Leistungselektronik für Elektromobilität, Photovoltaik und Speichersysteme

Auf dem Gebiet der Leistungselektronik für Elektromobilität, Photovoltaik- und Speichersysteme bündeln wir unser umfassendes Know-how mit einer einzigartigen Laborinfrastruktur. Innerhalb unserer Forschungsprojekte arbeiten wir kontinuierlich daran, die Leistungsdichte und das Leistungsgewicht, und somit die Integrationsdichte von leistungselektronischen Systemen zu steigern. Darüber hinaus sind wir spezialisiert auf die Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen für Elektromobilitätsanwendungen, Photovoltaik- und Speichersysteme. Wir entwickeln effiziente und multifunktionale Umrichter für alle Arten von On- und Off-Grid-Anwendungen.

Der steigende Bedarf an einer nachhaltigen, effizienten und emissionsfreien Mobilität erfordert ein breites Spektrum an leistungselektronischen Systemen. Hocheffiziente und leistungsstarke Umrichter sind dabei für den mobilen als auch den stationären Bereich notwendig, damit Reichweiten erhöht und Ladezeiten reduziert werden können. Unser breites Fachwissen und unsere hochmoderne Laborinfrastruktur ermöglichen uns dabei die Entwicklung von hocheffizienten und kompakten leistungselektronischen Systemen bis hin zur Vorserie. Gemeinsam mit OEMs, deren Zulieferer und Herstellern von Ladeinfrastruktur arbeiten wir daran, innovative und individuelle Lösungen von leistungselektronischen Systemen zu realisieren.

 

Unsere FuE-Aktivitäten und Leistungen zum Thema »Leistungselektronik für Elektromobilität, Photovoltaik und Speichersysteme« umfassen:

Kompakte, effiziente und kundenspezifische Umrichtersysteme

125-kVA-Einschub eines modularen, hochkompakten 1-MVA-Batterieumrichters
© Fraunhofer ISE
Batteriewechselrichter, der dank modularen Aufbaus für Industriespeicher zwischen 125 und 2000 Kilowatt eingesetzt werden kann.

Durch unsere langjährige Erfahrung in der Entwicklung von kundenspezifischen Leistungselektroniken im Bereich der Photovoltaik- und Speichersysteme, identifizieren wir mit unseren Kunden und Partnern die passenden Spezifikationen und Systementwürfe hinsichtlich der elektrischen Größen, Mission Profiles und der klimatischen Bedingungen. Damit wir kompakte und effiziente Leistungselektroniken realisieren können, setzen wir neuste Halbleitergenerationen (Silizium, Siliziumcarbid und Hybride) ein und realisieren schnell taktende Designs mit den dafür geeigneten Schaltungstopologien. Verschiedene Dimensionierungstools helfen uns bei der Auswahl der Bauteile und der anschließenden Realisierung der Schaltpläne und Layouts der Leiterplatten.

Nach der externen Fertigung fügen unsere Technikerinnen und Ingenieure, die elektrischen Baugruppen entsprechend zusammen und führen die Inbetriebnahmen der Wandlerstufen durch. Mit der Integration der kundenspezifischen oder eigens entwickelten Kühlsysteme und Gehäuseformen werden die Prototypen oder Vorserienentwicklungen in unseren Laboren, mit Hinblick auf die aktuellen gerätespezifischen Normen, elektrisch und thermisch vermessen. 

Innovative Aufbau-, Verbindungs- und Kühlkonzepte

Innovative Aufbau-, Verbindungs- und Kühlkonzepte
© Fraunhofer ISE
Technologiedemonstrator eines 70 kVA PV-Wechselrichters mit optimierter Aufbau- und Kühlungstechnik.

Neben dem eigentlichen leistungselektronischen Konzept rücken die peripheren Komponenten der Aufbau-, Verbindungs- und Kühltechnik zunehmend in den Vordergrund unserer Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. Durch technologische Fortschritte in diesen Bereichen werden sich Leistungsdichte und Leistungsgewicht in Zukunft noch erheblich steigern. Beginnend mit der Optimierung der Modullayouts, Doppelpulsmessungen zur Bestimmung der Schaltverluste oder auch faseroptischen Temperaturmessungen während des Betriebs der Halbleiter in den jeweiligen Leistungselektroniken bis hin zur optimalen Anbindung an den Kühlkörper können wir mit unserem umfangreichen Know-how, Kunden und Partner bereits bei der Auswahl der geeigneten Halbleitermodule unterstützen. Damit die entstehende Verlustleistung gezielt abgeführt werden kann, greifen wir auf interne Kompetenzen am Institut zurück, um so für die Anforderungen optimierte Kühlkörperkonzepte bspw. mit Heatpipes oder Verbundwerkstoffen realisieren zu können.

Bei der Entwicklung steht natürlich auch immer die Wirtschaftlichkeit unseres Leistungselektronik Designs im Fokus, so dass wir möglichst über einen großen Leistungsbereich auf Standard-Leiterplattentechnologien zurückgreifen. Der partielle Einsatz von Kupferschienen und der gestapelte Aufbau von Platinen helfen uns dabei, dennoch sehr große Leistungsdichten zu realisieren.

Induktive und konduktive Hochleistungsladeinfrastruktur

Prototyp einer Induktionspule zur drahtlosen Energieübertragung
© Fraunhofer ISE
Prototyp einer Induktionspule zur drahtlosen Energieübertragung.

Der Entwurf und die Dimensionierung induktiver Ladesysteme für die Elektromobilität erfordert eine Bandbreite an Kompetenzen. Über die konstruktive Entwicklung der induktiven Übertrager und deren elektromagnetischen Betrachtungen hin zur Auslegung und Simulation der elektrischen Resonanzkreise und der dazugehörigen Schaltungstopologien, sind wir in der Lage induktive Energieübertragungssysteme bis zu einer Leistung von 40 kW aufzubauen, in Betrieb zu nehmen und in entsprechenden Labor- und Feldversuchen zu vermessen.

Darüber hinaus entwickeln wir kompakte und hocheffiziente konduktive Ladeinfrastruktur für den stationären Bereich mit Leistungen von heute bis zu 350 kW und in Zukunft auch darüber hinaus. Unter Berücksichtigung der gerätespezifischen Normen realisieren wir innovative leistungselektronische Designs bis zur Pilotserie.

Hocheffiziente und kompakte Wandler zur fahrzeugseitigen Integration

Brennstoffzellen-Range-Extender mit einer Leisutng von 4 x 1.25 kW
© Fraunhofer ISE
Brennstoffzellen-Range-Extender mit einer Leisutng von 4 x 1.25 kW.

Damit die Komponenten von elektrischen Fahrzeugen mit ihren verschiedenen Strom- und Spannungsformen entsprechend versorgt werden, ist eine Vielzahl an leistungselektronischen Umrichtern notwendig.  Bei der Entwicklung der entsprechenden Leistungselektronik stehen dabei die Leistungsdichte und das Leistungsvolumen, in Verbindung mit der Wirtschaftlichkeit, im Vordergrund. 

Neben dem Einsatz von schnell schaltenden Hableitern, zur Volumenreduzierung der passiven Bauelemente, identifizieren wir optimale Schaltungstopologien für die jeweilige Anwendung mit den entsprechenden Sicherheitskonzepten. Ein besonderes Augenmerk richten wir dabei auf die notwendige galvanische Trennung, welche wir höchsteffizient realisieren können. Ebenso sind wir mit dem Einsatz von Fluidkühlsystemen vertraut.

Innovative Regelungsalgorithmen zur Netzintegration von Leistungselektronik

Prädiktive Regelung getakteter leistungselektronischer Systeme
© Fraunhofer ISE
Prädiktive Regelung getakteter leistungselektronischer Systeme.

Durch die Transformation unseres Energiesystems werden in Zukunft rotierende Synchronmaschinen, welche heute noch maßgeblich für die Stabilität und Bildung unseres Stromnetzes verantwortlich sind, zunehmend von entsprechenden leistungselektronischen Umrichtern verdrängt. Innovative Ansätze zur Netzregelung und Netzintegration, werden dann dazu beitragen, in einem umrichterdominierten Netz, weiterhin die Stabilität zu gewährleisten.

Innerhalb unserer Abteilung erforschen und entwickeln wir dabei insbesondere netzstützende und netzbildendende Regelungsalgorithmen für leistungselektronische Systeme. Hierzu steht uns eine breite Palette an bekannten Entwicklungstools (MathCad, Matlab/Simulink, Octave, Plecs, etc.) für die Entwicklung der Regelungstechnik zur Verfügung.  Ebenso übernehmen wir die spezifische Implementierung und Inbetriebnahme der Regelungstechnik an verschiedenen uns zur Verfügung stehenden hardwarenahen Entwicklungsplattformen und an den von uns entwickelten Leistungselektroniken.

 

Simulationen und Studien zu leistungselektronischen Wandlern für die Elektromobilität, PV- und Speichersysteme

3D-Simulation der magnetischen Flussdichte eines induktiven Übertragers
© Fraunhofer ISE
3D-Simulation der magnetischen Flussdichte eines induktiven Übertragers.

Jedes Projekt beginnt mit einer Idee und der darauffolgenden Ausarbeitung einer Konzept- oder Machbarkeitsstudie. Dabei identifizieren wir mit unseren Experten die für die Anwendung geeigneten Schaltungstopologien, dimensionieren die entsprechenden Hauptkomponenten und führen eine simulative Bewertung des Systems durch.

Ebenso gehören die Analyse, die Charakterisierung und die Modifikation bestehender leistungselektronischer Wandler und Systeme zu unseren Aufgabengebieten. Insbesondere die Charakterisierung von Ladeinfrastruktur und Antriebsumrichtern kann durch unsere einmalige Laborinfrastruktur abgedeckt werden.  

Über Schulungen, Seminare oder Vorträge transferieren wir unser Know-how in den Bereichen der Elektromobilität und der Netzintegration von Leistungselektroniken an die interessierte Fachwelt.   

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema

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High Power Inductive – Automatisierte, kabellose Schnellladetechnologie für autonome mobile Roboter und Flurförderzeuge

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Entwicklung von fahrzeugintegrierter Photovoltaik für das On-Board-Laden von Elektro-Nutzfahrzeugen

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Hybride Lithium-Ionen-Batteriespeicherlösung mit 1500 V Systemtechnik, innovativem Thermomanagement und optimierender Betriebsführung

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Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung

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LUIZ

Leistungselektronik – Intelligent und Zuverlässig

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Zentrum für Leistungselektronik und nachhaltige Netze