Wissenschaft & Forschung

Hochfrequente induktive Energieübertragung für autonome elektrische Antriebe

In der Automatisierungstechnik gibt es einige herausfordernde Anwendungen, die eine hermetische Abdichtung von Automaten benötigen, so beispielsweise Bestückungsroboter in der Halbleiterindustrie oder in der Medizintechnik. Klassische Kabelschleppen oder Schleifkontakte können anforderungsbedingt oftmals nicht verwendet werden. Die Energie muss dann kabellos zu den Aktuatoren in den Automaten übertragen werden. 

Skalierbares Thermomanagement und Antriebsstrang für Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge

Das Projekt SkalTABs befasst sich mit skalierbaren Antriebsstrang- und Thermomanagementarchitekturen sowie den zugehören Hardwarekomponenten für zukünftige Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzellen. Die Optimierung der Systemarchitekturen erfolgt auf der Basis einer ganzheitlichen Betrachtung der elektrischen und thermischen Energieflüsse, wodurch eine möglichst hohe Gesamteffizienz angestrebt wird. Durch die Kombination einer hohen Gesamteffizienz mit dem skalierbaren Ansatz des Brennstoffzellensystems wird ein breites Spektrum von Nutzfahrzeugen aus verschiedenen Anwendungs- und Leistungsbereichen abgedeckt. Auf diese Weise leistet das Projekt einen Beitrag dazu, Brennstoffzellenantriebsstränge kosteneffizient zu gestalten und somit insbesondere zugänglich für kleinere Fahrzeughersteller zu machen.

Eine zentrale Komponente für das gesamte Antriebsstrangmanagement ist der Multiport-DC/DC-Wandler, der die Energieflüsse zwischen Brennstoffzelle, Batterie und Antriebsumrichter regelt. Neben einer hohen Effizienz werden hier insbesondere ein dynamisches Regelungsverfahren des Wandlers selbst sowie Ansteuerverfahren zur Verlustreduzierung des Gesamtsystems adressiert.

Im Rahmen des Projektes werden unter anderem folgende Aspekte detailliert untersucht:

• Steigerung der Komponentenlebensdauer
  • Die nutzfahrzeugspezifischen Anforderungen verlangen eine deutlich erhöhte Komponentenlebensdauer im Vergleich zu PKW-Anwendungen. Um die geforderte Lebensdauer zu gewährleisten, kommen 3D-gedruckte Hochleistungskühler und spezielle Leistungsmodule zum Einsatz.
• Skalierbarkeit der Wandlertopologie
  • Damit eine Skalierbarkeit des DC/DC-Wandlers möglich ist, werden verschiedene Varianten der Parallelisierung erforscht und verglichen. Dabei wird unter Berücksichtigung der Parameter Kosten, Effizienz, Bauraum, Herstellbarkeit etc. ein Optimum angestrebt.
• Neue Ansteuerverfahren für die Traktionsmaschine
  • Die gemeinsame Regelung von DC/DC-Wandler und Traktionsumrichter wird untersucht. Dabei werden mit Hinblick auf Effizienz, THD und Drehmomentwelligkeit neue Ansteuerungsverfahren für die Traktionsmaschine

KI-Methoden zur optimierten Regelung elektrischer Traktionsantriebe

Das Projekt KIRA (KI-Methoden zur optimierten Regelung elektrischer Traktionsantriebe) stellt die ganzheitliche Optimierung des Betriebs von elektrischen Traktionsantrieben durch den Einsatz von Methoden basierend auf künstlicher Intelligenz (KI) in den Mittelpunkt. Der Fokus liegt in der Entwicklung von neuartigen Ansteuerungs- und Regelungskonzepten, welche eine grundlegende Überarbeitung der gängigen Methoden und Modelle voraussetzen. Mit ihrer Optimierungsmethodik setzt KIRA bei den wesentlichen Schlüsselaspekten des Elektroantriebs für Fahrzeuge an: Erhöhung des Wirkungsgrads, Erhöhung der Leistungsdichte, Reduktion störender Geräuschentwicklung und Erhöhung der Drehmomentgenauigkeit. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
Der Schlüssel dazu liegt in exakteren, KI-basierten Modellansätzen zur Beschreibung der verschiedenen physikalischen Domänen des E-Antriebs. Diese werden im Rahmen des Projekts in Kombination mit klassischen und KI-basierten Regelungsverfahren erforscht, die eine gezielte Optimierung der Effizienz, der Ausnutzung, der Geräuschentwicklung sowie der Drehmomentgenauigkeit des E-Antriebs ermöglichen. Der Fokus liegt hierbei auf reinen Elektrofahrzeugen. Die Lösungen sind aber grundsätzlich auf Hybridfahrzeuge und alle anderen Arten von elektrischen Antrieben übertragbar. Um diese Ziele zu erreichen, setzt KIRA auf ein eng verkettetes Vorgehen über alle relevanten Antriebsebenen.

Einerseits ist in KIRA das Ziel des ISEA die Regelung der akustischen Emissionen durch eine KI-basierte akustische Modellierung der elektrischen Maschine zu ermöglichen, wobei komplexe multiphysikalische Zusammenhänge von der Anregung bis zur Abstrahlung akustischer Emissionen vereinfacht abgebildet werden. Dadurch soll eine Echtzeitfähigkeit des akustischen Modells bei gleichzeitig ausreichend hoher Genauigkeit erreicht werden. Andererseits soll das thermische Verhalten der elektrischen Maschine abgebildet werden. Auch hier bieten KI-basierte Ansätze wie z.B. neuronale Netze das Potential, die Rechenintensität der Modelle deutlich zu verringern ohne die Genauigkeit negativ zu beeinflussen. In KIRA soll zunächst gezeigt werden, dass KI-basierte Modelle vergleichbare Ergebnisse zu klassischen Modellierungsansätzen liefern. Ein weiteres Ziel des ISEA ist, die optimale Generierung von Trainingsdaten für die zu untersuchenden Modellierungsansätze zu finden. Dabei sollen sowohl modellbasierte Daten als auch empirische Daten untersucht werden.

“Next Generation GaN Power Module Project”

Galliumnitrid "GaN" ist ein vielversprechendes Material, um Silizium in der Leistungselektronik im 650-V-Marktsektor zu ersetzen. Leistungssysteme, die auf GaN basieren, sind leichter, kompakter, wesentlich effizienter und potenziell billiger als solche, die auf Silizium basieren. Im Rahmen des GaNext-Projekts wollen wir die Hindernisse für die Einführung von GaN beseitigen und die höhere Effizienz und Leistungsdichte von GaN-basierten Systemen in einer Reihe von Anwendungen demonstrieren. Das Herzstück des Projekts ist die Entwicklung eines intelligenten GaN-Leistungsmoduls, bei dem die Steuerung, die Treiber und die Schutzschaltungen zusammen mit den Leistungsbauteilen verpackt sind.

Hochleistungsmagnetmaterialien auf Basis von SmCo und CoFe für hocheffiziente elektrische Automobilantriebe und Flugzeugmotoren

Die Mobilität von Personen und Gütern ist eine wichtige Grundvoraussetzung für unsere Gesellschaft. Die dafür notwendigen Transportmittel zu Lande, zu Wasser und in der Luft benötigen alle immer leistungsfähigere Antriebe. Insbesondere im Straßenverkehr und in der Luftfahrt werden dafür nach wie vor riesige Menge an fossilen Ressourcen in Form von Benzin, Diesel und Kerosin in Motoren und Turbinen verbrannt. Das ist zum einen wegen der begrenzten Lagerstätten nicht nachhaltig und zum anderen beschleunigt das freigesetzte CO2 den Klimawandel, was beides eine schwere Hypothek für künftige Generationen darstellt.
Die Elektrifizierung der Antriebssysteme ist der vielversprechendste Ansatz, die erwähnten Probleme zu lösen. Die begrenzte Speicherkapazität der aktuell zur Verfügung stehenden Batteriesysteme führt zu der dringenden Notwendigkeit die Effizienz von elektrischen Antrieben zu steigern. Zusätzlich sind, gerade im Bereich der Luftfahrt, das Volumen und das Gewicht der Antriebe limitierende Größen und müssen soweit wie möglich reduziert werden um bestimmte Technologien überhaupt zu ermöglichen und um die Ressourcen zu schonen.

5G-DRIVE: 5G HarmoniseD Research and TrIals for serVice Evolution between EU and China

Die weltweite Einführung und Marktübernahme von 5G ist eine der Hauptprioritäten der Branche, aber ein globaler Technologiekonsens und die Harmonisierung des Spektrums sind nach wie vor ein zentrales Thema, bevor die 5G-Normung endgültig verabschiedet wird. Zur Erleichterung dieses Prozesses sind die internationale Zusammenarbeit und die Angleichung zwischen den Schlüsselregionen unerlässlich, wobei Europa und China zwei der wichtigsten Regionen in dieser Hinsicht sind.

Die Europäische Kommission hat den ersten Schritt zur Förderung der globalen 5G-Zusammenarbeit mit vielen Ländern und Regionen unternommen, unter anderem durch gemeinsam finanzierte Projekte, globale 5G-Veranstaltungen und andere Initiativen. Die Europäische Kommission und China haben vereinbart, gemeinsame Projekte für 5G-Versuche zu finanzieren, die sich mit zwei der vielversprechendsten 5G-Einführungsszenarien befassen, nämlich dem erweiterten mobilen Breitband (eMBB) und der Vehicle-to-Everything-Kommunikation (V2X). 5G-DRIVE hat sich in Zusammenarbeit mit seinem chinesischen Partner zum Ziel gesetzt, dieses Ziel zu erreichen.

5G-DRIVE wird die aktuellen 5G-Entwicklungen in Europa und China durch gemeinsame Versuche und Forschungsaktivitäten zusammenführen, um die technologische Konvergenz, die Harmonisierung des Spektrums und die geschäftliche Innovation zu erleichtern, bevor der groß angelegte kommerzielle Einsatz von 5G-Netzen erfolgt. 5G-DRIVE wird in Zusammenarbeit mit dem chinesischen Partnerschaftsprojekt 5G-Schlüsseltechnologien und vorkommerzielle Testumgebungen für eMBB- und V2X-Dienste entwickeln. Versuche zur Erprobung und Validierung wichtiger 5G-Funktionen, -Dienste und -Netzplanung werden in Europa und China durchgeführt.