Anwendungsspezifische Lösungen für die Elektromobilität#

Um elektrische Energie anwendungsspezifisch und in der richtigen Form dem Elektroantrieb zur Verfügung zu stellen, wird eine Vielzahl an leistungselektronischen Wandlern benötigt.

Leistungselektronik für Elektromobilität und Netzintegration

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. Ebenso wird die Interaktion zwischen Fahrzeug und Stromnetz immer bedeutender, da hier ein enormes Potential zur Lastverschiebung und zur Zwischenspeicherung von Erneuerbaren Energien liegen wird. Unsere Ingenieure verfügen über eine langjährige Erfahrung insbesondere in der Entwicklung von konduktiven und induktiven Ladesystemen bis in den Leistungsbereich von 350 kW. 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 zum Thema »Leistungselektronik für Elektromobilität und Netzintegration« umfassen:

Induktive und konduktive Hochleistungsladeinfrastruktur#

© 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 Leistung 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 netzerhaltende 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#

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 Thema#

Forschungsprojekt

HiPoInd

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

Forschungsprojekt

DyConPV

Hochdynamische Regelung von Photovoltaik-Wechselrichtern

Forschungsprojekt

Lade-PV

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

Forschungsprojekt

HYBAT

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

FuE-Infrastruktur

Zentrum für Leistungselektronik und nachhaltige Netze