Kompetenzfeld

Leistungselektronik u. funktionale Integration

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Tobias Reimann

Leiter des Fachgebiets Industrieelektronik

+49 3677 69-2849

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Kompetenzfeld Leistungselektronik und funktionale Integration

Die Leistungselektronik stellt eine Schlüsselkomponente im modernen Automobil dar. Die Anzahl und die elektrische Leistung der in Fahrzeugen zum Einsatz kommenden leistungselektronischen Baugruppen und Systeme steigen permanent an. Dieser Trend wird durch die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die Implementierung komplexer Funktionalitäten mittels digitaler Informations- und Kommunikationstechnik zusätzlich verstärkt. Neben der mechatronischen Integration kommt der funktionalen Integration eine immer größere Bedeutung zu. Die im Fahrzeug installierte elektrische Gesamtleistung hat den dreistelligen Kilowattbereich erreicht. Bei konstant bleibendem zur Verfügung stehendem Bauraum müssen sowohl der elektrische Wirkungsgrad als auch die Leistungsdichte der leistungselektronischen Systeme erhöht werden. Um diese Ziele zu erreichen, kommen Bordnetze unterschiedlicher Spannungsebenen von 12V bis 700V zum Einsatz, die mit dc-dc-Stellern bidirektional zu koppeln sind. Neue Leistungshalbleiterbauelemente auf Basis von wide-bandgap-Materialien wie SiC oder GaN werden appliziert, um minimale Schalt- und Durchlaßverluste zu realisieren. Innovative Aufbau- und Verbindungstechniken müssen erforscht werden, um unter thermisch und elektromagnetisch anspruchsvollen Randbedingungen hohe Ströme führen und mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten zu können. In diesen Gesamtkontext ordnen sich die Forschungs- und Entwicklungsthemen des Kompetenzfeldes im ThIMo ein.


Arbeitsfelder

Referenzprojekt

Entwicklung einer integrierten und modularen Leistungselektronikplattform für innovative Niedervolt/Hochstrom-Systeme mit PCB-basierter Aufbau- und Verbindungstechnik (iModPowerSys)

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Referenzprojekt

Projektname:
Entwicklung einer integrierten und modularen Leistungselektronikplattform für innovative Niedervolt/ Hochstrom-Systeme mit PCB-basierter Aufbau- und Verbindungstechnik (iModPowerSys)

Projektzeitraum:
05.2015 - 04.2017

Finanzierung:
Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Projektkonsortium:
Technische Universität Ilmenau, Thüringer Innovationszentrum Mobilität (ThIMo), Fachgebiet Industrieelektronik ISLE Steuerungstechnik und Leistungselektronik GmbH, Ilmenau

Kurzbeschreibung:
Schwerpunktthema des Projektes war die Erforschung von kostengünstigen, PCB-basierten Aufbau- und Verbindungstechniken leistungselektronischer DC/DC-Wandler und DC/AC-Wandler für Niedervolt-/Hochstrom- Applikationen. Die Zwischenkreisspannungen lagen unter 60V und die Lastströme erreichten Werte bis zu 350A. Typische Anwendungen sind Batterieladegeräte für mobile Anwendungen, Antriebswechselrichter oder DC/DCWandler für den Einsatz in Systemen mit Brennstoffzellen.
Im Projekt wurde ausgehend von der multi-physikalischen Modellbildung aller Systemkomponenten das elektrische, thermische und mechatronische Systemverhalten simuliert und die Komponenten optimal ausgelegt. Für zwei praktische Anwendungen wurden Referenz-Designs realisiert und im Labor experimentell detailliert untersucht. Im Ergebnis der praktischen Untersuchungen erfolgte die Verifikation und Verbesserung der Simulationsmodelle. Das erste Referenzsystem war ein dreiphasiger Antriebsumrichter mit einer maximalen Leistung von 20kW. Beim zweiten Referenzsystem handelte es sich um einen mehrfach parallel kaskadierten DC-DC Konverter für den Einsatz in der Batterieladetechnik, für unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS) und Brennstoffzellensysteme mit einer Maximalleistung von 5 kW.

Im Ergebnis des Projektes entstand ein universal einsetzbares Entwurfswerkzeug für Niedervolt-/Hochstrom- Leistungselektronikstellglieder für automotive und industrielle Applikationen.

Technische Realisierung des dreiphasigen Antriebumrichters (Demoboard) als SBS (Single Board Solution): Eingangsspannung: 48V, Phasenstrom-Effektivwert 350A, Wirkungsgrad: 96..98%

Technische Realisierung des DC/DC Wandler-Demoboards als SBS (Single Board Solution): Eingangsspannung: 12-60V, Ausgangsspannung: 12 - 60V, Energiefluss: bidirektional, Ausgangsstrom 100A bei 12V (bzw. 600A bei 6-fach Kaskadierung), Wirkungsgrad: >95