen für Motor und Antriebsumrichter während der Entwicklungsphase, konnten die thermischen Eigenschaften des Systems schon im Voraus charakterisiert und optimiert werden.

Laufzeit: 2009 - 2011

Elektrische Antriebseinheit mit zwei voneinander unabhängigen Induktionsmaschinen und einem integrierten Doppel-Umrichter für die Verwendung in Axle-Split-Hybriden oder kleinen Elektrofahrzeugen.

Der hier entwickelte integrierte Antrieb enthält zwei Induktionsmaschinen mit einer nominellen Leistung von 20 kW für jeden der Motoren mit einem maximalen Drehmoment von 80Nm bis zu einer Drehzahl von 2500 1/min. Zwei Planetengetriebe (Verhältnis 6:1) werden dazu verwendet, den benötigten Drehmoment von ungefähr 500Nm an jedem Rad zu erreichen. Jeder der zwei mechanisch voneinander unabhängigen Motoren treibt ein Rad der elektrisch angetriebenen Achse an mit einer individuellen Drehmomentregulierung, welche durch zwei implementierte Field-Oriented-Controls (FOC) (Übersetzung nötig?) realisiert wird, die auf der Steuerplatine des Systems laufen. Aufgrund des kompakten Systemkonzepts kann die Antriebseinheit dort eingebaut werden, wo sich eigentlich, beispielsweise bei einem Allrad-Fahrzeug wie dem Audi TT quattro, der Platz für ein mechanisches Differential befindet. Abhängig von dem verwendeten Energiespeicher ist das System sowohl für kleine Elektrofahrzeuge geeignet als auch für Hybridfahrzeuge, bei denen ein herkömmlicher Verbrennungsmotor die andere Achse des Fahrzeugs antreibt (Axle-Split-Hybrid).

Der Doppel-Umrichter der Einheit wird unmittelbar in das Gehäuse der elektrischen Maschinen eingebaut und verwendet einen Kühlmantel gemeinsam mit dem Motor für die sechs Halbbrücken-IGBT-Module. Sowohl die Steuerplatine, welche auf einem Infineon TricoreTM basiert, als auch der gemeinsame DC-Link-Folienkondensator für beide Umrichter, werden oberhalb der Leistungsmodule platziert.

Die Spezifikationen der integrierten Doppel-Umrichter lauten wie folgt:

• Maximale Scheinleistung (pro Umrichter): 45 kVA
• Schaltfrequenz: 10 kHz
• DC-Zwischenkreis-Nennspannung: 400 V
• DC-Zwischenkreis-Kondensator: 0,5 mF
• Direkt gekühlte DCB-/DAV-Substrate (ECPE/FhG WO 2007/090664)
• Infineon IGBT 3
• Infineon EmConTM-Dioden
• AC-Strommessung: direktabbildende Hall-Effekt-Sensoren

Projektpartner: Oswald E-Motors, HEYNAU

Laufzeit: 2008 - 2010

Entwicklung eines Elektrofahrzeugs mit Straßenzulassung, dessen Bauteile für Bahnstromversorgung, Verwaltung der elektrischen und thermischen Energie und dem Laden vollständig aus dem Fraunhofer IISB stammen.

Das Fraunhofer IISB entwickelt verschiedene Forschungsplattformen für die Evaluation und Optimierung von Komponenten für hybride und elektrische Antriebsstränge. Die Elektrofahrzeugs-Plattform baut auf einem ARTEGA GT auf.

Die Forschungsschwerpunkte innerhalb dieses Projektes lauten wie folgt:

• Einsatzstrategie mit variabler Zwischenkreisspannung für die Erhöhung der Teillasteffizienz
• Positionstolerantes induktives Laden
• Modell-basierte Fahrzeugsteuerungssysteme unter Verwendung von Matlab/Simulink und dSpace
• Fortgeschrittene Fahrzeugsicherheitsarchitektur
• Umfassendes Temperaturmanagement
• Straßenzulässigkeit

Eine integrierte zentrale Antriebseinheit mit zwei unabhängigen elektrischen Maschinen und einer maximalen Ausgangsleistung von 2x 80 kW erlaubt eine unabhängige Drehmomentverteilung für jedes Rad der hinteren Achse.

Alle Wandler, die für ein elektrisches Energiemanagement, Netzteil und Ladetechnik nötig sind, sind in den Energiespeicher integriert, der damit zu einer intelligenten Batterieeinheit wird. Diese Art von Systempartitionierung folgt dem grundlegenden Gedanken einer „Wirkungsort-Integration“ und minimiert die Kosten für den Hochspannungskabelbaum sowie die Systemkosten.

Ein innovativer Multiport-DC/DC-Wandler wird in der Elektrofahrzeugs-Plattform dafür verwendet, die Hochspannungselektroanlage zu verwalten. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Energiespeicher mit unterschiedlichen Spannungsniveaus (z.B. eine Traktionsbatterie mit zusätzlichem SuperCap-Speicher) flexibel zu kombinieren.

Projektpartner: Offene Technologieplattform ohne restriktive vertragliche Verpflichtungen gegenüber bestimmter Unternehmen aus der Fahrzeugindustrie (hausinternes Forschungsprojekt).
Beteiligung interessierter Unternehmen ist möglich (z.B. in Gestalt der Vorstellung und des Testens ihrer eigenen Geräte, Bauteile und Technologien als auch als Sponsor)

Integration eines 50 kW E-Antriebs zusammen mit der Leistungselektronik in die Kupplungsglocke eines PKWs.

Im Rahmen des Projekts sollen neue Techniken und Tech­no­­logien erforscht und erprobt werden, die eine Integration von Leistungselektronik in besonders anspruchs­volle Umge­bungen, wie beispielsweise den Antriebsstrang von Hybrid-PKWs, erlauben. Die System­integration von Leistungs­elektronik bringt vor diesem Hintergrund ein Anfor­de­rungs­profil mit sich, das die Auflösung traditioneller Schnitt­stellen zwischen Elektronik und Mechanik sowie das Verlassen ausgetretener Pfade bei Aufbautechniken, Bau­elemente­technologien und Montage­verfahren erfordert. Aufgrund der sehr engen Abhängigkeiten zwischen mecha­ni­scher Konstruktion, Materialauswahl, Entwärmung, Zuver­lässigkeit, EMV-Verhalten, Fertigbarkeit, Testbarkeit und Kosten ist die Systementwicklung nur in einem interdiszipli­nä­ren Entwicklungsteam aus erfahrenen Ingenieuren der Elektro­technik, des Maschinenbaus und der Werkstoff­wissen­­schaften möglich.  Das Fraunhofer-IISB führt als „Competence Center Automotive“ des ECPE European Center for Power Electronics e.V. dieses Projekt im Auftrag der ECPE GmbH durch.

Mit Hilfe neuer Ansätze zur 3D-Integration von Leistungs­elektronik in komplexe mechanische Strukturen, mit der Entwicklung neuartige passiver Bau­elemente und Leistungs­module und einem optimierten thermischen Management ist es gelungen, einen Umrichter mit der Rekord-Leistungs­dichte von 75 kW/dm³ in den außer­ordentlich anspruchs­vollen Bauraum zu integrieren. Details der Arbeiten sind ECPE-vertraulich.

Herausforderungen:

• Kühlmitteltemperaturen bis 115 °C
• Umgebungstemperatur bis 140 °C
• Hohe Ströme (ca. 300 A) und Spannungen (ca. 400 V)
• Hohe Vibrations- und Temperaturwechselbelastung
• Sehr kleiner und zerklüfteter Bauraum
• Hohe Zuverlässigkeitsanforderungen
• Perspektiven für eine kostengünstige Fertigbarkeit

Projektpartner: ECPE

Laufzeit: 2004 - 2007