Leistungselektronik für Elektromobilität, Photovoltaik und Speichersysteme

Durch unsere langjährige Erfahrung in der Entwicklung von kundenspezifischen Leistungselektroniken im Bereich der Photovoltaik- und Speichersysteme, identifizieren wir mit unseren Kundinnen 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. 

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.

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.

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.

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.

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.