Metropolregion Nürnberg FRAUNHOFER …...Herzstück ist das monatliche, im Herbst 2010 neu eingeführte Leistungselektronik-Kolloquium des Innovationsclusters, das mit wechselnden

Zwischenbericht 2010/2011

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR INTEGRIERTE SYSTEME UND BAUELEMENTETECHNOLOGIE IISB

Metropolregion Nürnberg

FRAUNHOFER-INNOVATIONSCLUSTER ELEKTRONIK FÜR NACHHALTIGE ENERGIENUTZUNG

Erlangen, 29. Februar 2012

2 Fraunhofer IISB Zwischenbericht Innovationscluster

Inhaltsverzeichnis

Zielsetzung und Organisation ....................................................................................... 3

Projekte – Inhalte und Status ........................................................................................ 8

Pilotprojekt 1 Energieeffizienter Arbeitsplatz und Haushalt ........................................ 8

Pilotprojekt 2 Intelligente Netze .............................................................................. 11

Hans-Georg-Waeber-Innovationspreis ................................................................. 21

Pilotprojekt 3 Elektromobilität ................................................................................. 23

Industriepartner ......................................................................................................... 26

Finanzen .................................................................................................................... 27

Öffentlich geförderte Folgeprojekte ............................................................................ 28

Personalentwicklung .................................................................................................. 29

Patente ...................................................................................................................... 30

Hochschul-Kooperationen .......................................................................................... 30

Georg-Simon-Ohm Hochschule Nürnberg ............................................................... 30

Universität der Bundeswehr München .................................................................... 31

Universität Erlangen-Nürnberg ................................................................................ 31

Neuartige SiC-Bauelemente ................................................................................ 31

TechFak EcoCar .................................................................................................. 31

Monolithische RC-Elemente (Snubber)................................................................. 54

Überbrückungselement (Inverse Sicherung) ......................................................... 56

Entwärmung von passiven Bauelementen ............................................................ 57

Veranstaltungen ........................................................................................................ 59

Auftaktveranstaltung .............................................................................................. 59

Leistungselektronik-Kolloquium .............................................................................. 60

Aus- und Weiterbildung ............................................................................................. 65

Nachwuchsförderung ................................................................................................. 66

Testzentrum für Elektrofahrzeuge .............................................................................. 67

Publikationen ............................................................................................................. 72

Vorträge .................................................................................................................... 74

So finden Sie uns ....................................................................................................... 77

Autoren (in alphabetischer Reihenfolge)

Bär E., Billmann M., Deifel V., Dirnecker T., vom Dorp J., Eckardt B., Fischer B., Frey L., Hermes H., Hofmann M., Koffel S., Langbein D., Malipaard D., März M., Schletz A., Wunder B., Zeltner S.

Fraunhofer IISB Zwischenbericht Innovationscluster 3

Zielsetzung und Organisation

Zielsetzung

Es gibt kaum ein Thema, das die Menschen des 21. Jahrhunderts so bewegt wie die Zukunft der Energieversorgung. Damit verbun-den sind Fragen des Klima- und Umweltschutzes und der Ressour-censchonung, aber auch der persönlichen Sicherheit, Gesundheit und Mobilität und – im Hinblick auf die Kosten – des Wohlstands. Nachhaltige Nutzung von Energie ist gesellschaftlich und wirt-schaftlich höchst relevant und beinhaltet große Herausforderungen an Technik und Politik.

Es wird erwartet, dass sich der weltweite Bedarf an elektrischer Energie bis zum Jahr 2050 verdoppelt. Neben der intensiven öf-fentlichen Diskussion um die Primärenergiequellen und den dafür nötigen Umbau der Stromnetze ist daher Einsparung im Verbrauch höchstes Gebot. Energie muss zudem bedarfsgerecht verfügbar sein. Durch moderne Elektronik, insbesondere Leistungselektronik, die elektrische Energie zuverlässig, höchst effizient und verlustarm wandelt und verteilt, kann hierbei ein ganz wesentlicher Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauchs entlang der gesamten Energie-kette sowie zur Gestaltung des Netzumbaus geleistet werden. Ohne Leistungselektronik ist die Energiewende nicht möglich.

Dies ist das wissenschaftliche Kernthema des Fraunhofer-Innova-tionsclusters „Elektronik für nachhaltige Energienutzung“, der in der Metropolregion Nürnberg Firmen, Forschungseinrichtungen und Verbände zusammenbringt. In Gemeinschaftsprojekten zu den Themenbereichen

Energieeffizienter Arbeitsplatz und Haushalt

Intelligente Netze Elektromobilität

werden konkrete Lösungen für die Energieversorgung der Zukunft erarbeitet, deren zentrale technologische Fragen in verbesserter Leistungselektronik für Energiewandlung und Energiemanagement bestehen.

Das immense Potential der Elektronik bei den aktuellen Herausfor-derungen an die Energieversorgung wurde von den Clusterpart-nern und Fördergebern erkannt, so dass im Sommer 2010 der offi-zielle Startschuss für den vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB koordinierten Innova-tionscluster fallen konnte. Durch die tragischen Ereignisse in Japan und die daraus resultierenden weltweiten Umwälzungen in der Energiepolitik erfuhren die Zielsetzungen und Inhalte des Innova-tionsclusters ab dem 11. März 2011 eine unerwartete zusätzliche Brisanz.


Für die Bearbeitung der Clusterthemen bietet die Europäische Me-tropolregion Nürnberg die idealen Voraussetzungen. Kaum eine andere Region steht mit ihren Kompetenzen und Aktivitäten im Bereich Energie, Elektronik und Mobilität so für die gesellschaftli-chen, wirtschaftlichen und wissenschaftlichen Kernpunkte des Innovationsclusters. Hier findet sich eine einzigartige Konzentration aus einschlägiger Forschungskompetenz und industriellem Umfeld.

Im Bereich Energie arbeiten in der Metropolregion rund 500 Unter-nehmen und 60.000 Beschäftigte mit einem Jahresumsatz von 10 Milliarden Euro. Die Region ist zudem das europäische Zentrum für Leistungselektronik mit etwa 200 Unternehmen und 40.000 Be-schäftigten. Nürnberg ist Sitz des European Center for Power Elec-tronics (ECPE) und des Bayerischen Clusters Leistungselektronik, wichtige internationale Fachmessen finden jährlich in Nürnberg statt. Der akute Bedarf an neuen Technologien und Lösungen er-öffnet den Akteuren in der Region dabei breite Marktchancen zur Sicherung und Schaffung von Arbeitsplätzen.

Bayerns Wirtschafts -s taatssekretärin Katja

Hessel, IISB-Instituts -leiter Prof. Dr. Lothar Frey, BMBF-Referats -leiter MinR Dr. Ulrich

Katenkamp und Fraunhofer-

Forschungsvorstand Prof. Dr. Ulrich Buller (v .l.) beim offiziellen

Startschuss für den Innovationscluster am

2. Juni 2010 in Erlangen

Von Industrie- und Anwenderseite ist in der Region eine hervorra-gende Vernetzung in Form von industriellen Verbänden zu für den Innovationscluster wichtigen Themen gegeben, wie etwa Energie, Leistungselektronik, Verkehr, Automation und Kommunikations-technik. Diese erfüllen im Einzelfall auch die Vermittlerrolle zwi-schen Forschung und Industrie.

Ziel des Fraunhofer-Innovationsclusters ist ergänzend die umfassen-de Koordination und Vernetzung der starken Akteure aus der For-schung vor dem Hintergrund konkreter Verbundprojekte. Diese Rolle des Innovationsmotors entspricht den originären Aufgaben der Fraunhofer-Gesellschaft, die als Brücke zwischen Universitäten


und Industrie den Transfer von Know-how wirkungsvoll umsetzen kann.

Dass dies funktioniert, zeigt das große Interesse der regionalen In-dustrie. Der Innovationscluster hat den geplanten Industrieertrag, der bereits bei der Antragstellung weit über dem geforderten Mindestwert angesetzt wurde, bereits nach etwa der Hälfte der Förderperiode erreicht.

Darüber hinaus ist es Ziel, das öffentliche Bewusstsein für die Be-deutung und die positive Rolle der Leistungselektronik zu verbes-sern. Dazu stellt sich der Innovationscluster bei Informationsveran-staltungen für die Bevölkerung vor, wie etwa der Langen Nacht der Wissenschaften 2011 mit rund 2000 Besuchern am IISB.

Auf der fachlichen Ebene sind Demonstratoreinrichtungen im Auf-bau, etwa ein Anwendungszentrum für Gleichstromtechnik im Er-weiterungsbau des Fraunhofer IISB.

Die Wahrnehmung der Leistungen der Clusterpartner zeigt sich in Auszeichnungen für prägnante Resultate aus dem Innovationsclus-ter wie dem Innovationspreis Mikroelektronik 2011 für das Fraun-hofer IISB, den Industriepartner Siemens und ein regionales Inge-nieurbüro für einen Hochleistungsschalter für die Netztechnik oder den Bayerischen Staatspreis für Elektromobilität für die Firma Schaeffler für die Entwicklung eines elektrischen Radnabenantriebs, dessen Leistungselektronik im Rahmen des Innovationsclusters am Fraunhofer IISB entwickelt wurde.

Die Preis träger des Hans-Georg-Waeber- Innovationspreises Mikroelektronik 2011


Organisation

Die Organisation des Innovationscluster orientiert sich sehr an den spezifischen regionalen Gegebenheiten in der Metropolregion Nürnberg. Neben dem Koordinator Fraunhofer IISB sind von For-schungsseite die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), die Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg (GSO), das Bayerische Laserzentrum und das Fraunhofer IIS beteiligt. Mit letz-terem ergab sich durch die Verknüpfung der Kompetenzen zur Leistungselektronik bzw. Informations- und Kommunikationstech-nik ein großes gemeinsames Projekt zur Netztechnik im Rahmen des Energie Campus Nürnberg, der beim Startschuss des Innova-tionsclusters in Vorbereitung war. Auch hier sind FAU und GSO beteiligt. Mit der Universität der Bundeswehr München hat der Innovationscluster zudem einen bayerischen Forschungspartner etwas über die Grenzen der Region Nürnberg hinaus. Hinzu kom-men zahlreiche regionale Industriepartner, sowohl aus dem Bereich der Großunternehmen als auch der KMUs.

Eine besondere Rolle kommt der Zusammenarbeit mit den industri-ellen Verbänden zu, insbesondere dem ECPE und dem Bayerischen Cluster Leistungselektronik. Der Innovationscluster agiert hier nicht als ein weiterer, konkurrierender Verein in der Region, sondern baut in enger Kooperation auf diesen Plattformen auf und füllt die forschungsspezifischen Fugen zwischen den regionalen Akteuren. Dies äußert sich neben der fachlichen Zusammenarbeit in gemein-samen Seminaren, Workshops, Messeauftritten und Bekanntmach-ungen, z.B. unter gegenseitiger Nutzung von Verteilern, sowie Maßnahmen zur Nachwuchsförderung und Aus- und Weiterbil-dung (siehe Kapitel Veranstaltungen, Aus- und Weiterbildung, Nachwuchsförderung). Die Nähe zum ECPE unterstützt die Kontak-te und Sichtbarkeit des Innovationsclusters auf europäischer Ebene.

Vor dem Hintergrund dieser breiten Präsenz kann der Innovations-cluster auf das Aufsetzen weiterer Gremien, E-Mail-Newsletter und bürokratischer Einrichtungen verzichten und seine PR- und Netz-werkaktivitäten sehr gezielt und komplementär einsetzen:

Herzstück ist das monatliche, im Herbst 2010 neu eingeführte Leistungselektronik-Kolloquium des Innovationsclusters, das mit wechselnden Tagesschwerpunkten Fachvorträge hochkarätiger Experten innerhalb und außerhalb des Innovationsclusters sowie umfangreiche Diskussionsmöglichkeiten beim anschließenden ge-meinsamen Imbiss bietet.

Das Leistungselektronik-Kolloquium des Innovationsclusters erfüllt nicht nur die Funktion einer Informationsveranstaltung, sondern auch die eines lebenden Newsletters, eines Netzwerk-Stammtischs, einer kontinuierlichen Fachtagung sowie einer Präsentationsplatt-form für die Kompetenzen und Aktivitäten der Fraunhofer-Gesell-schaft.


Besonders großes Interesse erfuhr beispielsweise der Tagesschwer-punkt zu den Ergebnissen der Fraunhofer-Systemforschung Elektro-mobilität. Das Konzept geht auf: Im ersten Jahr kamen rund 800 Gäste aus einem weiten Einzugsgebiet, größtenteils Leistungselek-tronik-Experten aus der Industrie.

Darüber hinaus organisiert das Fraunhofer IISB regelmäßig einen Leistungselektronik-Strategiekreis mit den wichtigsten Industriever-tretern aus der Region. Gemäß der Definition der Fraunhofer-Inno-vationscluster als Projektcluster und nicht primär Netzwerkcluster steht mit Blick auf die Clusterstruktur die Anbahnung und Bearbei-tung konkreter Gemeinschaftsprojekte mit der regionalen Industrie zur Erschließung neuer Märkte im Vordergrund.

Auf Basis der Arbeiten im Innovationscluster konnten bereits mehr-ere, meist aus Bundes- und EU-Mitteln geförderte Projekte akqui-riert bzw. Anträge initiiert werden, es sind zahlreiche Patente und Veröffentlichungen entstanden.

Parallel dazu wird die Kooperation mit den Hochschulen intensi-viert. Mit der GSO hat das Fraunhofer IISB im Rahmen des Innova-tionsclusters eine gemeinsame Projektgruppe zur Motorregelung aufgebaut, mit der FAU gibt es Projekte zu Schaltungsentwicklung und neuen Bauelementen sowie mit der Universität der Bundes-wehr München zu Schutzkonzepten in Hochspannungsnetzen.

Im bundesweiten Fraunhofer-Netzwerk repräsentiert das Fraun-hofer IISB, wie auch der Clusterpartner Fraunhofer IIS, die Region und die Innovationscluster-Themen Energie und Elektronik im Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik und in der Fraunhofer-Allianz Energie. Umgekehrt transferieren IISB und IIS die Fraunhofer-Kom-petenz aus dem Innovationscluster mit ihren Aktivitäten im Energie Campus Nürnberg in eine weitere regionale Einrichtung mit großer Sichtbarkeit.

Wissenschaftliches Rückgrat und Basis der Arbeiten des Innova-tionsclusters sind die im Folgenden dargestellten Pilotprojekte. Sie umfassen bereits Industriekooperationen, aber auch die nötige Vor-laufforschung und Erschließung der zentralen Clusterthemen als Ausgangspunkt für die zielgerichtete Ansprache von Kunden für die komplementären Industrieprojekte.


Projekte – Inhalte und Status

Pilotprojekt 1 Energieeffizienter Arbeitsplatz und Haushalt

Dieses Pilotprojekt zielt auf eine effizientere Nutzung der elektri-schen Energie in Haushalt und Büro durch den Einsatz eines lokalen Niederspannungs-Gleichstromnetzes (NGS-Netz). Neben den Wir-kungsgradvorteilen ist es Ziel dieses Projektes, den um sich greifen-den „Kabelwust“, verursacht insbesondere von der Vielzahl heute benötigter Netzadapter, in den Griff zu bekommen. In diesem Zu-sammenhang ist auch das erhebliche Einsparpotential in Bezug auf anfallenden Elektronikschrott offensichtlich, ebenso das Potential zur Schonung der Rohstoffressourcen. Denn aufgrund der enor-men Stückzahlen von Geräten der Konsumelektronik werden die zur Versorgung benötigten Kleinspannungsnetzteile ebenfalls in ei-ner jährlichen Produktionsmenge von mehreren hundert Millionen produziert. Meist ist die Generationenfolge dieser Geräte sehr kurz und eine Kompatibilität zur nächsten Generation nicht gegeben.

Ein Blick hinter heutige

Schreibtische

Im Rahmen einer Reihe von Studien- und Diplomarbeiten wurden Untersuchungen hinsichtlich der erzielbaren Wirkungsgradsteige-rung und Bauraumreduzierung durchgeführt. Realistische Ver-brauchsprofile von rechnerbasierten Arbeitsplätzen wurden mess-technisch ermittelt. Des Weiteren wurden grundlegende Unter-suchungen in Bezug auf die Sicherheitsanforderungen in Gleich-spannungsnetzen erstellt. Alle Ergebnisse flossen in ein neues DC-Stromversorgungskonzept ein.

Eine Gleichstromversorgung in Gebäuden zeichnet sich durch fol-gende Vorteile aus: Zum einen spart die Vermeidung wiederholter Gleich- und Wechselrichtung von Spannung und Strom direkt elek-trische Energie, andererseits fördert sie indirekt den Einsatz moder-


ner Gebäudeinfrastruktur, wie z.B. LED-Beleuchtungskomponen-ten, Photovoltaikanlagen oder geregelte Antriebe, indem sie deren Kostenposition verbessert.

Damit gewinnt vor allem auch der Selbstverbrauch von lokal erzeugtem regenerativen Strom an Attraktivität, was wiederum die Netze zusätzlich entlastet und eine weitere, signifikante Senkung der heutigen Kosten bei der Energieverteilung herbeiführt. Die konventionelle Wechselstrom-(AC-)Versorgung ist historisch bedingt, da die Möglichkeiten, die die heute zur Verfügung stehende Leistungselektronik für die Gleichstrom-(DC-)Technik bietet, bis Ende des letzten Jahrhunderts nicht gegeben waren. Dieser Nachteil besteht nun nicht mehr.

Viele regenerative Energiequellen liefern Gleichspannung bzw. be-sitzen, wie im Fall von Windturbinen, einen Gleichspannungs-Zwischenkreis. Auch die meisten Verbraucher können direkt mit Gleichspannung versorgt werden. Aus diesem Grund kann die in-effiziente und umständliche Wandlung von Gleich- zu Wechsel-spannung und wieder zurück in Gleichspannung, wie dies heute üblich ist, entfallen. Zentrale Bestandteile herkömmlicher AC-Netz-teile, allen voran der Gleichrichter mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), werden in einem auf DC basierten Stromnetz nicht benötigt, wodurch das Bauvolumen erheblich abnimmt. Durch die Reduzie-rung der Verlustleistung sinkt neben dem Energieverbrauch auch der Aufwand für die Entwärmung und ermöglicht dadurch eine zusätzliche Minimierung des Bauraumes von DC-Stromversorgun-gen. Aus diesem Grund können bei der Herstellung und der Ent-sorgung Ressourcen in erheblichem Umfang eingespart werden.

Struktur eines Gleichspannungs - Micro-Grids im derzeit entstehenden Institutsanbau des Fraunhofer IISB


Im Rahmen des Pilotprojekts wurde ein Konzept zur Versorgung von Kleinleistungsverbrauchern im Büro erarbeitet. Diese Klein-leistungsverbraucher, wie beispielsweise Telefon, PC, Laptop und Monitor, können einfach steckbar mit dem Niedervolt-Gleichspan-nungsnetz verbunden werden. Die Systemspannung beträgt 24 Volt und wurde aus Gründen der Sicherheit des Verbrauchers und des sicheren Betriebs der Steckverbindungen so ausgelegt.

Um weitere Potenziale der effizienteren Nutzung von Gleichspan-nung darzustellen, wurde das Konzept zu einem lokalen Gleich-spannungsnetz weiter entwickelt. In diesem Konzept liefern lokale regenerative Energiequellen einen wesentlichen Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs. Für die Versorgung der Demonstra-tionsbüros wird zunächst eine Photovoltaikanlage mit 8 kW Spit-zenleistung installiert. Um auf Lastschwankungen innerhalb des Gleichspannungsnetzes reagieren zu können, ist neben der Einbe-ziehung von lokalen Energiespeichern eine Schnittstelle zur Anbin-dung an das öffentliche Stromnetz vorgesehen.

Die beschriebenen komplexen Energiemanagementaufgaben kön-nen besonders effizient mit einem am Fraunhofer IISB entwickelten Gleichspannungswandler mit mehreren Anschlussmöglichkeiten (Multiport DC/DC-Wandler) realisiert werden. Der nötige lokale Energiespeicher wird zunächst durch ein am Fraunhofer IISB ent-wickeltes Hybridfahrzeug mit elektrischem Energiespeicher reali-siert. Zu Demonstrations- und Testzwecken wurde für die sichere Anbindung der einzelnen Netzkomponenten ein zentraler DC-Ver-teiler geplant und entwickelt. Dieser Verteilerschrank beinhaltet ne-ben Sicherheitseinrichtungen für den sicheren Betrieb des Gleich-spannungsnetzes auch Systemkomponenten für die Datenerfas-sung von Leistungsflüssen. Die Auswertung dieser Daten liefert wesentliche Erkenntnisse über den Gesamtwirkungsgrad und die optimale Dimensionierung der einzelnen Netzteilnehmer, um die Effizienz weiter zu steigern.

Alle entwickelten und zuvor beschriebenen Systemkomponenten werden in den kurz vor der Fertigstellung befindlichen Anbau des Institutsgebäudes des Fraunhofer IISB integriert. Die Installation der Photovoltaikanlage auf dem Flachdach des Anbaus ist für Mitte Dezember 2011 ausgeschrieben. Die Gleichspannungsverteilung wird im Laborbereich des zweiten Obergeschosses untergebracht. Die Installation ist nach dem vollständigen Abschluss der Arbeiten für das erste Quartal 2012 geplant.

Die Büroräume für den Praxistest des Gleichspannungsnetzes be-finden sich in den Räumen direkt neben dem Laborraum und wer-den über Leitungen im Zwischenboden versorgt. Die Leitungen münden in einer zentralen Bodendose in der Mitte jedes Versuchs-raumes. Bei der Dimensionierung der Leitungsquerschnitte wurde auf eine kostengünstige Realisierung des Gleichspannungsnetzes geachtet. Aus diesem Grund werden alle Versorgungsleitungen mit


dem in der Hausinstallation üblichen Cu-Querschnitt von 1,5 mm2 ausgeführt. An der Bodendose werden die Büroverbraucher ange-schlossen. Zur Herstellung der individuellen Verbraucherspannung werden POL-Wandler (Point-of-Load) in das Stecksystem integriert. Die Auslegung und Integration wird momentan bearbeitet. Der Ab-schluss der Arbeiten ist für Ende November 2011 geplant.

Der Leistungswandler zur Ankopplung des Gleichspannungsnetzes wird ebenfalls im Laborbereich des Anbaus untergebracht. Der Testbetrieb des Gleichspannungsnetzes soll Ende des ersten Quar-tals 2012 aufgenommen werden. Aus den Ergebnissen der Daten-erfassung werden weitere Einsparpotentiale ermittelt und das Sys-tem entsprechend weiterentwickelt und optimiert. Hocheffiziente DC-Netzteilkonzepte können in das Gleichstrom-Versuchsnetz inte-griert und der Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad untersucht werden.

Mit und für die Industriepartner des Clusters entsteht damit ein „Anwendungszentrum für Gleichstromtechnik und hocheffiziente Stromversorgungslösungen von morgen“.

Die in diesem Pilotprojekt erarbeiteten Kompetenzen konnten be-reits erfolgreich bei der Akquise weiterer Forschungsprojekte einge-setzt werden. Dazu gehören auch zwei positiv begutachtete EU/ ENIAC Projektskizzen, im Rahmen derer erstmals ein großes Indus-triekonsortium von der Idee der DC-Netze begeistert werden konn-te. Die Ergebnisse unterstützten zudem den Aufbau von Kontakten zu einem in diesem Bereich tätigen regionalen Industrieunterneh-men, mit dem eine weitere Zusammenarbeit im Bereich DC-Netze vereinbart wurde.

Der Meilenstein M18 des Pilotprojekts PP1 ist erfüllt.

Pilotprojekt 2 Intelligente Netze

Hintergrund des Pilotprojekts 2 „Intelligente Netze“ ist der derzeit einsetzende tiefgreifende strukturelle Wandel im Bereich der Ener-gieerzeugung und -verteilung. Durch die zunehmende Anzahl klei-ner, häufig dezentraler regenerativer Erzeuger wächst der Bedarf an Transportkapazitäten für sehr große Leistungen über weite Distanzen. Zudem bestehen starke Bestrebungen, das bestehende Energieverteilnetz bezüglich Effizienz, Stabilität und Versorgungs-sicherheit zu optimieren. Der Schlüssel für diesen Umbau liegt in dem zunehmenden Einsatz leistungselektronischer Systeme im Energienetz. Insbesondere die zunehmende Verbreitung innovati-ver modularer Multilevel-Systeme ermöglicht den Aufbau von neu-artigen, von Leistungselektronik kontrollierten und gesteuerten Netzstrukturen.


Im Rahmen dieses Pilotprojekts werden zwei Kernthemen des Netz-ausbaus behandelt. Die Arbeiten des ersten Arbeitsbereichs kon-zentrieren sich auf den Bereich des Schaltzellendesigns für modula-re Multilevel-Umrichter (M2C). Diese Schaltzellen stellen den zen-tralen Grundbaustein für diesen für innovative Energieversorgungs- und -verteilungssysteme vielversprechendsten Umrichtertyp dar.

Durch Optimierungen in diesem Bereich können, auf das Gesamt-system bezogen, große Fortschritte bezüglich Wirkungsgrad, Wirt-schaftlichkeit und Zuverlässigkeit erzielt werden. Durch Verbesse-rungen im Zelldesign konnte zudem der Einsatzbereich der Techno-logie auf neue Anwendungen im Mittelspannungsnetz erweitert werden. Einzelne Ergebnisse aus diesem Arbeitsgebiet werden im Folgenden näher erläutert:

Niederinduktives Schaltzellendesign Entwicklung und Charakterisierung von M2C-Ansteuerschaltungen

Innovative Steuerverfahren für Gates moderner Leistungshalbleiter Degradation von Modulen unter hoher Spannung

Leistungselektronische Systeme sind von zunehmend zentraler Be-deutung für die Funktionssicherheit der elektrischen Energieversor-gung. Daher befasst sich der zweite Arbeitsschwerpunkt mit spe-zialisierten Schutzkonzepten für diese Systeme. Dies umfasst einer-seits Maßnahmen zum erweiterten Havarieschutz für Multilevel-Umrichter. Zudem werden Konzepte für neuartige innovative Über-spannungs-Schutzkonzepte und DC-Lasttrennschalter als Grund-lage für den Aufbau von vermaschten DC-Hochspannungsnetzen erarbeitet. Aus diesem Schwerpunkt wird im Folgenden näher auf folgende Themen eingegangen:

Optische Stromsensorik zur frühzeitigen Fehlererkennung in Energieübertragungsanlagen

DC-Breaker mit integriertem Überspannungsschutz

Schaltzellen- und Ansteuerungsdesign

Niederinduktives Schaltzellendesign

Eine der wesentlichen Aufbautechniken für moderne M2C-basierte Energieübertragungs- und -wandlungssysteme wurde am Fraun-hofer IISB entwickelt. Diese wird heute u.a. unter dem Produkt-namen SVC PLUS von Siemens Energy vertrieben.

Bei der Entwicklung wurden für Sonderteile bevorzugt Zulieferbe-triebe aus dem regionalen fränkischen Raum eingebunden. Diese zusätzlichen Aufträge trugen dort zu einer bemerkenswerten Aus-lastung bei.

Die Topologie und Robustheit dieses Konzeptes brachte weitere neue Anwendungsfelder hervor. So ist es während des Innovations-clusters „Elektronik für nachhaltige Energienutzung“ gelungen,


den Einsatz dieser Zellentechnologie in die dezentrale Bahnstrom-versorgung einzubringen.

Durch geringfügige Modifikationen des Systems wurde beispiels-weise in Stein-Gebersdorf am Großkraftwerk Franken eine 75 MW-Einspeisestelle in das Netz der Deutschen Bahn realisiert. Diese wandelt auf 20 kV-Ebene die 50 Hz des Lichtnetzes in die 162/3 Hz der Bahn um. Weitere dieser Einspeisepunkte sind europaweit im Entstehen.

Entwicklung und Charakterisierung von M2C-Ansteuerschaltungen

Für alle modernen M2C-Übertragungs- und Wandlungslösungen der Industriepartner des Fraunhofer IISB werden heute Leistungs-halbleiter asiatischer Hersteller eingesetzt. Diese Halbleiter stellen einen Kosten- und Wertschöpfungsschwerpunkt in solchen Anla-gen dar. Mehrere 10 bis 100 Mio EUR werden heute für diese Schlüsselkomponenten außerhalb der EU ausgegeben. Es gibt deutsche Hersteller, die aktuell ihre bestehenden Halbleiter für einen Einsatz in Energieübertragungsanlagen abgeändert haben. Diese Halbleiter besitzen aber ein anderes Schaltverhalten und müssen - verglichen mit den Produkten aus Japan - mit anderen Strategien angesteuert werden.

Das am IISB entwickelte, bestehende und bei Siemens SVC PLUS wie HVDC-Projekten (High Voltage Direct Current) sehr erfolgreich eingesetzte Treiberkonzept wurde dahingehend zunächst ertüch-tigt und umfassend charakterisiert.

Megawatt-Leis tungselektronik erfordert es, Kilovolt und Kiloampere zu-gleich s icher zu be-herrschen.

Hier: Charakteristische Schaltverläufe einer neuartigen M2C- Schaltzelle mit oszillationsfreiem Verlauf von Strom (oben) und Spannung (unten) am Schalter.

In der vorgegebenen Geometrie erwiesen sich die Halbleiter aus deutscher Entwicklung als schlechter beherrschbar. Im Bereich der


Ansteuerschaltung werden für einen funktionssicheren Betrieb zu-sätzliche Maßnahmen benötigt. Deshalb wird derzeit untersucht, ob bereits erprobte Konzepte in das Design der bestehenden Trei-berschaltungen eingebunden werden können. Geplant ist es, diese Funktionen in einem neuen Treiberdesign zu realisieren und auf diese Weise mit erprobten Konzepten die Wertschöpfung für die genannten Schlüsselkomponenten nach Deutschland zu holen.

Sollte dieser Schritt nicht ausreichen, werden im Rahmen des Innovationsclusters „Elektronik für nachhaltige Energienutzung“ am Fraunhofer IISB weitere Maßnahmen eingeleitet. Es wurden deshalb bereits Forschungsarbeiten zum Thema „innovative Steuerverfahren für Gates moderner Leistungshalbleiter“ begonnen.

Innovative Steuerverfahren für Gates moderner Leistungshalbleiter

Energie ist ein kostbares Gut. Deshalb ist es wichtig, so sorgsam, sprich effizient wie nur möglich damit zu arbeiten. Dies umfasst sowohl eine nachhaltige Energieerzeugung als auch eine möglichst verlustarme Verteilung und Nutzung durch Verbrauchsgeräte. Das Fraunhofer IISB forscht daher im Rahmen des Innovationsclusters an der Wirkungsgradoptimierung leistungselektronischer Systeme und deren (Sub-)Komponenten. Diese leistungselektronischen Sys-teme haben eine Schlüsselrolle in der modernen Energiewandlung. Dies betrifft sowohl die Energieverteilung und die dynamische Leistungsflusssteuerung als auch fast jede Art von Endgerät, welches elektrische Energie als Medium bzw. Primärquelle nutzt.

Jeder leistungselektronische Energiewandler nutzt Halbleiterschal-ter wie z.B. Leistungs-MOSFETs oder IGBTs als aktive Bauelemente. Die Weiterentwicklung in Richtung geringerer Durchlasswiderstän-de und geringerer Ansteuerenergie, geringerer Schaltzeiten sowie höherer Sperrspannungen verläuft rasant und führt zu immer ver-lustärmeren Schaltkomponenten, zumindest theoretisch.

Die Herausforderung bei der Integration in ein leistungselektroni-sches Gesamtsystem besteht allerdings darin, diese Performance auch in möglichst allen Betriebszuständen nutzen zu können.

Ein erster, meist begrenzender Faktor ist das Design der Schaltzel-len, welche die Bauelemente enthalten sowie die Anbindung wei-terer Umrichterkomponenten wie der Spannungszwischenkreis. Hiermit entscheidet sich, wie viel der theoretischen dynamischen Performance der Halbleiterschalter tatsächlich nutzbar ist, d.h. wie gering die Schaltverluste ausfallen können.

Leider ist es bei Verwendung von einfachen Ansteuerelektroniken gemäß dem Stand der Technik so, dass die modernen Trench-basierten Halbleiterschalter immer schlechter steuerbar sind. Dies führt dazu, dass, um ein funktionierendes Gesamtsystem zu erhal-ten, ein Teil der Performance der Halbleiterschalter mit Standard-


Gatetreibern nicht nutzbar ist. Im Ein- bzw. Ausschaltverlauf von leistungselektronischen Schaltern liegt aber ein, speziell bei hohen Schaltleistungen und/oder Schaltfrequenzen, nicht zu vernachlässi-gendes Einsparpotenzial von Verlustleistung. Das IISB widmet sich daher konkret der Entwicklung intelligenter, neuer Ansteuerkon-zepte für moderne Leistungshalbleiter. Der Fokus liegt dabei auf folgenden Elementen:

Einsatz schneller Digitaltechnik für kompaktes, kostengünsti-ges, leicht konfigurierbares Design

Dynamisch an den jeweiligen Betriebspunkt angepasste Schalt-flanken, um speziell im Teillastbereich die Schaltverluste zu minimieren

Aktives Steuern/Regeln des Gate-Spannungsverlaufs mit Mini-mierung von Totzeiten. Ziel ist die Minimierung von Schaltver-lusten, weniger Hardware-Anpassungsaufwand bei Änderung von Teilkomponenten, die das Systemschaltverhalten beeinflus-sen, sowie mehr Intelligenz im Gatetreiber ohne deutlich höhe-re Kosten.

Erste Simulationen und Versuche des prinzipiellen Schaltungskon-zeptes sind viel versprechend. Jedoch bedarf es noch einiger An-strengungen, um moderne Halbleiter optimal zu „zähmen“. Bei er-folgreicher Verifizierung des Konzeptes ist z.B. eine Überführung des Designs in Schaltzellen von Energietransportstrecken mit akti-ven Schaltstellen vorstellbar. Der Einsatzbereich ist jedoch nicht be-schränkt, sondern für prinzipiell jede Art von Umrichter, also auch Antriebsumrichter für Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Nutz-fahrzeuge, Bahntechnik, Industrieantriebe, Windenergie oder sons-tiges verwendbar. Als möglicher Industriepartner und Hauptkunde hat der Weltmarktführer für Produkte im Bereich der Energievertei-lung mit Sitz in Mittelfranken bereits Interesse bekundet.

Degradation von Modulen unter hoher Spannung

Neue hochsperrende Leistungsschalter auf Basis von Siliziumkarbid eröffnen völlig neue Einsparpotentiale bei elektrischen Energieüber-tragungssystemen. In zukünftigen Leistungsmodulen treten bei Sperrspannungen von mehreren Kilovolt (> 6,5 kV) und Abständen zwischen den Elektroden im Millimeterbereich hohe Feldstärken auf, die zu Degradationsprozessen durch Teilentladungen führen können. Im Falle einer Teilentladung wird lokal in dielektrischen Materialien oder auch in Gaseinschlüssen die kritische Feldstärke überschritten, so dass Ladungstransport einsetzt, der schließlich zu einer Schädigung des Systems führen kann. Es existieren verschie-dene Mechanismen, die als Ursache für Teilentladungen in Frage kommen. Die jeweils maximal auftretende Feldstärke ist dabei von zentraler Bedeutung. Ein Ziel der Arbeiten ist es daher, Konfigura-tionsänderungen, z.B. hinsichtlich der Geometrie oder der einge-


setzten Materialien im Hinblick auf die auftretenden Feldstärken zu bewerten.

Der Stapelaufbau eines Substrats ist typischerweise wie folgt: Über einer Kupfer-Bodenplatte, die auf Erdpotential liegt, befindet sich eine keramische Schicht, z.B. AlN. Darüber wiederum sind die Elek-troden für die Kontaktierung der Leistungsbauelemente strukturiert aufgebracht, im Falle von IGBTs für die Kontaktierung von Emitter und Kollektor ggf. auch des IGBT-Gates. Hohe Spannungen liegen zwischen den oberseitigen Elektroden und der Bodenplatte, aber auch zwischen den oberseitigen Elektroden an. Letzteres kann in Abhängigkeit von den lateralen Dimensionen auch zu hohen Feld-stärken führen.

Simulierte Feldstärkeverteilung

im Bereich der Metallis ierungskante

eines DCB-Substrats (links ) - und unter

Berücks ichtigung von Unterätzung (rechts )

Hohe Feldstärken treten dabei typischerweise an den Kanten der Metallisierung auf, so dass die (herstellungsprozessabhängige) Geometrie hier eine große Rolle für die maximal auftretenden Feld-stärken spielt. Mittels des am IISB entwickelten Tools ANETCH, einem Geometriesimulator mit physikalischer Ätzsimulation, in Kombination mit den Geometrie-Tools des Synopsys TCAD-Frame-works wurde die gezeigte Geometrie modelliert. Die elektrische Simulation wurde mittels des Device-Simulators Synopsys-SDevice durchgeführt. Die maximale Feldstärke wird an der Kante der ober-seitigen, auf 10 kV liegenden Kupferelektrode erreicht und beträgt ca. 12 kV/mm.

Ziel der Simulationen ist es, die Feldverteilung zu optimieren, insbe-sondere, um die maximal zulässigen elektrischen Feldstärken der Materialien nicht zu überschreiten. Dabei werden Geometrien und die dielektrische Eigenschaften der Materialien verändert. Auch der Einsatz schwach leitfähiger Schichten bietet die Möglichkeit, eine Entspannung in Bezug auf die maximal auftretenden Feldstärken zu erwirken. Hinsichtlich der Geometrie kommt insbesondere der


Form der Kante der Kupfermetallisierung, wie sie sich als Resultat des realen Fertigungsprozesses ergibt, eine besondere Bedeutung zu. Effekte wie Unterätzen oder durch einen nicht vollständigen Ätzprozess verbleibende Residuen an den Kanten wirken sich in hohem Maße auf die maximale Feldstärke aus, die ja gerade im Bereich dieser Kanten auftritt.

Mit Hilfe des Simulators ANETCH kann der Ätzprozess, der zu der nicht-idealen Kantengeometrie führt, modelliert werden. Aufgrund der Anforderungen an die Rechenleistung ist es von Vorteil, insbe-sondere bei der Modellierung von realen Strukturen, die aufgrund ihrer nicht-idealen Form mittels einer hohen Zahl an Gitterelemen-ten für die numerischen Berechnungen diskretisiert werden müs-sen, Teile des Layouts separat zu simulieren. Die unter Berücksichti-gung der Unterätzung ermittelte maximale Feldstärke ist mit etwa 20 kV/mm deutlich höher als die für eine „ideale“ Kante mit senk-rechter Flanke.

In analoger Weise lassen sich mit der vorgestellten Simulations-methode weitere Geometrieabhängigkeiten, wie die bereits er-wähnte nicht vollständige Ätzung oder Variationen des Layouts, untersuchen. Auch mikroskopische Ausschnitte des Substrats, wie z.B. Gaseinschlüsse an Grenzflächen, die zu Feldüberhöhungen führen, können nun mittels Simulationen evaluiert werden.

Havarie-Schutzkonzepte

Optische Stromsensorik zur frühzeitigen Fehlererkennung in Energieübertragungsanlagen

Ohne eine messtechnische Erfassung der Größen Strom und Span-nung sind die effiziente Energieumwandlung und ein Schutz im Fehlerfall nicht möglich. Die moderne Leistungselektronik bewegt sich mittlerweile in Regionen, welche bisher der klassischen Energietechnik mit Transformatoren oder rotierenden Maschinen vorbehalten war. Damit die Leistungselektronik in dieser neuen Leistungsklasse funktionieren kann, bedarf es einer Anpassung der verwendeten Bauelemente und Systeme. Skaliert man bestehende Systeme auf die neuen Anforderungen, so erhält man im Einzelfall wirtschaftlich und energetisch ungeeignete Lösungen. Hier wird ein Technologiesprung notwendig.

Das Fraunhofer IISB arbeitet im Rahmen des Innovationsclusters an einer neuartigen Lösung für die berührungslose Strommessung. Dabei beeinflusst das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Lei-ters die Eigenschaften eines Festkörperkristalls. Diese Eigenschaften werden optisch ausgelesen, wodurch ein optisches Abbild des fließenden Stroms entsteht.

Diese Technologie bietet gegenüber der Vielzahl konventioneller Stromsensorsysteme erhebliche Vorteile. Entscheidend ist dabei die


in weiten Grenzen mögliche, räumliche Trennung zwischen Strom-leiter und Messelektronik. Somit werden Isolationsspannungen im Kilo- oder Megavoltbereich möglich, was Grundvoraussetzung für den Einsatz in Hoch- und Höchstspannungsanwendungen wie der HGÜ-Technik (Hochspannungsgleichstromübertragung) ist. Weiter-hin bietet diese Technologie eine hohe Dynamik in der Messwerter-fassung. So wird es beispielsweise möglich, Fehler und damit ver-bundene Kurzschlussströme innerhalb von Mikrosekunden zu de-tektieren und abzuschalten. Teure und schwer austauschbare Kom-ponenten werden so vor Überlastung geschützt. Damit kann die optische Stromsensorik entscheidend zur Havariesicherung in Ener-gieübertragungsanlagen beitragen, wodurch wiederum die System-stabilität sowie die Lebensdauer derartiger Anlagen deutlich ver-bessert werden. Status der Arbeiten ist, dass ein erster Prototyp aufgebaut wurde, der sehr gute Ergebnisse zeigt.

Versuchsaufbau des optischen Stromsensors

Ein völlig neues Anwendungsgebiet könnte sich mit dem Einzug der Wide Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) oder Gallium-nitrid (GaN) in die Leistungselektronik erschließen. Diese extrem schnellen Halbleiterbauelemente ermöglichen immer höhere Leis-tungsdichten. Um die Eigenschaften dieser Halbleiter voll nutzen zu können, werden die Aufbauten immer kompakter, wodurch der Einsatz konventioneller, langsamerer Stromsensoren kaum möglich ist. Hier könnte sich die optische Stromsensorik als Schlüsseltechno-logie erweisen. Einerseits würde das sensitive Element nicht die magnetischen Eigenschaften des Aufbaus verändern, wodurch keine Einschränkung der Performance zu erwarten ist. Andererseits ermöglicht die hohe Dynamik überhaupt eine qualitative Messung des Stromes, wodurch ein energieeffizientes System entstehen kann.

In Zukunft gilt es noch eine Vielzahl an Problemen zu lösen. So muss der Aufbau miniaturisiert werden. Dadurch wird eine Verbes-


serung der Stabilität gegenüber Schwankungen der Umgebungs-bedingungen erwartet. Des Weiteren stehen Untersuchungen an mehrkanaligen Aufbauten an. Auf diese Weise lässt sich eine Viel-zahl von unerwünschten Einflüssen eliminieren. Letztlich müssen die Grenzen der Dynamik ausgeschöpft werden.

DC-Breaker mit integriertem Überspannungsschutz

Der geplante Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung macht einen Umbau der Stromnetze für eine energiewirtschaftlich opti-mierte Integration von erneuerbarer Energie erforderlich. Mit Hilfe von Gleichstromnetzen können die verteilten Energieerzeuger, wie z.B. verschiedene Windkraft- und Solaranlagen, über weite Distan-zen ohne große Verluste gekoppelt werden. Für einige derzeit in Planung befindliche Offshore-Windparks wird bereits eine gleich-zeitige Anbindung an verschiedene Energieverteilnetze als mögli-che Ausbaustufe vorgesehen. Solche Offshore-Supernodes und Hochspannungsgleichstrom-Übertragungsstrecken mit Multi-Teminal-Struktur bilden einen ersten Schritt hin zu dem Aufbau eines europäischen DC-Supergrids.

In diesen vermaschten Energieverteilnetzen ist es erforderlich, in Fehlersituationen einzelne Leitungsabschnitte schnell und zuver-lässig vom Netz zu trennen. Nur auf diese Weise ist es möglich, die Auswirkung möglicher Fehler räumlich zu begrenzen und einen zuverlässigen Netzbetrieb sicherzustellen. DC-Breaker sind somit eine Schlüsselkomponente für zukünftige HVDC-Netze. Die viel-fältigen Anforderungen sind weder durch verfügbare mechanische noch durch elektronische Schalter hinreichend zu erfüllen, so dass neue Lösungen entwickelt werden müssen.

Im Rahmen dieses Teilprojekts untersucht das Fraunhofer IISB in einer Kooperation mit dem Institut für Technisch Integrierte Systeme der Universität der Bundeswehr in München neuartige Konzepte für die Realisierung dieser DC-Breaker.

In einem ersten Schritt stand eine Hintergrundrecherche zur Defini-tion des Anforderungsprofils und der möglichen Einsatzszenarien des DC-Schalters im Vordergrund. Zudem wurde der bisherige Stand der Technik als Basis für die nachfolgenden Arbeitsschritte dokumentiert. Zu diesem Zweck wurde eine durch Experteninter-views unterstützte Literaturrecherche durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde der folgende Funktionsumfang für einen universal einsetzbaren DC-Trennschalter identifiziert:

Nur durch eine kurze Reaktions- und Trennzeit des Leistungsschal-ters ist es möglich, einen Fehler auf ein Teilsegment des DC-Netzes zu begrenzen und ein Übergreifen auf benachbarte Netzmaschen oder unterlagerte AC-Netze zu verhindern. Die in dem getrennten Teilnetz enthaltene Energie muss in den DC-Trennschaltern absor-biert werden. Zudem zeigte die Recherche, dass sich die Einbauorte


der Schalter in einem möglichen DC-Netz gleichzeitig als ideale Standorte für Überspannungsbegrenzer anbieten. Ziel ist daher die Integration der Überspannungsbegrenzer in den DC-Breaker durch möglichst umfassende Mehrfachnutzung von Einzelkomponenten. Dieser Überspannungsschutz soll sowohl zwischen den Leitern wie auch zwischen Leitern und Erde operieren.

Durch die positiven Erfahrungen mit der modularen Multileveltech-nologie im Bereich der Hochspannungsgleichstromübertragung und Umrichtern im Mittelspannungsnetz wird auch für den innova-tiven DC-Breaker ein möglichst modulares Konzept verfolgt. Hier-durch soll eine Skalierbarkeit bis in höchste Spannungsebenen (>800 kV) ermöglicht werden. Zudem gestattet dies den Einsatz von vorhandenen und bereits jahrzehntelang erprobten Kompo-nenten aus dem Mittelspannungsbereich. Durch die vorhandenen Erfahrungen kann der Entwicklungsprozess deutlich beschleunigt werden. Ein modulares Konzept soll zudem durch eine einstellbare Redundanz die benötigte hohe Betriebssicherheit garantieren. Um einen wirtschaftlichen Betrieb der DC-Netze zu ermöglichen, darf der DC-Schalter keine Dauerverlustleistung im Lastpfad erzeugen. Durch den dadurch möglichen Verzicht auf eine aktive Kühlung steigt zudem die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erheblich. Das System soll zudem einfach auf mehrpolige Netzsysteme erweitert werden können.

Im Rahmen dieses Teilprojekts wurde ein innovatives Konzept für einen DC-Breaker ausgearbeitet. In einem derzeit laufenden Ar-beitspaket wird durch Simulationen die Performance dieses neu-artigen Lasttrennschalters in unterschiedlichen Einsatzumgebungen überprüft. Kommende Arbeitsschwerpunkte werden sich zum ein-en auf eine Weiterentwicklung des Konzepts dieses vorgeschlagen-en modularen Lastschalters u.a. in Hinsicht auf optimierte Ausle-gung und Betriebsstrategien konzentrieren. Zum anderen sind für diesen Lastschalter Teilkomponenten erforderlich, die über den heutigen Stand der Technik hinausgehen. Insbesondere zu nennen sind die Entwicklung eines verbesserten Aktuators für schnelle Vakuumschaltröhren und grundlegende Forschung auf dem Gebiet der elektronischen Messtechnik zur Erkennung und Lokalisierung von Fehlersituationen in vermaschten DC-Netzen.



HANS-GEORG-WAEBER-INNOVATIONSPREIS

Der Hans-Georg-Waeber-Innovationspreis 2011 des Förderkreises für die Mikroelektronik e.V. ging an die Herren Markus Billmann und Dirk Malipaard (Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, Erlangen), Andreas Zenkner (Siemens AG, Nürnberg) und Christoph Blösch (Konstruktionsbüro Blösch, Bubenreuth).

Hans-Georg-Waeber- Innovationspreis 2011 für das „SVC Plus Power Modul“

In der Pressemitteilung der IHK Nürnberg für Mittelfranken heißt es dazu:

„...[die Preisträger] haben gemeinsam Grundlagen und Schlüssel-komponenten für das Zellendesign von Umrichtern entwickelt, mit denen sich die Stromstabilität in Mittel- und Hochspannungsan-wendungen deutlich verbessern lässt. Diese Lösung ist vor allem deshalb bedeutsam, weil die Energieversorgung der Zukunft durch regenerative Energiequellen wie z.B. Windenergieanlagen immer dezentraler wird. Deshalb ist es eine große Herausforderung, die nötige Stabilität des Stromnetzes zu gewährleisten. Insbesondere die sogenannte Blindleistungskompensation, d.h. der Ausgleich von ungenutzt zwischen Erzeugern und Verbrauchern hin- und herpendelnder Energie, muss gewährleistet sein. Dabei spielen die Umrichter, die die Anpassung von Strom- und Spannungszufuhr steuern, die entscheidende Rolle. Diese Komponenten müssen sich in Zukunft durch wesentlich intelligenteres Reaktionsvermögen und flexiblere Einsatzmöglichkeiten auszeichnen.

Durch die Verwendung von kostengünstigen und gleichzeitig ener-gieeffizienten Komponenten konnten die vier Preisträger aber auch weitere entscheidende Produktinnovationen umsetzen. Die Umrich-ter wurden kleiner und die Sicherheit im Betrieb weiter erhöht. Außerdem konnten die für große Anlagen konzipierten Systeme


inzwischen auch für kleinere Anlagen angepasst und damit auch für Windparks oder lokale Versorgungsnetze verwendet werden. Das von dem Team entwickelte Produkt „SVC Plus Power Modul“ der Siemens AG ist am Markt sehr erfolgreich und hat in der „Ener-gieregion Nürnberg“ zahlreiche Arbeitsplätze bei Siemens Energy und den Zulieferfirmen gesichert.“

Die von den Preisträgern entwickelte

Hochleis tungs -Schaltzelle,

Kernbaustein jedes SVC Plus Systems


Pilotprojekt 3 Elektromobilität

Im Fokus dieses Pilotprojekts stehen die Themen Motorsteuerung, funktionale Sicherheit, elektrische Maschinen und elektromagneti-sche Verträglichkeit. Die Kompetenzen auf diesen für alle Elektro-fahrzeuge so wichtigen Feldern galt es zu bündeln und über Ko-operationen mit universitären Partnern gezielt auszubauen.

Auf dem Gebiet der Motorregelung konnte im Rahmen des Inno-vationsclusters eine Kooperation mit der Georg-Simon-Ohm-Hoch-schule (GSO) in Nürnberg initiiert werden. Eine gemeinsame Arbeitsgruppe „Antriebsregelung“ unter der Leitung von Prof. Bernhard Wagner (GSO) entwickelt und implementiert Regelver-fahren für einen optimalen Betrieb der unterschiedlichsten Arten von Elektromotoren.

Im Rahmen dieser Kooperation wurde zunächst, aufbauend auf den Vorentwicklungen im Rahmen der Audi-TT-Hybrid-Plattform des Fraunhofer IISB, eine Regelung für die beiden Asynchronma-schinen in der elektrischen Hinterachse des Hybrid-TT entwickelt. Diese Arbeit fand ihren Höhepunkt und bundesweite Aufmerksam-keit durch die erfolgreiche Jungfernfahrt des Hybrid-TT am 3. Mai 2010 in Erlangen, mit Bayerns Wirtschaftsminister Martin Zeil am Steuer.

Staatsminister Martin Zeil nach der Probefahrt mit dem hybridis ierten Audi TT

Eng eingebunden in alle Arbeiten im Rahmen des Pilotprojekts 3 des Innovationsclusters ist das 2010 eröffnete IISB-Testzentrum für Elektrofahrzeuge.

Dessen Motorenprüfstand wird für die Weiterentwicklung der feld-orientierten Regelung von Elektromotoren genutzt. Dabei stehen die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades und die sensorredu-


zierte bzw. sensorlose Regelung der Motoren im Fokus der For-schungsarbeiten. Auf dem Prüfstand können unterschiedliche Betriebs- und Regelstrategien messtechnisch untersucht und sehr präzise Wirkungsgradkennfelder aufgenommen werden.

Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine kom-plett neue Motorsteuerelektronik entwickelt, die die hohen Sicher-heitsanforderungen an Einzelradantriebe (ASIL-D Level) berücksich-tigt und zusätzlich zum Mikrokontroller redundante Sicherheits- und Überwachungsschaltungen implementiert. Beispielhaft sei hier der Einsatz eines unabhängigen Watchdogs (Infineon CIC 61508) für die Überwachung des Mikrokontrollers genannt.

Die neu entwickelte Steuerelektronik ist aufgebaut und wird mit einer durch den Kooperationspartner GSO neu implementierten Regelungssoftware für Synchronmaschinen derzeit in Betrieb ge-nommen. Auch hier werden ein sensorloser sowie ein sensorredu-zierter Betriebsmodus angestrebt, bei letzterem sollen bereits vor-handene Sensoren am Fahrzeug genutzt werden.

Antriebseinheit des Hybrid-TT auf dem

Motorprüfstand des Fraunhofer IISB

Neu sind im weiteren Verlauf des Projekts ein Regelalgorithmus und dessen Implementierung für fremderregte Synchronmaschinen geplant. Dieser Maschinentyp kommt ohne Permanentmagnete auf der Basis der sehr teuren Seltenen Erden aus. Er ist damit eine interessante Option, die Rohstoffabhängigkeit und Kosten im Griff zu halten, zugleich bietet dieser Maschinentyp erhebliche Vorteile mit Blick auf Aspekte wie Schleppverluste oder sicherheitskritische Betriebszustände im Fehlerfall.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein weiterer zen-traler Aspekt bei der Elektrifizierung von Antriebssträngen.

Auf diesem Gebiet konnte im Rahmen des Innovationsclusters die Kompetenz am Fraunhofer IISB durch einen langjährig einschlägig erfahrenen Mitarbeiter aus der Industrie entscheidend gestärkt werden.


Die EMV-technischen Mess- und Prüfmöglichkeiten am Testzentrum des Fraunhofer IISB sowie die EMV-technischen Entwicklungs- und Beratungsleistungen werden von den Industriepartnern bereits rege genutzt.

Hybrid-TT in der EMV-Prüfkabine desTestzentrums

Derzeit entwickelt das Fraunhofer IISB einen reinen Elektro-Sport-wagen, der mit permanentmagnet-erregten Synchronmaschinen angetrieben werden soll. Auch die hierfür benötigte Regelung wird an der GSO-Hochschule im Rahmen der Forschungsgruppe An-triebsregelung entwickelt und implementiert. Durch gezielte Soft-ware-technische Maßnahmen sollen die Leistungsausnutzung der elektrischen Maschine und deren Energieeffizienz optimiert und auf diese Weise Reichweite und Fahrspaß maximiert werden.


Nächste Schritte sind die Erarbeitung eines zulassungsfähigen Ge-samtsicherheitskonzepts für den Elektroantrieb sowie der Aufbau eines offenen, nicht in ein konkretes Fahrzeug integrierten elektri-schen Modellantriebsstrangs als Basisplattform für EMV-technische Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Neu entwickeltes e-Antriebssteuergerät mit umfassenden Sicherheitsfunktionen (links); Test des Steuergeräts bzgl. Störemiss ionen und Störfestigkeit in der EMV-Prüfkabine (rechts )

Der Bayerische Staatspreis für Elektromobilität 2011 ging an die Firma Schaeffler für die Entwicklung eines elektrischen Radnaben-antriebs, dessen Leistungselektronik im Rahmen des Innovations-clusters am Fraunhofer IISB entwickelt wurde.


Industriepartner

Bereits in den ersten eineinhalb Jahren des Innovationsclusters konnte ein starkes Netzwerk industrieller und nicht-industrieller Partner aufgebaut werden.

Das Netzwerk umfasst derzeit 31 Unternehmen, davon ein kleines und sieben Unternehmen mittlerer Größe. Von diesen Partnern wurden bis heute Projekte im Umfang von über 3,5 Mio. Euro beauftragt, die im Rahmen des Innovationsclusters durchgeführt wurden bzw. aktuell bearbeitet werden.

Die nachstehende Karte vermittelt einen Überblick über das Netz-werk, dargestellt sind auch die wichtigsten nicht-industriellen Part-ner (Vereine, Verbände).

Noch nicht eingetragen sind die rund ein Duzend weiteren Firmen, die Interesse an dem Innovationscluster bekundet haben, mit den-en sich konkrete Projekte aber noch in der Definitions- bzw. Ver-handlungsphase befinden.

Industrie- und Netzwerkpartner

des Fraunhofer- Innovationsclusters

„Elektronik für nachhaltige

Energienutzung“

Als besonderes Highlight konnte im Januar 2011 die SiC-Vorfeld-entwicklung von Infineon (ICC SiC) am IISB angesiedelt werden.


Finanzen

Die laut Antrag zum Projektende im Jahr 2012 angepeilten kumu-lierten Industrieerträge von 3,5 Mio. Euro (nach Innovationscluster-Regularien gefordert sind mindestens 2 Mio. Euro) konnten bereits zum heutigen Datum vollständig eingeworben werden. Es ist daher abzusehen, dass insgesamt durch den Innovationscluster Industrie-erträge ausgelöst werden, die sogar die ambitionierte ursprüngli-che Planung noch übertreffen.

Die Inanspruchnahme der öffentlichen Fördermittel liegt dagegen zum aktuellen Zeitpunkt noch unter Plan. Insbesondere die juristi-sche Basis für die Kooperation mit der GSO-Hochschule Nürnberg hat sich durch einen langwierigen Vertragsprozess erheblich verzö-gert. Der Vertrag steht nun aber vor dem Abschluss, so dass der Einsatz öffentlicher Fördermittel hierfür nun ausgebaut werden kann.

Finanzierungsmix des Innovations -clusters

Blau: realis ierte Erträge bzw. Mittel-abrufe (kumuliert)

Schraffiert: Projektziel nach der Gesamtlaufzeit

Grün: zusätzliche Industrieerträge

In der Gesamtfinanzierung sind die Clusterkoordinatoren zuver-sichtlich, auch für den Fördermittelabruf das Planziel einzuhalten, da erhebliche Ressourcen zunächst für die Bearbeitung der einge-brachten Industrieprojekte gebunden waren.

Daneben erfolgt ein kontinuierlicher weiterer Personalaufbau. Bremsendes Element hierbei ist die extremstarke Nachfrage nach Leistungselektronik-Experten auf dem Arbeitsmarkt. Dies unter-streicht jedoch andererseits die große wirtschaftliche Bedeutung der Themen des Innovationsclusters, insbesondere im Kontext der Umwälzungen durch die Elektromobilität und die Energiewende.


Öffentlich geförderte Folgeprojekte

Auf der Basis der bislang bereits geleisteten Vorarbeiten im Innova-tionscluster „Elektronik für nachhaltige Energienutzung“ konnten folgende öffentlich geförderte Projekten initiiert und teilweise be-reits gestartet werden:

Bezeichnung PP1) Fördergeber/Programm Status

E2SG (DC-Netze) 1 EU/ENIAC Verhandlung2)

DCC+G (DC-Netze) 1 EU/ENIAC Verhandlung2)

ESTRELIA 3 EU/FP-7 Projekt läuft

SuperGrid 2 Fraunhofer Zukunftsmärkte Projekt läuft

Energie Campus

Nürnberg (EnCN)

2 Bayerisches

Wirtschaftsministerium

Projekt läuft

KAIROS 2 BMBF (STROM) Projekt läuft

1) vernetzt zu Innovationscluster-Pilotprojekt PP x 2) bereits positiv begutachtet, Verhandlungen laufen

Folgende Skizzen sind eingereicht und befinden sich derzeit in der Evaluierungsphase:

Bezeichnung PP1) Fördergeber/Programm Status

ZuSieL 3 BMBF (STROM II) Skizze eing.

EffKom 3 BMBF (STROM II) Skizze eing.

INTEGRA 3 BMBF (STROM II) Skizze eing.

SINTEST 2 BMBF (Serienflex. Technol.) Skizze eing.

SIRA 3 BMBF (Serienflex. Technol.) Skizze eing.

PROMOTE 3 BMBF (Serienflex. Technol.) Skizze eing.

1) vernetzt zu Innocluster Pilotprojekt PP x

Darüber hinaus ermöglichten die aufgebauten Kompetenzen eine Beteiligung an folgenden Maßnahmen bzw. Initiativen:

Bezeichnung Initiative Adressat

SEED Bayern Regenerativ Land Bayern

„Automation Valley“ Spitzencluster Bund/BMBF

Modellversuch Solarfabrik Land Bayern

Morgenstadt Fraunhofer Fraunhofer

Energie Campus Nürnberg (EnCN) Land Bayern


Personalentwicklung

Durch den Innovationscluster konnten in der Abteilung Leistungs-elektronik am Fraunhofer IISB neue Fachgebiete erschlossen und ein Personalaufbau realisiert werden, der ohne diese Initiative so nicht möglich gewesen wäre.

Gegenüber einem Mitarbeiterstamm von rund 30 in den beiden Jahren 2008 und 2009 erfolgte eine Steigerung um 12 Mitarbeiter bis Mitte 2011, weitere offene Stellen sollen in Kürze besetzt wer-den.

Darüber hinaus konnten am Institut in den Abteilungen Technolo-gie und Simulation neue Aktivitäten in Richtung Energieelektronik gestartet und drei Stellen geschaffen bzw. erhalten werden.

Personalentwicklung der Abteilung Leistungselektronik am Fraunhofer IISB

Am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) der Universität Erlangen-Nürnberg wurden im Rahmen des Innovationsclusters fünf Stellen geschaffen, an der GSO-Hochschule Nürnberg zwei und an der Universität der Bundeswehr in München eine Stelle (Projektfinanzierung).

Die Anzahl der bei den Industriepartnern geschaffenen und erhal-tenen Arbeitsplätze ist nicht seriös abschätzbar. Allein aufgrund der ausgezeichneten Auftragsentwicklung bei SVC Plus (Siemens) ist je-doch - einschließlich der Zulieferbetriebe - von der Schaffung bzw. dem Erhalt einer dreistelligen Anzahl an Arbeitsplätzen in der Metropolregion Nürnberg auszugehen.


Patente

Bislang sind basierend auf den Arbeiten im Innovationscluster neun Erfindungsmeldungen entstanden, davon zwei gemeinsam mit den Industriepartnern:

[1] Effiziente Schadensdetektion auf Substratebene (11F52261)

[2] Metallische Schicht auf keramischem Substrat (11F52260)

[3] Keramik-Metall-Substrate mit erhöhter Zyklenfestigkeit (10F51261)

[4] Fügen von Halbleiterbauelementen durch Sinterprozess (11F52282)

[5] Erstellung feinstrukturierter Substrate im DCB-Verfahren (10F51262)

[6] Verguss (11F52402)

[7] Anti-Fuse (11F52117)

[8] Multi-Treiber

[9] Umrichterintegration

[10] Sintermodul (11F52589)

Hochschul-Kooperationen

Georg-Simon-Ohm Hochschule Nürnberg

Auf dem Arbeitsgebiet der Elektromobilität entstand im Rahmen des Innovationsclusters eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer IISB in Erlangen und der Georg-Simon-Ohm-Hochschule für ange-wandte Wissenschaften (GSO) in Nürnberg.

Basierend auf ersten erfolgreichen Arbeiten (z.B. die Antriebsrege-lung für den Hybrid-TT) kam es im Juni 2011 zur Gründung des Forschungsteams „Antriebsregelung“ unter an der fachlichen Lei-tung von Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernhard Wagner (GSO). In diesem Team bearbeiten Mitarbeiter des IISB und der GSO gemeinsam Forschungs- und Industrieprojekte auf dem Gebiet der Antriebs-regelung.

Eine Mitarbeiterin dieses Teams, finanziert über den Innovations-cluster, ist Frau M. Eng. Verena Deifel, die als Doktorandin an feldorientierten Regelungen für unterschiedliche Maschinentypen arbeitet. Eine weitere Doktorandenstelle an der GSO soll in Kürze besetzt werden.


Universität der Bundeswehr München

Im Rahmen des Pilotprojekts 2 untersucht das Fraunhofer IISB in einer Kooperation mit dem Institut für Technisch Integrierte Sys-teme der Universität der Bundeswehr in München unter der Lei-tung von Prof. Marquardt neuartige Konzepte für die Realisierung von Hochspannungs-DC-Trennschaltern auf Halbleiterbasis.

Universität Erlangen-Nürnberg

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB)

Mit dem LEB wurden im Rahmen des Innovationsclusters mehrere Vorfeldforschungsprojekte zu den Themen der Pilotprojekte des Fraunhofer IISB initiiert:

Konzepte für neuartige SiC-Bauelemente Begleitforschung und Studentenausbildung zur Elektro-

mobilität (TechFak EcoCar)

Monolithisch integrierte Dämpfungselemente (Snubber) Neuartige Überbrückungselemente (Inverse Sicherung)

Entwärmung von passiven Bauelementen

NEUARTIGE S IC-BAUELEMENTE

Erarbeitet werden Konzepte für die Herstellung und Optimierung von neuartigen SiC-Bauelementen und entsprechende Technolo-gieschritte. So wurden u.a. Arbeiten zur Erhöhung der effektiven Elektronenbeweglichkeit in SiC durch Verbesserung der Grenz-flächeneigenschaften zwischen SiO2 und SiC durchgeführt.

Neben Prozessgeräten der Silizium-Technologie stehen dem Lehr-stuhl im Reinraumlabor Halbleiter-Prozessanlagen zur Verfügung, die speziell auf die Anforderungen bei der Herstellung von Bauele-menten auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) abgestimmt sind. Auf-grund seines in Vergleich zu Silizium deutlich höheren Bandabstan-des von über 3 eV bietet SiC mit Blick auf das Pilotprojekt 2 die Möglichkeit, verlustarme Bauelemente für Hochtemperatur- und Hochspannungsanwendungen herzustellen.

TECHFAK ECOCAR

Das im Rahmen des Fraunhofer-Innovationsclusters „Elektronik für nachhaltige Energienutzung“ gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) durchgeführte interdisziplinäre Gruppen-projekt „TechFak EcoCar“ befasst sich mit Fragestellungen zum effizienten Umgang mit Energie in Kraftfahrzeugen. Das Projekt ist für alle Lehrstühle offen und richtet sich an Studierende der Techni-schen Fakultät der FAU, insbesondere der Studienrichtungen Elek-


trotechnik, Elektronik und Informationstechnik (EEI), Mechatronik, Energietechnik, Maschinenbau, Werkstoffwissenschaften und In-formatik.

Die Thematisierung umweltbewusster Fahrzeugkonzepte bietet den Teilnehmern Raum für eigene Ideen und Gelegenheit, Herausforde-rungen zu meistern. In Eigenverantwortung erarbeiten die Studie-renden zukunftsorientierte Lösungsansätze und wenden das im Studium erlernte Wissen bei der Verwirklichung praxisnaher An-wendungen an.

Als interdisziplinäres Gruppenprojekt zielt das „TechFak EcoCar“ unter anderem auf die Förderung des studentischen Nachwuchses ab. Bei der Realisierung des Projekts steht das Fraunhofer IISB mit fachlicher Kompetenz auf dem Gebiet der Leistungselektronik zur Seite und stellt als Versuchsplattform ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bereit.

Die Versuchsplattform EcoCar, ein Citroen AX

Electrique aus dem Baujahr 1996, dient als

Bas is für die eigenen Entwicklungen.

Planung und Ziele

Im Rahmen des „TechFak EcoCar“-Projekts werden neue, energie-effiziente Konzepte für Elektrofahrzeuge (Elektromobilität) von Studierenden der Technischen Fakultät der FAU erforscht. Die sich hierbei ergebenden Arbeiten werden sowohl im Rahmen von Studienleistungen (z.B. Bachelor- und Masterarbeiten) als auch durch Eigeninitiative der Studierenden erbracht.

Aufbauend auf Ergebnissen aus Computersimulationen legen die Studierenden den elektrischen Antriebsstrang dem heutigen Stand der Technik entsprechend neu aus. Dies erfolgt auch unter Berück-sichtigung der Anforderungen an das Kraftfahrzeug, beispielsweise Sicherheit, Reichweite und Höchstgeschwindigkeit. Die Auslegung umfasst den kompletten elektrischen Antriebsstrang, das Energie-


und Fahrzeugmanagement, die Leistungswandler und den Energiespeicher.

Auf Grundlage dieser Auslegung erfolgt die Konstruktion und Ferti-gung der konzipierten Baugruppen. Die Komponenten werden zu-nächst unter Laborbedingungen evaluiert und anschließend in die Versuchsplattform integriert. Im Fahrbetrieb erfasste Messdaten er-möglichen die Überprüfung der Simulationsmodelle und erlauben Aussagen über die durch den Umbau tatsächlich erzielte Energie-ersparnis. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in weitere Opti-mierungen des Fahrzeugkonzepts und der einzelnen Komponenten ein. Die jeweiligen Arbeitspunkte aus den technischen Themenbe-reichen durchlaufen mehrere Projektphasen.

Interessierte Studenten können somit die komplette Wertschöp-fungskette eines Entwicklungsprozesses von der Idee am Zeichen-brett über erste Prototypentests bis hin zur fertigen Baugruppe im Fahrzeug miterleben.

Ausstattung

Den Studenten steht ein Konstruktions- und Simulationsraum zur Verfügung, der mit leistungsstarken Computer-Arbeitsplätzen aus-gestattet ist.

Konstruktions - und Simulationsraum. Oliver Behr (links) und Betreuer Thomas Heckel (rechts ) diskutieren über ein Batterieladegerät: „Induktiv oder mit Ladekabel?“

Für die Konzeption der neuen Komponenten und die Optimierung mittels Simulationen wurden die Arbeitsplätze mit der Simulations-umgebung MATLAB/Simulink und der 3D CAD-Software PRO/Engi-neer ausgerüstet.

Daneben steht eine MicroAutoBox der Firma dSPACE zur Verfü-gung, die auch als universell programmierbares Steuergerät ein-gesetzt werden kann. Damit lassen sich zur Charakterisierung einzelner Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs „Hard-ware-in-the-loop“-Tests (HIL-Tests) durchführen. Es werden unter-


schiedliche Algorithmen und Regelstrategien für Steuergeräte im Bereich der Elektromobilität entwickelt.

Des Weiteren gibt es für den Aufbau und Test der entwickelten Komponenten Laborräume, die mit allem notwendigen Mess-equipment ausgestattet sind.

Seitens des Fraunhofer IISB wurde ein elektrisches Versuchsfahr-zeug bereitgestellt. Zur Erprobung des umgebauten Fahrzeugs steht das neue IISB-Fahrzeugtestzentrum und ab Anfang 2012 eine eigene Werkstatt/Laborraum für Studenten am Fraunhofer IISB zur Verfügung.

Fahrzeugkonzept

Die grundlegende Ausrichtung für das Fahrzeugkonzept ist durch Anforderungen und Vorgaben aus der Lehre und Forschung ge-geben. Dazu werden folgende technische Aspekte in der genann-ten Reihenfolge berücksichtigt:

1. Sicherheit

Da dieses Projekt überwiegend von Studenten bearbeitet wird, werden besondere Anforderungen an die Sicherheit gestellt. Die Bordnetzspannung soll im Ruhezustand 120 Volt nicht über-schreiten. Zudem gibt es eine einfache Notabschaltung, z.B. durch einen „Service-Disconnect-Stecker“ am Batteriesystem, eine Spannungsüberwachung und ein Sicherheitskonzept im Fahrzeug-Management-System.

2. Modularität

Mit dem EcoCar als Versuchsplattform werden häufig neue Entwicklungen und Komponenten getestet. Deshalb soll das Gesamtsystem modular aufgebaut sein. Einzelne Komponenten können dann für Tests beliebig getauscht bzw. kombiniert werden. Dazu werden Steckverbindungen im Fahrzeug benötigt, um die Austauschbarkeit zu erleichtern.


3. Intelligentes Energiemanagement für Elektro-fahrzeuge

In das Fahrzeug wird ein intelligentes Energiemanagement für Elek-trofahrzeuge integriert. Es werden die unterschiedlichen thermischen Anforderungen der verschiedenen Komponenten be-rücksichtigt. Es werden unterschiedliche thermische Konzepte für die Heizung und Kühlung der Fahrgastzelle, der Antriebseinheit, der Leistungselektronik und des Energiespeichers untersucht und gegenübergestellt. So wird z.B. der Energiespeicher auf eine Kühl-platte aufgebaut, um die thermische Anbindung an den Fahrzeugkühlkreislauf zu optimieren. Des Weiteren wird eine Wär-mepumpe verwendet, um die unterschiedlichen Temperaturniveaus koppeln zu können.

4. Anforderungen durch Normen und Gesetze

Die Studenten werden angehalten, gängige Industrienormen zu berücksichtigen und bei der Auslegung der Fahrzeugkomponenten den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht zu werden.

Die beschriebenen Anforderungen führen zu dem im nachstehen-den Bild vorgestellten Systemkonzept für das EcoCar:

Das EcoCar-Konzept: Intelligenter e-Antrieb vorne und Energiespeicher mit DC/DC-Wandler und Ladegerät unterhalb des Kofferraums


Überblick über den aktuellen Arbeitsstand

1. Simulation und Modellbildung

Für zahlreiche Berechnungen und die Auslegung der Komponenten innerhalb eines Elektrofahrzeuges werden umfangreiche Modelle und Messwerte benötigt. Dazu wurden mit dem ursprünglichen Fahrzeug die erforderlichen Messdaten erfasst und in ein komplex-es Modell für Elektrofahrzeuge umgesetzt. Dieses dient als Aus-gangspunkt für die Systementwicklung. Die Arbeiten an dem Simu-lationsmodell sind abgeschlossen und es steht somit ein funktions-tüchtiges Tool zur Auslegung der einzelnen Komponenten zur Ver-fügung.

2. Konstruktion und Entwicklung

Aufbauend auf die Simulationsergebnisse wurden die einzelnen Komponenten für das EcoCar ausgelegt. Neben den abgeschlos-senen Konstruktionen und der Systemintegration einer kompletten Antriebseinheit und eines intelligenten Hochvolt-Energiespeichers werden ein Kommunikationsnetz (CAN-Bus), ein Hochvolt (HV)- Bordnetz und ein Steuergerät (Hard- und Software) für das Fahr-zeugmanagement entwickelt. Zudem werden ein Ladegerät und ein DC/DC-Wandler für die intelligente Kopplung an das HV-Bord-netz entwickelt und in das Gesamtsystem integriert.

3. Aufbau

Die fertig ausgelegten und auskonstruierten Komponenten (Antriebseinheit, Batteriespeicher) werden momentan aufgebaut und in Betrieb genommen. Andere Komponenten werden, sobald die Konstruktion abgeschlossen ist, folgen.

4. Inbetriebnahme und Test der einzelnen Komponenten

Momentan werden einzelne Teilsysteme im Labor getestet und auf ihre Funktion überprüft. Dabei werden die mechanischen und elek-trischen Eigenschaften mit den Simulationsergebnissen verglichen. Beispiele sind die Zellüberwachungsschaltung für die Akkuzellen im Energiespeicher. Weiterhin wird ein Prototyp einer Teilkomponente des Fahrzeugmanagement-Systems (CAN-Adapterbord) in Betrieb genommen. Steuergerät, Treiberplatinen und die Regelung für die Antriebseinheit wurden bereits in Betrieb genommen und getestet.

5. Einbau und Systemtest

Erste Systemtests im Fahrzeug können durchgeführt werden, wenn die Antriebseinheit und der Energiespeicher in Betrieb genommen und in das Fahrzeug integriert wurden. Dies ist für Frühjahr 2012 geplant. Ab diesem Zeitpunkt steht die Grundfunktionalität, auf die weitere Komponenten aufbauen, zur Verfügung und weitere Sys-temtests für Wandler, Ladegeräte, Fahrzeugmanagement etc. kön-nen durchgeführt werden.


Studentische Projekte mit den Hochschulpartnern

Nachfolgend werden beispielhaft einige momentan laufende oder im Jahr 2011 abgeschlossene Arbeiten beschrieben:

1. Entwicklung einer Schaltung zur Ansteuerung und Laststromregelung von Hoch-Tiefsetzstellern Diplomarbeit: Stefan Beier

In dieser Arbeit wurde ein am Fraunhofer IISB entwickeltes Konzept zur Ansteuerung und Laststromregelung in Hoch-Tiefsetzstellern schaltungstechnisch umgesetzt. Die daraus entstandene Schaltung soll es ermöglichen, den Strom in der Spule eines Hoch-Tiefsetz-stellers zu regeln. Neben der galvanischen Trennung zur Erfassung der Ist-Werte des Hoch-Tiefsetzstellers wird auch die Ansteuerung der Leistungsschalter galvanisch getrennt ausgeführt. Sowohl die Verarbeitung der Ist-Werte wie auch die Berechnung der Sollwert-korrektur erfolgt mit Hilfe eines Mikrocontrollers der Firma Infineon. Die entstandene Schaltung wird anschließend messtech-nisch untersucht und mit den theoretischen Aussagen verglichen.

2. Entwicklung einer Schaltung zur Ladezustands-bestimmung und Überwachung von LiIon-Akkus Diplomarbeit: Christof Bothor

Diese Arbeit ist Teil eines in der Audi Electronics Venture GmbH (AEV) durchgeführten Vorentwicklungsprojektes im Rahmen des Innovationsclusters, welches sich mit der Entwicklung einer Starter-batterie basierend auf Lithium-Ionen-Zellen befasst.

Durch die Vielzahl an elektrischen Verbrauchern im Kraftfahrzeug steigen auch die Anforderungen an die Batterie. Aktuelle Pannen-statistiken des ADAC zeigen, dass die klassische Bleibatterie diesen Anforderungen nicht mehr gewachsen ist. Lithiumzellen werden bereits seit einigen Jahren erfolgreich in portablen Geräten einge-setzt, benötigen allerdings aufgrund sicherheitstechnischer Aspekte ein umfangreicheres Batteriemanagement. Das Einsatzfeld als Star-terbatterie unterscheidet sich deutlich von den portablen Geräten. Auch unterscheidet sich die Handhabung im Vergleich zu Bleibatte-rien, so dass auf die Erfahrungen bisheriger Batteriemanagement-systeme (BMS) nur bedingt zurückgegriffen werden kann. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Batteriemanagementsys-tems, mit welchem eine Lithium-Ionen-Starterbatterie sicher und zuverlässig im Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Im Rahmen der Arbeit wurde eine neuartige Diagnoseschaltung vorgestellt, welche die In-System-Diagnose einer Lithium-Ionen-Starterbatterie ermöglicht.


3. Entwicklung und Realisierung einer Hybridfahrzeug-steuerung auf einer dSpace-Autobox mit Matlab/ Simulink Diplomarbeit: Oliver Gaßner

In dieser Arbeit wird eine Hybridsteuerung für einen über die Straße gekoppelten Parallelhybrid entwickelt und in Betrieb ge-nommen. Die Basis des Parallelhybrids ist ein Audi TT 2,0 TFSI mit Frontantrieb. Der elektrische Antrieb erfolgt über zwei getrennte Maschinen an den Hinterrädern. Als Steuergerät für die Proto-typen-Software ist eine Micro-Autobox der Firma dSpace ausge-wählt worden. Die Aufgabe der Hybridsteuerung ist es, einen elek-tromotorischen, konventionell verbrennungsmotorischen Antrieb und Hybridbetrieb zu ermöglichen. Dabei sollen unterschiedliche Hybridfunktionalitäten wie beispielsweise das elektrische Bremsen mit Energierückgewinnung berücksichtigt werden. Es werden ge-zielte Eingriffe in die Drehmomentvorgaben des Fahrers und die Wählhebelsteuerung vorgenommen, um den Fahrer von Rege-lungsaufgaben zu entlasten. Zudem ist es Teil der Arbeit, Sicher-heitsaspekte, die unter allen Umständen einen Kontrollverlust über das Fahrzeug oder Sicherheitsrisiken durch Hochspannung vermei-den sollen, zu erarbeiten und umzusetzen. Ein Batteriemanage-mentsystem für Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen wird in die Hybrid-steuerung integriert. Es wird ein passives Balancing-Verfahren für die Zellen implementiert. Zur Sicherstellung der fahrdynamischen Stabilität des Fahrzeugs wird eine Überwachungssoftware zur Dros-selung der elektromotorischen Drehmomente entwickelt. Ziel dieser Arbeit war es, eine voll funktionsfähige Plattform für weitere Untersuchungen und Optimierungen des Stadthybrids zur Verfü-gung zu stellen.

Integration einer Hybridsteuerung

in das im Rahmen des Innoclusters

hybridis ierte Serienfahrzeug AUDI TT

4. Entwicklung und Validierung eines Batteriemodells für LiFePO4-Zellen in Matlab/Simulink Diplomarbeit: Matthias Lepiorz


Für die simulative Validierung neuartiger Batterie- und Fahrzeug-konzepte sind Modelle notwendig, die das Verhalten einzelner Bat-terie-Zellen möglichst genau nachbilden. Dazu befasste sich diese Diplomarbeit mit der Entwicklung eines LiFePO4-Batteriemodells in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink. Im theoretischen Teil der Arbeit wurde ein Modell entwickelt, das die Umsetzung rele-vanter Batterie-Effekte ermöglicht. Des Weiteren wurde eine Para-meterisierungsstrategie entworfen, die eine Voraussetzung für die Ermittlung erforderlicher Parameter aus Kennlinien bildet. Ab-schließend wurde der entwickelte Parametrierungsvorgang an auf-genommenen Kennlinien des Zellen-Typs ANR26650 von A123 Systems durchgeführt, um die wesentlichen Kennwerte für das Modell zu generieren. Im praktischen Teil der Arbeit wurde in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink ein Modell erstellt und an-hand realer Messdaten evaluiert.

5. Entwicklung modularer Simulationsmodelle mit C-Code-Generierung zur Regelung von Asynchronmaschinen Diplomarbeit: Michael Pagel

In dieser Diplomarbeit wird ein feldorientierter Regler für zwei in einem Hybrid-Versuchsfahrzeug eingesetzte Asynchronmaschinen auf einem TriCore-Microcontroller implementiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Der Quellcode der in Matlab/Simulink model-lierten Regler wird dabei mit dem Real-Time Workshop Embedded Coder von der Firma The Mathworks generiert. Um die Regler in Betrieb nehmen zu können, wird ein Protokoll entwickelt und TriCore-seitig implementiert, mit dem es möglich ist, ausgewählte Parameter und Signale des Simulink-Modells zur Laufzeit zu lesen beziehungsweise mit neuen Werten zu beschreiben.

Resultierend aus der Anforderung, dass beide Asynchronmaschinen getrennt regelbar sein sollen, wird zusätzlich ein Autocoder ent-wickelt, der es ermöglicht, von nur einem in Simulink modellierten Regler Quellcode für beide Motoren zu erzeugen. Der Autocoder sorgt dabei automatisch dafür, dass auf ausgewählte Parameter und Signale getrennt für beide Motoren über das entwickelte Pro-tokoll zugegriffen werden kann und dass beim Zusammenführen des Quellcodes keine Namenskonflikte auftreten. Zusätzlich wer-den in dieser Diplomarbeit Möglichkeiten aufgezeigt, Blöcke zu kreieren, die handgeschriebenen Code sowie speziell für die Tri-Core Architektur entwickelte Bibliotheksfunktionen in den gene-rierten Quellcode einbinden und gleichzeitig noch in der Simulation lauffähig sind.

Die Cobetreuung der Arbeit erfolgte im Rahmen der Innovations-cluster-Kooperation mit der GSO-Hochschule Nürnberg durch Prof. Bernhard Wagner von der GSO.


6. Entwicklung eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers für Nutzfahrzeuge Diplomarbeit: Andreas Rebelein

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Leistungsteils für einen bidirektionalen 600 kW DC/DC-Wandler für Nutzfahr-zeuge. Sie zeigt im Wesentlichen Methoden für die Dimensionie-rung des Wandlers mit den Schwerpunkten in der Auswahl und Charakterisierung der IGBT-Module, inkl. Messung wesentlicher Parameter, der Auswahl und Dimensionierung der Leistungsdros-seln und einer Analyse der Stromverschienung mit Extraktion eines Spice-Modells. Zuletzt werden die Ergebnisse einer Wirkungsgrad-messung des Leistungsteils vorgestellt.

7. Entwicklung eines digitalen Reglers für zweistufige isolierende Gleichspannungswandler Diplomarbeit: Stefan Rupp

In Elektro- und Hybridfahrzeugen wird die Lichtmaschine durch hoch effiziente isolierende DC/DC-Bordnetzwandler ersetzt. Diese entnehmen die zum Betrieb des 12 V-Bordnetzes erforderliche Energie aus der Hochspannungsbatterie und übertragen sie verlust-arm auf die Niederspannungsseite. Allerdings sinken bei Wandlern mit breiter werdendem Ein- und Ausgangsspannungsbereich die erzielbaren Wirkungsgrade, da bei der Auswahl und der Dimensio-nierung der Schlüsselkomponenten (Halbleiter, Trafo) mehr und mehr Kompromisse eingegangen werden müssen. Eine Lösung dieses Problems bieten zweistufige Topologien, bei denen dem iso-lierenden Wandler ein nicht isolierender Hoch- oder Tiefsetzsteller vorgeschaltet wird. Durch die Wahl einer geeigneten Betriebsstra-tegie ist es bei diesen Topologien möglich, jeden Wandler in einem für ihn günstigen Arbeitspunkt zu betreiben und dadurch die Effizi-enz des Gesamtsystems zu steigern.

Im Rahmen der Arbeit wurde eine mikrocontrollerbasierte Regel-schaltung entwickelt, die in Abhängigkeit vom gewählten Arbeits-punkt die Sollwerte der beiden Wandler generiert und dadurch die Implementierung unterschiedlicher Betriebsstrategien ermöglicht. Des Weiteren stellt die realisierte Schaltung eine CAN-Bus-Schnitt-stelle für die Kommunikation mit dem Fahrzeug und zur Messwert-übermittlung bereit.

8. Konzept und Simulation für mehrgängiges Getriebe im E-Antrieb Diplomarbeit: Christian Schnepf

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden verschiedene Schalt- und Aktuatorkonzepte eines lastschaltenden Getriebes für einen E-Antriebsstrang erstellt und untersucht. Insbesondere wurden die Schaltzeiten sowie die benötigten Schaltenergien verglichen. Ein


anschließend erstelltes Simulationsmodell des Getriebes wurde in eine Antriebsstrangsimulation modular integriert. Damit konnte für verschiedene Fahrzyklen und Antriebskonfigurationen (E-Antrieb) der Einfluss des Schaltkonzeptes auf das Gesamtsystem hinsichtlich Energiebedarf und Fahrleistung untersucht. Dies wirkt sich u.a. auf die Reichweite eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs aus. An-hand der Simulationsergebnisse findet eine abschließende Bewer-tung der Getriebe statt. Ziel war es, einen Baukasten für zukünftige E-Antriebe bereitzustellen.

9. Untersuchung und Umsetzung von Regelstrategien zur primärseitigen Reihen- und sekundärseitigen Parallel-schaltung von isolierenden Gleichspannungswandlern Diplomarbeit: Bernd Seliger

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Umsetzung von Regelstrategien zur primärseitigen Reihen- bzw. sekundärseiti-gen Parallelschaltung von isolierenden Gleichspannungswandlern. Bei Versorgungsspannungen von bis zu 1000 V ist damit der Ein-satz von Halbleiterbauelementen mit einer Sperrspannung von 600 V, anstelle der sonst erforderlichen 1200 V, möglich. Erstere weisen deutlich bessere elektrische Eigenschaften auf, weshalb eine höhe-re Effizienz bzw. ein geringeres Volumen des Wandlers erzielt wer-den kann.

Zunächst werden Grundlagen der eingesetzten phasengesteuerten isolierenden Gleichspannungswandler erörtert. Zur Durchführung der Untersuchungen werden zwei Simulationsmodelle erstellt. An-hand dieser werden mehrere Regelstrategien zur Symmetrierung der Wandler miteinander verglichen und eine geeignete ausge-wählt. Im zweiten Teil wird die Umsetzung dieser Regelstrategie mittels eines FPGA erörtert. Dazu wird eine Testplattform ent-wickelt. Der digitale Regelalgorithmus und die Ansteuerungsschal-tung des Leistungsteils wurden in ein FPGA implementiert. Im drit-ten Teil der Arbeit erfolgt die Inbetriebnahme des Spannungswand-lers. Dabei konnten die Symmetrierung der Wandler in allen Be-triebspunkten gewährleistet und Wirkungsgrade von 91,2% bis 94,8% bei 0,4 kW bis 3,8 kW Ausgangsleistung erzielt werden. Abschließend werden die notwendigen Schritte zur Komplettierung des Wandlers erläutert.

10. Entwicklung eines Elektrofahrrades Diplomarbeit: Sebastian Weber

Zu Beginn der Arbeit werden die momentan auf dem Markt be-findlichen Elektrofahrräder sorgfältig analysiert. Dazu werden vor allem die verwendeten Batterie-, Motoren- und Antriebstypen, sowie die Elektronik untersucht. Neben den jeweiligen Grundlagen werden die Komponenten mit ihren Vor- und Nachteilen vorgestellt und bezüglich eines Einsatzes in Elektrofahrrädern bewertet. Ver-


schiedene Quellen werden ausgewertet und Durchschnittswerte zu Reichweiten, Gewichten und Kosten ermittelt.

Im zweiten Teil der Arbeit wird das Konzept eines Elektrofahrrades entwickelt. Dabei wird vor allem auf eine Optimierung des An-triebs, der Elektronik, der Batterie und der Bedienungen abgezielt. Bezüglich des Antriebs des Elektrofahrrades wird die Idee eines Allradantriebs mit Bedienung über einen Drehgriff ausgiebig physikalisch analysiert und daraus die Fortschrittlichkeit dieses Konzepts gefolgert. Weiterhin wird ein Anforderungsprofil für das Konzept erstellt, aus dem der nötige Leistungs- und Energiebedarf ermittelt werden kann. Konkrete Gestaltungsvorschläge aus ver-fügbaren Komponenten werden ebenfalls gegeben, um den Auf-bau eines Prototypen zu ermöglichen und die theoretisch getrof-fenen Annahmen zu bestätigen. Zuletzt wird eine Schaltung ent-wickelt und gelayoutet, die in die Radnabenmotoren integriert wird und mit der es möglich ist, das konzeptionell entwickelte Elektro-fahrrad anzusteuern.

11. Entwicklung einer Regelfunktion für Hochtiefsetzsteller Diplomarbeit: Bernd Wunder

In dieser Diplomarbeit wird gezeigt, wie Modellbildung und Simula-tion eines Gleichspannungswandlers für die Erstellung einer Rege-lung eingesetzt werden können. Es werden wichtige Regelgrößen und die Notwendigkeit von Begrenzungen behandelt. Die Span-nungs-, Strom- und Leistungsregelung für einen Gleichspannungs-wandler werden beschrieben. Es wird erläutert, warum eine über-geordnete Struktur für die Verknüpfung dieser Regelungen not-wendig ist. Deshalb werden der Aufbau und die Funktionsweise von verschiedenen Reglerstrukturen, wie z.B. Begrenzungs-, Ab-löse- und Kaskadenregelung, miteinander verglichen. Weiter wird dargelegt, wie die bei diesen Strukturen auftretenden Windup-Effekte vermieden werden können. Dazu werden verschiedene Anti-Windup-Regler untersucht. Um eine digitale Implementierung einer Reglerfunktion für einen Gleichspannungswandler einsetzen zu können, wird ein Algorithmus entwickelt. Anhand von Beispiel-code wird gezeigt, wie dieser Algorithmus in einem Mikrocontroller einzuarbeiten ist.

12. Inbetriebnahme der dSPACE-MicroAutoBox und Ent-wicklung einer Auswerteschaltung zur Überwachung der einzelnen Zellpotenziale Projektarbeit: Christof Bothor

Diese Arbeit befasst sich mit dem Energiespeicher für ein Elektro-auto. Es wurde eine Schaltung entwickelt, welche es ermöglicht, die Spannungen der einzelnen Zellblöcke der Antriebsbatterie während des Betriebes kontinuierlich zu überwachen. Zukünftig sollen, neben den derzeit verwendeten Nickel-Cadmium-Akkumu-


latoren auch Lithium-Ionen-Zellen überwacht werden. Diese besit-zen eine Ladeschlussspannung von 4,2 V, weshalb die Auflösung auf 10 mV festgelegt wurde. Für die Überwachung von dynami-schen Fahrzyklen wurde die Abtastzeit zu 10 ms gewählt. Die Messwerte werden über einen CAN-Bus von dem Universalsteuer-gerät, der dSPACE MicroAutoBox, ausgelesen. Daher ist die Instal-lation und Inbetriebnahme des Steuergerätes Teil der Arbeit.

13. Entwicklung einer Ansteuerung und Stromregeleung für einen 2 kW Resonanzwandler Projektarbeit: Stefan Endres

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde die Ansteuerung und Rege-lung eines Resonanzwandlers mit Hilfe eines Mikrocontrollers ent-wickelt. Der Aufbau soll als Testplattform dienen, um weitere Opti-mierungsmöglichkeiten zu erproben. Dazu wird ein bereits existie-render Resonanzwandler dahingehend überarbeitet, dass eine Nennleistung von 2 kW bei einer Nennspannung von 400 V zuver-lässig übertragen werden kann. Nach einer Analyse der bestehen-den Problemquellen wird eine neue Gateansteuerung entwickelt und das Platinenlayout überarbeitet. Zur zeitlichen Koordination der Umschaltvorgänge der vier Transistoren wird eine Schaltung entworfen, die die Ansteuersignale der einzelnen Leistungsschalter inkl. der benötigten Totzeiten erzeugt. Die Taktvorgabe kann dabei wahlweise intern im Mikrocontroller erzeugt werden oder extern über eine integrierte Schaltung. Neben der Analyse der wichtigen Strom- und Spannungsverläufe wird auch das thermische Verhalten gemessen. Für die Stromregelung wird eine einfache Strommes-sung benötigt. Dazu werden Gleichricht- und Spitzenwert des Re-sonanzstroms erfasst und durch den Mikrocontroller ausgewertet. Die Regelung erfolgt digital und kann über USB mit einem PC im laufenden Betrieb angepasst und erprobt werden.

14. Entwicklung eines bidirektionalen isolierenden 2 kW-DC/DC-Wandlers zur induktiven Energieübertragung für Elektrofahrzeuge Projektarbeit: Thomas Heckel

Das Ziel dieser Projektarbeit war die Entwicklung eines bidirektio-nalen Gleichspannungswandlers, der eine kontaktlose Energieüber-tragung für Elektrofahrzeuge ermöglicht. Es wurde eine DC/DC-Übertragungsstrecke als Testobjekt realisiert, womit Messungen im Labor durchgeführt und weitere Resonanzwandlertopologien untersucht werden können. Zudem galt es, den Konverter als steckerähnliche Konstruktion umzusetzen, die alle leistungselektro-nischen Bauelemente enthält und die Machbarkeit demonstriert.

Die für die Umsetzung notwendigen theoretischen Grundlagen der ausgewählten Wandlertopologie wurden erarbeitet. Anschließend erfolgt eine praxisnahe Dimensionierung der Schaltung. Für die


mechatronische Integration aller Bauelemente zu einer steckerähn-lichen Konstruktion wurden verschiedene mechanische Konzepte auf deren Eignung untersucht, wobei auch eine Analyse zur Ent-wärmung des Konverters durchgeführt wurde. Bei der Inbetrieb-nahme der Schaltung erfolgte, neben der Erfassung von Wirkungs-gradkurven, auch die Aufzeichnung von Thermografien, um auf-tretende Hot-Spots zu dokumentieren und diese bei der Entwick-lung eines alltagstauglichen Produkts in weiteren Arbeiten berück-sichtigen zu können.

15. Entwicklung einer Energieversorgung für beheizbare Bekleidung Projektarbeit: Steffen Käppner

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde eine Energieversorgung entwickelt, mit der der bis zu fünf beheizbare Bekleidungsteile zentral mit jeweils bis zu drei Watt Energie versorgt und deren Heizleistungen mittels eines Eingabegeräts unabhängig von-einander eingestellt werden können.

Dazu wurde jeweils ein Konzept und der Schaltungsentwurf für den Energiespeicher, die Leistungselektronik und das Eingabegerät erarbeitet. Der Energiespeicher, der aus mehreren in Serie geschalteten Lithium-Ionen-Zellen besteht, benötigte eine Lade- und Entladeüberwachung. Diese wurde durch einen speziellen Mikrocontroller realisiert und übernimmt wichtige Schutzfunktionen der Lithium-Ionen-Zellen. Die Leistungselektronik des Systems erzeugt durch Gleichstromsteller verstellbare Ausgangsspannungen mit niedriger Welligkeit. Die Sollwertvorgaben übernimmt ein Mikrocontroller durch Kommunikation über einen differentiellen Datenbus mit dem Handgerät. Das Eingabegerät besteht dabei zur Nutzerinteraktion aus Drucktastern, einem OLED-Display und dem Datenbustreiber zur Leistungselektronik. Es wurde ein Prototyp aus den drei Subsystemen aufgebaut, der die Funktionen und das Zusam-menspiel der einzelnen Komponenten darstellt. Abschließend wurden mit dem Prototyp Messungen durchgeführt, die zeigten, dass die Schaltungen die vorgegebenen Randbedingungen erfüllen.

16. Modellierung und Simulation eines hybriden Traktions-energiespeichers für den automobilen Einsatz Projektarbeit: Michael Lechner

Im Rahmen der Arbeit wurden zunächst kommerziell erhältliche Doppelschicht-Kondensatoren hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für automobile Einsatzbereiche bewertet. Im Hauptteil der Arbeit wur-den anschließend mögliche Topologien eines hybriden Energie-speichers bestehend aus Lithium-Ionen-Akkumulatoren und Dop-pelschicht-Kondensatoren mit Matlab/Simulink modelliert und anschließend in Fahrzyklensimulationen untersucht. Neben der


Untersuchung der Topologien hinsichtlich Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit wurden dabei auch mechanische Aspekte wie benötigter Bauraum und Integrationsmöglichkeiten betrachtet.

17. Energieverbrauchsanalyse an einem Büro- und Laborgebäude im Rahmen der Optimierung des Qualitäts- und Umweltmanagementsystems einer wissenschaftlichen Einrichtung Projektarbeit: Manuel Mainka

Die vorliegende Arbeit schafft Transparenz bezüglich des elektri-schen Energieverbrauchs des Büro-, Labor- und Reinraumgebäudes des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelemente-technologie. Im theoretischen Teil wurden zunächst die vermeintli-chen Großverbraucher durch Pläne und Literaturrecherche identifi-ziert und anschließend ein passendes Leistungsmesssystem zur Messung der realen Verbrauchswerte ermittelt.

Der praktische Teil behandelt zahlreiche Langzeit-Leistungsmessun-gen an diversen Verbrauchern. Zunächst wird die gemessene An-lage beschrieben und deren Funktion und Gebrauch erläutert. Es folgt eine Analyse des elektrischen Verbrauchs mit Hilfe der aufge-nommenen Messkurven sowie eine kurze Diskussion über die Ursa-chen der gemessenen Leistung. Falls möglich, werden Ansätze für Einsparmöglichkeiten genannt und mit Wirtschaftlichkeitsberech-nungen untermauert.

18. Entwicklung eines Steuergeräts zur Ansteuerung eines elektrischen Fliehkraftladers für einen Formular-Student-Rennwagen Projektarbeit: Andreas Rebelein

Diese Projektarbeit beschreibt die Entwicklung eines Steuergerätes für einen elektrisch angetrieben Radialverdichter zur Aufladung eines Formula-Student-Rennwagens.

Im theoretischen Teil wird auf die Ansteuerung des verwendeten bürstenlosen Gleichstrommotors eingegangen, und dessen Ver-wandtschaft zur permanenterregten Synchronmaschine erläutert. Außerdem werden die Ergebnisse der Recherche zu geeigneten Verfahren zur sensorlosen Kommutierung des verwendeten Elek-tromotors dargestellt und deren Vor- und Nachteile diskutiert.

Des Weiteren wird die Entwicklung der Hard- und Software eines geeigneten Steuergerätes dokumentiert, von der Bauteileauswahl, der thermischen Auslegung bis zum Entwurf der Schaltung und Software, in der ein Verfahren zur sensorlosen Kommutierung implementiert ist. Abschließend werden Ergebnisse der praktischen Umsetzung aufgezeigt, welche Grenzen und Probleme sich aus dem verwendeten Verfahren in Verbindung mit dem entwickelten Steuergerät ergeben haben, und vorgeschlagen, wie diese vermin-dert werden können.


19. Konzeption und Fertigung eines universellen, autarken und mobilen Solarladegerätes für mobile Kleinver-braucher Projektarbeit: Ludwig Schirmacher

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde ein Konzept zur Entwicklung und Realisierung eines universellen Solarladegerätes entworfen und darauf aufbauend ein Demonstrator hergestellt. Dieses Ladegerät ermöglicht es, Verbraucher wie zum Beispiel Mobiltelefone, MP3-Player oder sogar Netbooks mit Energie, die aus dem Umgebungs-licht bezogen wird, möglichst effizient und schnell aufzuladen. Die wichtigsten Eigenschaften sind dabei eine relativ geringe Baugröße, Handlichkeit, mechanische Robustheit und eine hohe Lebensdauer. Da am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente im Rahmen des Praktikums „Technologie der Silicium-Halbleiterbauelemente“ für Lehrzwecke Solarzellen prozessiert werden, wurden diese zu einem Modul verbaut. Dieses Solarmodul erreicht eine Ausgangsleistung von 1,9 W. Zwischen Modul und Ausgang des Solarwandlers ist eine Steuerelektronik geschaltet, die für Batterielademanagement und gewünschte Ausgangsspannung sorgt. Es wurde ebenfalls eine Regelelektronik entwickelt und aufgebaut, die die Spannung am Solarmodul auf einem konstanten Wert halten soll. Die Regelelek-tronik wurde auf Basis von Simulationsergebnissen entwickelt. Es stellte sich im Nachhinein heraus, dass ein wichtiger Bestandteil dieses Reglers in der Realität deutlich von den Simulationsparame-tern abwich. Somit konnte die Regelung anhand des aufgebauten Demonstrators nicht getestet werden. Jedoch wird ein neuer Lösungsansatz geliefert. Der entwickelte Demonstrator ist in der Lage, einen Kleinverbraucher von 0,3 Watt zu versorgen und gleichzeitig einen Akkumulator zu laden.

20. Entwicklung eines Simulationsmodells für die thermische Untersuchung einer elektrischen Antriebseinheit für Elektro- und Hybridfahrzeuge Projektarbeit: Hans Schwanenberg

Hybridantriebe erweitern den klassischen Antriebsstrang von Fahr-zeugen um elektrische Maschinen, wodurch völlig neue Antriebs-strategien ermöglicht werden. Bei der Nutzung bestehender Fahr-zeugplattformen steht für die Integration der elektrischen Maschi-nen meist nur ein begrenzter Einbauraum zu Verfügung. Die hohen Drehmoment- und Drehzahlanforderungen verlangen somit nach elektrischen Maschinen mit einer sehr hohen Leistungsdichte, die sich mit einer Flüssigmantelkühlung realisieren lassen. Für die Simu-lation des thermischen Verhaltens einer Asynchronmaschine, die diese Anforderungen erfüllt, wurde in dieser Projektarbeit ein Wär-meleitmodell in Matlab/SIMULINK entwickelt. Alle neu erstellten Simulationskomponenten wurden in der neuen Matlab/SIMULINK-Bibliothek „Heat Flow“' zusammengefasst, um die zukünftige Mo-dellierung vergleichbarer Maschinen zu erleichtern. Es wurden be-


reits an der Asynchronmaschine durchgeführte Temperaturmessun-gen mit den Simulationsergebnissen verglichen, um die Qualität des Wärmeleitmodells zu evaluieren. In dieser Projektarbeit werden der Aufbau des Wärmeleitmodells vorgestellt und die Simulations-ergebnisse diskutiert.

21. Realisierung eines CAN-Bootloaders mit graphischer Benutzeroberfläche (GUI) zur Programmierung von Atmel-Controllern in einem modular aufgebauten Batteriemanagementsystem Studienarbeit: Thomas Thönes

Microcontroller-basierte Diagnose- und Steuerungssysteme neh-men eine zunehmend wichtigere Rolle in modernen Kraftfahrzeu-gen ein. Der Austausch der programmierten Firmware, um Soft-ware-Fehler zu beheben oder neue Funktionalitäten nachzurüsten, ist sowohl im Entwicklungsprozess als auch im Produktlebenszyklus ein essentieller Vorgang.

Die nötige Demontage eines Automobils, um die für den Program-miervorgang vorgesehenen Hardware-Schnittstellen zu erreichen, ist zeit- und kostenaufwändig und stellt im Falle moderner Elektro- oder Hybridfahrzeuge aufgrund der hohen auftretenden elektri-schen Spannungen im Batteriesystem eine Gefahr für den Monteur dar. In dieser Arbeit wurde eine Lösung erarbeitet, die den Pro-grammiervorgang der Prozessoren über den fast immer vorhanden-en und von außen leicht zugänglichen CAN-Bus erlaubt. Als Basis wurde der von der Firma Atmel unter einer Open-Source-Lizenz herausgegebene CAN4K-Bootloader gewählt und so angepasst, dass er die gestellten Anforderungen erfüllt. Diese ergaben sich aus einem am Fraunhofer IISB entwickelten Batteriemanagementsys-tem, das für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen vorge-sehen ist und unter anderem im studentischen Projekt TechFak EcoCar eingesetzt wird. Zusätzlich wurde eine benutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche entwickelt, die das sequentielle Pro-grammieren einer ganzen Reihe von Mikroprozessoren erlaubt.

22. Untersuchungen zum Einfluss der Luftströmung in einer Konvektionslötanlage auf hochminiaturisierte elektro-nische Bauelemente Projektarbeit: Adam Tokarski

Eine angepasste Prozessführung gewinnt mit dem Einsatz von Bau-elementen mit feinsten Anschlussstrukturen immer größere Bedeu-tung, da die Anzahl der verschiedenen Bauelementegrößen kon-struktionsbedingt weiter ansteigt. So besteht die Gefahr, dass hochminiaturisierte Bauelemente aufgrund der geringen Größe und des geringen Gewichts „verblasen“ werden können und es so zu Fehlkontaktierungen kommt.


Im Rahmen dieser Projektarbeit in Kooperation mit dem Lehrstuhl FAPS sollte dieses neue Fehlerbild, das durch die Mischbestückung von Bauelementevarianten entsteht, beurteilt werden. Hierzu wurde ein geeigneter Schaltungsträger mit einem entsprechenden Bauelementespektrum entworfen. Mit Hilfe der Simulation wurden dann die Strömungsverhältnisse auf der elektronischen Baugruppe während des Konvektionslötens mit unterschiedlichen dynamischen Lötprofilen dargestellt. Über die Bestimmung der auf hochminiatu-risierte Bauelemente wirkenden Kräfte wurde dann die Gefahr des Verblasens der Komponenten beurteilt. Praktische Versuche unter-stützten die Untersuchungen.

23. Entwicklung eines isolierenden resonanten DC/DC- Wandlers für Gatetreiber-Anwendungen in elektrischen Antriebssträngen Studienarbeit: Zhenying Wang

Mit der Hybridisierung bzw. Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen steigt der Anteil von leistungselektronischen Systemen in mobilen Anwendungen stark an. Hierbei erfordern insbesondere die vor-zugsweise einzusetzenden Hochvolt-Leistungsbauelemente (IGBT, MOSFET) spezielle galvanisch isolierende Ansteuerschaltungen (Gatetreiber). Ein wesentlicher Bestandteil dieser Ansteuerschaltung ist die galvanisch getrennte Spannungsversorgung der Gateansteu-erung. In dieser Arbeit wird hierfür eine resonante CLL-Topologie untersucht, dimensioniert und getestet.

24. Entwicklung und Charakterisierung von Ansteuerungs-konzepten für OLED-Beleuchtungsmodule Studienarbeit: Jasmin Weber

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Systems, das sich zur Ansteuerung von organischen Leuchtdioden (OLEDs) eignet und durch einfache Modifikationen universell an neue Anforderungen, wie andere Leuchtmittel o.ä., angepasst werden kann. Das hierzu entwickelte Konzept enthält neben einer Steuer- und Regeleinheit eine Versorgungseinheit, die die nötigen Spannungen und Ströme zur Versorgung der OLED bereitstellt.

Für die Steuer- und Regeleinheit wurden ein geeignetes Field-Pro-grammable-Gate-Array (FPGA) und ein zugehöriges Development-Board ausgewählt. Aufgrund deren Eigenschaften konnte die be-nötigte Versorgungseinheit auf einer separaten Platine mit Hilfe eines Buck-Konverters realisiert werden. Diese enthält außerdem einen Schaltungsteil zur Messdatenerfassung für Regelungsaufga-ben. Neben der reinen Hardwareentwicklung war auch der Entwurf einer geeigneten Software Aufgabe der Arbeit. Hierzu wurde ein Ansteueralgorithmus entwickelt, der das Dimmen einer OLED er-möglicht. Die implementierte Anwendung hat gezeigt, dass die


entwickelte Ansteuerumgebung für den Einsatz von OLEDs ge-eignet ist.

25. Untersuchungen zum Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Batterien Bachelorarbeit: Patrick Mößler (Arbeit läuft noch)

Für den Energiespeicher moderner Elektrofahrzeuge wird aufgrund der hohen Energie- und Leistungsdichte bevorzugt eine Chemie auf Lithium-Ionen-Basis verwendet. Für ein Batterie-Management-System (BMS) ist der Alterungszustand (SoH) der einzelnen Zellen von entscheidender Bedeutung, da u.a. die Kapazität vom Alter der Zellen abhängt. Da auch der Innenwiderstand der Zellen mit dem Alter der Zelle ansteigt, kann über ein geeignetes Verfahren zur Impedanz-Bestimmung auf das Alter der Zellen geschlossen wer-den.

In dieser Arbeit werden mehrere unterschiedliche Verfahren gegen-übergestellt und bewertet. Nach einer Auswahl für ein Verfahren soll ein entsprechendes Modell in MATLAB/Simulink erstellt und simuliert werden. Abschließend soll das ausgewählte Verfahren in ein BMS integriert werden.

Platine für das Monitoring der Temperatur und der Spannung der einzelnen Akkuzellen innerhalb eines Li-Ion Batteriemoduls

26. Konzeptionierung und Konstruktion eines Moduls mit Lithium-Ionen-Zellen Projektarbeit: Thomas Menrath (Arbeit läuft noch)

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Konzept für das thermische Management eines Zellmoduls aus mehreren Lithium-Ionen Zellen entwickelt. Neben geeigneten Möglichkeiten für das „Packaging“


der einzelnen Zellen zu einem Modul werden die Leistung und die optimale Anzahl der Module für den gegebenen Bauraum unter-sucht.

Bereits berechnet und erstellt ist die Konstruktion und die planare Anbindung an das Kühlsystem für das gesamte Zellmodul. Die Kon-struktion erfolgte mit dem 3D-CAD-System PRO/Engineer. Aktuell wird mit dem Aufbau eines Prototypen begonnen, um das Konzept mechanisch, thermisch und elektrisch durch Messungen zu über-prüfen.

27. Konstruktion und thermische Untersuchung eines Energiespeichers für ein Elektrofahrzeug Diplomarbeit: Florian Hilpert (Arbeit läuft noch)

Zu Beginn dieser Arbeit ist ein Konzept für das thermische Gesamt-management in dem EcoCar-Energiespeicher berechnet und ausge-legt worden.

Daraufhin wurden ein geeignetes Kühlsystem, die elektrische und mechanische Struktur des Energiespeichers und die Tragestruktur des Batteriekastens für den Energiespeicher ausgelegt und kon-struktiv in einem CAD-Modell aufgebaut. Aktuell wird durch eine thermische Simulation das Konzept für den Energiespeicher verifi-ziert. Im nächsten Schritt soll mit dem Aufbau eines Prototypen begonnen werden, um das Konzept und die Simulation messtech-nisch zu überprüfen.

Konstruktiv und thermisch

ausgelegtes Batteriesystem

Links: Batteriemodul Rechts: Modulares

Batteriesystem mit wassergekühlter Bodenplatte und

Hochvolt-Steckver-bindung für einfache

Montage und Wartung-

28. Entwicklung eines Fahrzeug-Management-Systems für Elektrofahrzeuge Bachelorarbeit: Julian Kaiser (Arbeit läuft noch)

Für den Betrieb eines Elektrofahrzeuges ist eine spezielle Betriebs-strategie notwendig. Für das EcoCar soll ein entsprechendes Management-System entwickelt werden. So beeinflussen u.a. das Energiemanagement (elektrisch und thermisch), die Ladestrategie, die gewünschte Fahrdynamik und sogar die Jahreszeit die Betriebs-strategie eines Elektrofahrzeugs.


Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Management-Systems, das die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Komponenten (Antriebseinheit, Energiespeicher, Ladegerät, …) berücksichtigt. So besitzen die Komponenten zum Teil sehr unter-schiedliche Betriebsbereiche (Temperatur, Spannung, Leistung, …), die überwacht bzw. geregelt werden müssen. Des Weiteren sind Fehlererkennung und -behandlung, Diagnosefunktionen und Be-dienkonzepte auszuarbeiten. Die Ergebnisse sollen in einem MATLAB/Simulink-Modell zusammengefasst werden und können dann in einem vorhandenen Steuergerät (Micro-Autobox) getestet werden.

29. Systemintegration einer Antriebseinheit in ein Elektrofahrzeug Projektarbeit: Mathias Strecker

Im Rahmen dieser Projektarbeit wurde die Konstruktion und Inte-gration einer Antriebseinheit in das Elektrofahrzeug “Techfak Eco-Car“ durchgeführt. Zum einen wurden die einzelnen Komponen-ten der Antriebseinheit ausgelegt und auf ihre Leistungsfähigkeit überprüft. Dazu gehören das Motorgehäuse mit der integrierten Flüssigkeitskühlung, die Planetengetriebe, die Ansteuerung der Drehstrom-Asynchronmotoren und die Antriebswellen. Die Inte-gration der neu konstruierten Antriebseinheit in den Bauraum wurde untersucht, mehrere mögliche Varianten wurden verglichen.

Zu Beginn wurden die für die Umsetzung notwendigen physikali-schen Gesetze und Grundlagen, die auf die Antriebseinheit ein-wirken, erarbeitet. Danach konnten durch Simulationen und Be-rechnungen die charakteristischen Größen ermittelt werden, die für eine Auslegung der einzelnen Komponenten notwendig sind. An-schließend wurde damit eine Dimensionierung der einzelnen Kom-ponenten durchgeführt. Die somit erstellten Baugruppen wurden durch konstruktive Maßnahmen miteinander verbunden und die herzustellende Antriebseinheit konstruiert. Diese Antriebseinheit zeichnet sich durch ihren kompakten Aufbau und den gemein-samen Kühlkreislauf der einzelnen Komponenten aus.

Als Abschluss wurde die Systemintegration in den vorhandenen Bauraum untersucht. Dabei wurden drei Varianten betrachtet, die anhand unterschiedlicher Gesichtspunkte verglichen wurden. Schließlich wurde eine Systemintegration der kompletten Antriebs-einheit in das “Techfak Eco-Car“ gefunden, die allen Anforderun-gen gerecht wird.


30. Entwicklung einer Steuer- und Regelelektronik für ein Batterieladegerät Studienarbeit: Oliver Behr

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Steuerelektronik für das Bat-terieladegerät des Elektrofahrzeugs „Techfak EcoCar“ entwickelt. Der Leistungsteil des Ladegerätes besteht aus einem Hochsetzstel-ler zur Leistungsfaktorkorrektur und einem Vollbrücken-Resonanz-wandler zur Ladestromregelung. Für beide Komponenten wurde eine geeignete Steuerelektronik in Analogtechnik entworfen und aufgebaut. Die Steuerelektronik umfasst Schaltungen zur Mess-datenerfassung und -verarbeitung sowie Treiberschaltungen für die Leistungshalbleiter.

Die Regelung des Ladestroms erfolgt durch Variation der Phasen-verschiebung der Ansteuersignale der beiden Zweige der Voll-brücke des Resonanzwandlers. Zunächst wurde dazu ein analoger IC ausgesucht, der das resonante Nullspannungsschalten einer Voll-brücke sowie die Phasenverschiebung der Ansteuersignale unter-stützt, und damit der analoge Regelkreis aufgebaut. Der Sollwert des Ladestroms ist proportional zur quadratischen Netzspannung und mit einem Gleichanteil versehen. Dies dient der Minimierung der Belastung des Zwischenkreises. Für die analoge Sollwertvor-gabe des Ladestroms wurden verschiedene Möglichkeiten unter-sucht. Dazu wurde für eine mikrocontrollerbasierte Lösung eine Laufzeitanalyse anhand eines Mikrocontroller-Simulators durch-geführt und der durch die digitalisierte Erzeugung des Sollwertes entstehende relative Fehler berechnet. Dies geschah mittels einer eigens in der Sprache „C“ geschriebenen Simulation.

31. Erstellung eines Simulationsmodells der Fahrgastzelle zur Klimatisierung von Elektrofahrzeugen Bachelorarbeit: Josef Schalk (Arbeit läuft noch)

Diese Bachelorarbeit hat das Ziel, ein Simulationsmodell der Fahr-gastzelle zu erstellen, womit die zu- und abgeführten Wärmeströ-me durch MATLAB/Simulink berechnet werden können. Das ther-mische Netzwerk wird durch ein äquivalentes elektrisches ersetzt, so dass thermische Quellen/Senken, Widerstände und Kapazitäten mittels äquivalenter elektrischer Komponenten simuliert werden können. Dabei werden nicht nur der Wärmedurchgang, sondern auch Konvektion und Strahlung berücksichtigt. Die Außenhaut der Fahrgastzelle wird in unterschiedliche Regionen wie Dach, Front-scheibe, Türen, etc. unterteilt, und zum Schluss sollen noch Zusatz-elemente wie z.B. ein Solardach integriert und deren Effekte unter-sucht werden.


32. Untersuchung der Belastungen und Auslegung des Fahrwerks HiWi: Raphael Chacon

Im Rahmen der Arbeit werden 3D-CAD Daten vom bisherigen Fahr-zeug erstellt. Darauf aufbauend werden die neue Gewichtsvertei-lung und die mechanische Spannungsverläufe, d.h. die Belastungen der Fahrwerkskomponenten, untersucht. Ziel ist es, den geänderten Belastungen der Vorder- und Hinterachse gerecht zu werden und das Fahrverhalten durch geeignete Auswahl von Dämpfern und Federn zu optimieren.

Gerendertes CAD-Modell des Fahrzeugfahrwerks

33. Entwicklung eines Konzeptes zur energieeffizienten Klimatisierung von Elektrofahrzeugen Bachelorarbeit: David Rochholz (Arbeit läuft noch)

Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung, Simulation und Evaluierung von Konzepten zur energieeffizienten Klimatisierung eines Elektro-fahrzeuges. Dazu werden die Fahrzeugkomponenten wie Batterie, Antriebseinheit und Fahrerkabine analysiert und durch thermische Ersatzschaltbilder modelliert. Diese werden in MATLAB/Simulink nachgebaut. Es sollen verschiedene Möglichkeiten der Verschal-tung der Bauteile miteinander simuliert und bewertet werden. Zu-sätzlich werden die Potentiale der Nutzung von Abwärme - auch unter Einsatz einer Wärmepumpe – sowie einer Vorklimatisierung untersucht.


MONOLITHISCHE RC-ELEMENTE (SNUBBER)

Im Rahmen des Innovationsclusters werden am Lehrstuhl für Elek-

tronische Bauelemente (LEB) monolithisch integrierte Dämpfungs-

elemente für den Einsatz in Leistungsmodulen mit einer Span-

nungsfestigkeit von 200V in einem serienfertigungstauglichen Her-

stellungsprozess entwickelt. Dazu wird ein bestehendes Integra-

tionskonzept [12, 21] gemeinsam mit einem Industriepartner in

einen gesicherten Fertigungsprozess überführt.

Das monolithisch integrierte RC-Element ist schematisch in der fol-

genden Abbildung dargestellt. Es besteht aus einer Reihenschal-

tung eines hochspannungsfesten Kondensators und eines Hoch-

lastwiderstands - beide in Silizium monolithisch integriert.

Schematische Darstellung eines

monolithisch integrierten RC-

Elementes .

Derartige Bauelemente werden zur Bedämpfung von durch Schalt-

vorgänge in Leistungshalbleiterbauelementen (DMOS, IGBT) ange-

stoßenen parasitären Oszillationen eingesetzt. Mit der monolithisch

integrierten Realisierung des RC-Dämpfungselementes können die

bisher eingesetzten diskreten Kondensatoren und Widerstände

(SMD-Aufbau) ersetzt werden, wodurch neben einer deutlich ver-

besserten Funktionalität eine höhere Zuverlässigkeit des Gesamt-

systems und eine geringere Varianz der einzelnen Bauteile gewähr-

leistet werden. Die integrierte Lösung reduziert die parasitären Ele-

mente des Snubbers, was entscheidend für dessen Wirksamkeit

ist. Zudem bietet der neuartige Snubber eine sehr hohe Belastbar-

keit aufgrund der hervorragenden Kühlbarkeit und er ist montage-

technisch direkt kompatibel zu den Leistungshalbleiterchips.

Ausgehend von den am LEB in vorangegangenen Projekten erar-

beiteten Grundlagen, werden im Rahmen des Innovations-Clusters

insbesondere Problemstellungen auf den Gebieten der Reprodu-

zierbarkeit und Optimierung der Fertigungsverfahren hinsichtlich

der Ausbeute sowie Kosten bearbeitet. Hierzu wurde unter ande-

rem die elektrische Messtechnik am Lehrstuhl für die automatisierte

Messung von RC-Elementen erweitert. Eine automatische Messung

auf Scheibenebene ist allgemein Voraussetzung für eine generelle


statistische Versuchsauswertung und speziell für die Bewertung der

hergestellten Einzelbauelemente unerlässlich. Die folgende Abbil-

dung zeigt exemplarisch automatisiert gemessene Kapazitätswerte

über eine 150 mm Siliziumscheibe. Anhand der Ergebnisse konnten

einzelne Teilprozessschritte zur Herstellung der monolithischen RC-

Elemente genauer untersucht und optimiert werden.

Darstellung der Kapazitätsverteilung monolithisch integrierter RC-Elemente auf einer 150 mm Siliciumscheibe.

Weitere neue Ergebnisse lieferten Untersuchungen zur Vereinfach-

ung des Herstellungsprozesses, durch die Kosten reduziert und die

Zuverlässigkeit der Prozessierung erhöht werden. So konnte z.B.

gezeigt werden, dass die Strukturierung des Vorderseitenkontaktes

mit einer Schattenwurfmaske möglich ist. Hierdurch entfällt ein

vollständiger Photolithographieschritt einschließlich der nachfol-

genden trockenchemischen Strukturierung der Metallisierung.

Ein weiteres Augenmerk der Optimierungen der Fertigungsverfah-

ren liegt auf dem Trockenätzprozess zur Erzeugung der tiefen

Löcher. Um die Reproduzierbarkeit und Homogenität dieses Pro-

zessschritts zu untersuchen, ist eine statistische Prozessregelung

(SPC) erforderlich. In Verbindung mit einer statistischen Versuchs-

planung (DOE) wird ermittelt, welche Prozessgrößen einen signifi-

kannten Einfluss auf das Ergebnis der Ätzprofile haben. Im Rahmen

der statistischen Prozessregelung werden auch Qualitätsregelkarten

erstellt, so dass eine Korrelation der Prozessparameter mit den Ätz-

profilen durchgeführt werden kann, um zukünftig eine entspre-

chende Beurteilung der Prozessierung ohne aufwändige REM-

Untersuchungen zu ermöglichen. Ferner ermöglicht eine derartige

Prozessüberwachung, dass fehlerhaft prozessierte Scheiben mit

möglichst geringem Aufwand erkannt und ausgesondert werden

können. Aufbauend auf diesen Untersuchungen soll eine weitge-

hende Automatisierung des trockenchemischen Ätzprozesses reali-

siert werden.


ÜBERBRÜCKUNGSELEMENT (INVERSE S ICHERUNG)

Elektrische Energiespeicher sind Schlüsselkomponenten für Hybrid-

und Elektrofahrzeuge. Insbesondere moderne Hochleistungs-

energiespeicher, die aus seriell und parallel geschalteten Lithium-

Ionen-Akkumulatorzellen bestehen, stellen bezüglich Sicherheit

und Zuverlässigkeit sehr hohe Anforderungen an die elektrischen

und thermischen Betriebsbedingungen jeder einzelnen Zelle. Be-

reits der Defekt einer Zelle kann ohne geeignete Maßnahmen zur

Beschädigung oder zum Ausfall des gesamten mobilen Systems

führen. Um defekte Akkumulatorzellen sicher und kontrolliert zu

überbrücken, werden am LEB im Rahmen des Innovationsclusters

völlig neuartige Überbrückungselemente (Inverse Sicherungen) ent-

wickelt.

Eine schadhafte Lithium-Ionen-Zelle weist einen hohen Serien-

widerstand im Stromkreis auf und erhöht damit die Verlustleistung

im Gesamtsystem. Wenn dieser Serienwiderstand zu groß wird,

wird in der schadhaften Akkumulatorzelle eine beachtliche Verlust-

leistung erzeugt. Diese kann zur Überhitzung oder zum Brand, im

schlimmsten Fall sogar zur Explosion des gesamten Hochleistungs-

energiespeichers, führen. Um dieses sicherheitsrelevante Problem

zu beheben, muss die schadhafte Akkumulatorzelle aus der Zel-

lenmatrix herausgetrennt werden, möglichst ohne den Stromkreis

im Gesamtsystem zu unterbrechen. Diese Abtrennung kann durch

das Kurzschließen der Zelle mittels eines Überbrückungselementes

erzielt werden.

Am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (LEB) werden unter-

schiedliche Konzepte zur Realisierung derartiger Überbrückungs-

elemente untersucht. Die wichtigsten Anforderungen sind ein

hoher Widerstand im Normalbetrieb, ein Widerstand von wenigen

Milliohm oder darunter im ausgelösten Zustand, eine hohe Strom-

tragfähigkeit im Bereich einiger hundert Ampere sowie sehr niedri-

ge Herstellungs- und Montagekosten.

Nach Aktivierung fließt der Strom nicht mehr über die schadhafte

Akkumulatorzelle sondern über das Überbrückungselement. Das

Speichersystem bleibt damit einsatzfähig. Ein betroffenes Kraftfahr-

zeug kann ohne Nutzungsunterbrechung weiterfahren, entweder

dauerhaft mit geringfügiger Leistungsdegradation oder bis zur

nächsten Servicewerkstatt.

Entwickelt wurde ein neuartiges Prinzip basierend auf einem mo-

nolithisch integrierten Ansatz und einer speziellen Materialkombi-

nation.

Mittels eines eigens entwickelten Messplatzes konnten bereits erste

Prototypen des neuartigen Überbrückungselementes ausgelöst und

der Einfluss unterschiedlicher Materialparameter auf die erzielbaren

Widerstandswerte eingehend untersucht werden.


ENTWÄRMUNG VON PASSIVEN BAUELEMENTEN

Gegenstand dieser Kooperation ist die Simulation des thermischen

Verhaltens weichmagnetischer Kerne von induktiven Bauelementen

unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Ummag-

netisierungsverluste.

Neben den aktiven Leistungshalbleitern sind die passiven Kompo-

nenten entscheidend für Bauvolumen und Kosten leistungselektro-

nischer Baugruppen und Systemen. Daher sind Verbesserungen im

Bereich der passiven Bauelemente von zentraler Bedeutung für den

weiteren Fortschritt in der Leistungselektronik. Ein besonders effek-

tiver Hebel dazu sind innovative Kühlkonzepte für passive Bauele-

mente.

Mit Blick auf induktive Bauelemente ist dazu ein tieferes Verständ-

nis der zugrundeliegenden Verlustmechanismen, wie der tempera-

tur- und magnetfeldabhängigen Verlustleistung im Material, erfor-

derlich. Der Einsatz von Simulationen bietet hier hervorragende

Möglichkeiten, verschiedene Konzepte beispielsweise hinsichtlich

Materialien, Geometrie oder elektromagnetischer und thermischer

Randbedingungen zu studieren. Weiterhin erlaubt die Simulation

die direkte Unterstützung eines Optimierungsprozesses, d.h. des

Feintunings auf dem Weg zum Produkt. Im Rahmen des Projekts

wurde der Einsatz der Simulation bei der Evaluierung von Kühl-

konzepten für Ferritkerne, wie sie z.B. in Transformatoren einge-

setzt werden, untersucht.

Ummagnetisierungverluste führen zu einer Erwärmung des Ferrit-

kerns, wobei jedoch spezifizierte Maximaltemperaturen nicht über-

schritten werden dürfen. Zu diesem Zweck werden bereits heute

ein- oder zweiseitige Kühlmaßnahmen eingesetzt. Im Rahmen der

Arbeiten wurde eine weitere Verbesserung der Kühleigenschaften

durch das Einfügen von Aluminiumnitrid (AlN)-Zwischenschichten

betrachtet. Da die Wärmleitfähigkeit des AlN um deutlich mehr als

eine Größenordnung über der Wärmeleitfähigkeit des Ferrits liegt,

ist eine deutliche Verbesserung der Entwärmung zu erwarten. Ge-

nerell wird die Verbesserung umso höher, je höher der Anteil des

AlN ist, aufgrund der elektromagnetischen Eigenschaften des Sys-

tems ist jedoch ein möglichst geringer AlN-Anteil erstrebenswert.

Aufgabe der Simulation war es daher, den Einfluss von AlN-Schich-

ten im Ferrit auf das thermische Verhalten zu untersuchen und die

Abhängigkeit von Dicke und Anzahl der Schichten zu ermitteln. Be-

trachtet wurden dabei sowohl eine einseitige als auch eine zweisei-

tige Kühlung des Kerns. Die Simulationen wurden mithilfe des Fini-

te-Elemente-Pakets ANSYS durchgeführt.

Gerechnet wurde die Simulation im stationären thermischen Fall,

d.h. unter Annahme einer zeitlich konstanten Temperaturvertei-

lung. In diesem Fall ist die über die Kühlungsflächen abfließende

Wärmeleistung gleich der durch die Ummagnetisierungsverluste

erzeugten Wärmeleistung. Die konvektive Kühlung an den Außen-


flächen kann in den meisten Fällen vernachlässigt werden, da der

entsprechende Wärmestrom gering im Vergleich zu dem über die

Kühlflächen ist. Die nachstehende Abbildung zeigt ein Ergebnis für

einen E-Kern. Die durch die Wickelfenster geführten Windungen

des Transformators sind dabei der Übersichtlichkeit halber nicht mit

visualisiert. Das gezeigte System realisiert eine einseitige Kühlung,

wobei die Ferritschicht zwischen zwei AlN-Schichten eingebettet

ist. Bei gleicher Gesamtverlustleistung erhält man für diese Konfi-

guration eine deutliche reduzierte Maximaltemperatur gegenüber

dem analog gekühlten System aus reinem Ferrit.

Simulation der s tationären

Temperaturverteilung in einem Ferritkern mit

Schichtaufbau AlN – Ferrit – AlN

(in z-Richtung) bei einseitiger Kühlung

Aufgabe der Simulation war es, den Einfluss der temperaturabhän-

gigen Verluste nachzubilden. Dafür wurden Skripte erstellt, um die

temperaturabhängige Leistungseinkopplung in die Ferrit-Materiali-

en möglichst gut nachzubilden. Die iterative Simulation erlaubt nun

eine deutlich exaktere Wiedergabe der Temperaturverteilung für

diese weichmagnetischen Kernmaterialien. Eine weitere Verfeine-

rung der Simulation wird die Magnetfeldabhängigkeit der Leis-

tungseinkopplung betrachten. Diese Erweiterung der Modellierung

wird aktuell untersucht und implementiert. Generell gilt, dass die

Dateneingabe flexibel gestaltet ist, so dass sehr leicht Materialien,

Geometrien oder Parameter variiert werden können. Die Ergebnisse

werden bereits in anderen Forschungsprojekten verwertet.


Veranstaltungen

Auftaktveranstaltung

Der offizielle Startschuss für den Fraunhofer-Innovationscluster „Elektronik für nachhaltige Energienutzung“ fiel am 2. Juni 2010 mit einer Auftaktveranstaltung am Fraunhofer IISB in Erlangen.

Ehrengäste dieser Veranstaltung mit 65 Teilnehmern waren Bayerns Wirtschaftsstaatssekretärin Katja Hessel, Dr. Ulrich Katenkamp vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, Prof. Dr. Ulrich Buller vom Vorstand der Fraunhofer-Gesellschaft und Thomas Harder, Geschäftsführer des „European Center for Power Electronics“ (ECPE).

Einladung und Programm der Auftaktveranstaltung des Innovations - clusters am 2. Juni 2010

Ehrengäste bei der Probefahrt mit dem Hybrid-TT


In einer Reihe von Vorträgen von Forschungs- und Industriepart-nern wurden die zentralen Themen des Innovationsclusters vorge-stellt: Energieeffizienter Arbeitsplatz- und Haushalt, intelligente Stromnetze sowie Elektromobilität.

Leistungselektronik-Kolloquium

Im Rahmen des Innovationsclusters wurde eine neue Vortragsreihe initiiert, die regelmäßig über Aktuelles aus Wissenschaft und For-schung auf dem Gebiet der Leistungselektronik informiert. Das Ziel dieser Reihe ist es,

aktuelle Fachthemen aufzugreifen,

die Akteure in der Metropolregion Nürnberg zusammenzubringen,

den Ideenaustausch zu fördern und

Innovationen anzustoßen.

Die Reihe wird veranstaltet in Kooperation mit dem Bayerischen Cluster Leistungselektronik.

An jeweils einem Abend im Monat steht ein konkretes fachliches Thema in den Mittelpunkt, das von namhaften Experten aus Hoch-schule, Forschung und Industrie beleuchtet wird. Den Teilnehmern wird im Anschluss eine Plattform für Diskussionen geboten.

Die Veranstaltungsreihe ist offen für alle Interessierten. Sie richtet sich neben Entscheidern insbesondere auch an Fachleute, die sich auf dem aktuellsten Stand der Technik halten möchten.

Die ersten 12 Termine haben über 800 Teilnehmer aus der Metro-polregion als Gelegenheit genutzt, um sich zu informieren und interessante Kontakte zu knüpfen.

Themenschwerpunkte und Termine

Zuverlässigkeit 18. Oktober 2010

- Keramische Substrate für die Leistungselektronik, A. Roth, IISB

- Zuverlässigkeit keramischer Substrate, Marianna Nomann, IISB Elektromobilität 22. November 2010

- Versuchsplattform Hybrid-TT, Dr. Bernd Eckardt, IISB

- Testzentrum für Elektrofahrzeuge, Dr. Martin März, IISB MegaWatt-Leistungselektronik 13. Dezember 2010

- Leistungshalbleiter für Smart Grids, Jörg Dorn, Infineon/Eupec

- Ansteuerung von Hochvolt-IGBTs, Markus Billmann, IISB


SiC-Leistungshalbleiter 24. Januar 2011

- SiC Leistungshalbleiter für industrielle Anwendungen – Chancen und Herausforderungen nach 10 Jahren kommerzieller Nutzung, Dr. Peter Friedrichs, Infineon Technologies AG

- Effizient und kompakt dank SiC, Dr. Martin März, IISB Elektrische Fahrantriebe 21. Februar 2011

- Der Radnabenantrieb als mechatronisches System - das Schaeffler eWheel Drive, Dr. Raphael Fischer, Schaeffler Technologies

- Aspekte der Auslegung fehlertoleranter Antriebe, Alexander Kock, Fraunhofer IFAM

Solare Energieversorgung 21. März 2011

- Leistungselektronik in Off-Grid Solarsystemen, Prof. Peter Adelmann, Hochschule Ulm

- Energieeffizente Netz- und Gerätekonzepte, Dr. S. Zeltner, IISB

Leis tungselektronik-Kolloquium des Innovationsclusters

Hochleistungskondensatoren 18. April 2011

- Gläser und Glaskeramiken als Dielektrika in Hochleistungs-kondensatoren, Dr. Martin Letz, SCHOTT AG

- Zuverlässigkeit von Folienkondensatoren, Andreas Schletz, IISB Multi-Level Converter 23. Mai 2011

- Multilevel-Topologien in der Leistungselektronik: Bestehende und zukünftige Entwicklungen für den hohen und niedrigen Spannungsbereich, Prof. Rainer Marquardt, Uni-BW München


- Industrielle Anwendung der Multilevel-Topologie, Dr. Rainer Sommer, Siemens AG

Induktive Bauelemente 27. Juni 2011

- Neue passive Bauelemente - BMBF Projekt EPa, Johann Winkler, Sumida

- Polymergebundene Weichmagnetika, Sven Egelkraut, IISB Juli, August Sommerpause

Einmal im Monat ein

interessantes Thema aus der

Leis tungselektronik im Fokus

Elektromobilität 26. September 2011

- Bordnetz-Spannungswandler für Nutzfahrzeuge, Jordan Popov, IISB

- Das Leistungsmodul als intelligenter Umrichterbaustein, Dr. Martin März, IISB

- Integrierte Radnaben- und Zentralantriebe - innovative Antriebslösungen im Vergleich, Maximilian Hofmann, IISB

Elektromobilität 17. Oktober 2011

- Visions and Next Steps for the EV Powertrain, Pietro Perlo, President IFEVS, Italy

Elektrische Energieversorgung 24. Oktober 2011

- Neue Entwicklungen der Leistungselektronik - die Netze werden flexibel und "Smart", Prof. Dietmar Retzmann, TOP Innovator, Siemens AG

- Verleihung des Jugendpreis Mikroelektronik des Förderkreises für die Mikroelektronik e.V.


- Verleihung des „Hans-Georg-Waeber Innovationspreis“ des Förderkreises für die Mikroelektronik e.V. für „SVC PLUS Power Modul für die Energieversorgung der Zukunft“

Elektrotraktion 19. Dezember 2011

- Innovative elektrische Antriebstechnik - von der Entwicklung zum Produkt, Bernhard Kalkmann, Semikron

- Neuartiges Hybridgetriebe für Plug-In Hybrid- und Elektrofahr-zeuge mit Range Extender, Dr. Heinz Schäfer, hofer eds GmbH

Voller Hörsaal beim Leistungselektronik-Kolloquium des Innovationsclusters

Diese und weitere durchgeführten Fachveranstaltungen, Kongresse und Vortragsreihen - mit Termin und geschätzter Teilnehmerzahl (TAZ) - finden sich in der folgenden Übersicht:


Veranstaltung Termin TAZ

Fraunhofer-Innovationscluster Auftaktveranstaltung 2.6.2010 65

Workshop „Elektromobilität in der Metropolregion

Nürnberg“

23.2.2010 30

DRIVE-E-Akademie 2010 8-12.3.2010 55

PCIM 2010 – Messestand Fraunhofer IISB/Innocluster 4-6.5.2010 350

IISB/ECPE Workshop

“EMC in Hybrid and Electric Vehicles”

18.5.2010 65

BAIKA - Zulieferer Innovativ, AUDI Ingolstadt,

Ausstellung des IISB

23.6.2010 400

IISB/ECPE Tutorial „Thermal Engineering“ 27.7.2010 30

Stadt Nürnberg „Tag der emissionsfreien Mobilität“,


18.9.2010 200

Stadt Nürnberg „Tag der Energie“, Ausstellung des IISB 25.9.2010 50

IISB/Bay. Cluster-Leistungselektronik-Workshop

„Kondensatoren in der Leistungselektronik“

28.9.2010 60

LE-Kolloquium des Innovationsclusters 19.10.2010 60

365 Tage im Land der Ideen – IISB-Jahrestagung 21.10.2010 105

Podiumsdiskussion Leonardo-Kolleg

(Rupert Stadler, Prof. Diez, Dr. März)

8.11.2010 60

Strategieworkshop mit Industriepartner A 18.11.2010 20


Roadshow Elektromobilität (Forum Elektromobilität e.V.) 9.12.2010 25


LE-Kolloquium des Innovationsclusters) 24.1.2011 65

Strategieworkshop mit Industriepartner B 10.2.2011 20

DRIVE-E-Akademie 2011 14.-18.2.11 50


VDMA-Workshop

„Produktionstechnik Elektromobilität“, Frankfurt

16.3.2011 200

Informationsworkshop „Elektromobilität“

am Bayerischen Wirtschaftsministerium

17.3.2011 25

Workshop mit AUDI (Ladegeräte, Leistungselektronik) 18.3.2011 5



DVWG-Workshop (Deutsche Verkehrswissenschaftliche

Gesellschaft) am IISB

21.4.2011 35

Strategieworkshop Leistungselektronik 11.5.2011 20

PCIM 2011 – Messestand Fraunhofer IISB/Innocluster 17-19.5.11 400

Workshop “Start-Up E-Mobility”

in Kooperation mit SciConomy GmbH

20.-21.5.11 23



BAIKA - Zulieferer Innovativ, AUDI Ingolstadt,


6.7.2011 400

Workshop IfKom Württemberg 11.7.2011 44


Veranstaltung Termin TAZ

Branchendialog Elektromobilität, Nürnberg 21.7.2011 35

IISB/ECPE Tutorial „Thermal Engineering – Part I“ 27.7.2011 30




Lange Nacht der Wissenschaften 22.10.2011 2000

IISB/Bayerisches Cluster Leistungselektronik

Fachseminar „Parasitics“

23.11.2011 67

Aus- und Weiterbildung

Die Akteure im Innovationscluster sehen als eine wesentliche Auf-gabe die Aus- und Weiterbildung auf und im näheren Umfeld der spezifischen Fachgebiete des Clusters, d.h. Leistungselektronik für Energieeffizienz in Haushalt und Büro, für intelligente Stromnetze und Elektromobilität.

Das Angebot reicht hier von einer Berufsausbildung über Vorlesun-gen bis hin zu Fachseminaren, die überwiegend mit Netzwerkpart-nern wie dem ECPE, dem Bayerischen Cluster Leistungselektronik, dem Ostbayerischen Technologie-Transfer-Institut e.V. (OTTI) oder der Volkswagen AutoUni durchgeführt werden.

Die regelmäßigen Teilnehmerzahlen zwischen 30 und 100 bei diesen Fachseminaren - nahezu ausschließlich Teilnehmer aus der Industrie - bestätigen das große Interesse der Wirtschaft und den Bedarf an entsprechenden Angeboten.

Bezeichnung

Vorlesung KFZ-Leistungselektronik (SSem 2010)

Vorlesung KFZ-Leistungselektronik (SSem 2011)

Vorlesung Elektromobilität (WS 2011/12)

IISB/ECPE Tutorial „Thermal Engineering“, 2010

IISB/ECPE Tutorial „Thermal Engineering“, 2011

„Getaktete Stromversorgungen“, OTTI, 4.-6. Oktober 2010

„Getaktete Stromversorgungen“, OTTI, 6.-8. Juni 2011


Workshop „Kondensatoren in der Leistungselektronik“, 2010

Ausbildung zum Mikrotechnologen

Studienmodul „Leistungselektronik“, VW AutoUni, 2011


Fachseminar „Parasitics“, 23. November 2011


Nachwuchsförderung

Dem Nachwuchs die Bedeutung der Technik für unser Leben und unseren wirtschaftlichen Erfolg deutlich zu machen, ist ein großes Anliegen des Innovationsclusters. Dies muss schon vor der Wahl der Studienrichtung beginnen, und darum engagieren sich die Akteure des Innovationsclusters stark bei der Betreuung von ver-schiedensten Schüler- und Studentenprojekten:

Bezeichnung

DRIVE-E Akademie und -Studienpreis 2010

DRIVE-E Akademie und -Studienpreis 2011

TechFak EcoCar-Projekt (Universität Erlangen-Nürnberg)

Students-Day (PCIM 2010)

Students-Day (PCIM 2011)

Informationsveranstaltung für Erlanger Adenauer-Stipendiaten

(Elektromobilität, 10. März 2011)

Bayerische Eliteakademie, Erlanger Techniktage, 2010

Lange Nacht der Wissenschaften Nürnberg-Fürth-Erlangen, 22. Oktober 2011

Realize your visions, Förderkreis Ingenieurstudium, 2010

Realize your visions, Förderkreis Ingenieurstudium, 2011

Diverse Schülerexkursionen (2010: 5, 2011: 4)

Lehrerfortbildung Gymnasium Neustadt/Aisch, Dezember 2010

VDI-Technikmeile Nürnberg, 2010

Girls‘ Day 2010

Girls‘ Day 2011

Schülerinformation zur Elektromobilität

am Stand des Fraunhofer IISB

anläss lich des jährlichen

ECPE Students -Day auf der PCIM Messe

in Nürnberg


Testzentrum für Elektrofahrzeuge

Für alle Forschungsarbeiten und Kooperationsprojekte im Rahmen des Innovationsclusters sowie Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen im Bereich Elektromobilität stehen am Fraunhofer IISB umfang-reiche Meß- und Prüfeinrichtungen zur Verfügung.

Denn Fahrzeuge mit elektrischem Antriebsstrang stellen völlig neue Anforderungen an die Meß- und Prüftechnik. Speziell darauf zuge-schnitten bietet das Testzentrum des IISB in Erlangen eine einzig-artige Infrastruktur, in der einzelne Komponenten von Elektrofahr-zeugen bis hin zu Gesamtfahrzeugen vermessen und optimiert werden können.

Das Testzentrum umfaßt Prüfstände für elektrische Antriebe, Ener-giespeicher, elektrisch-thermische Zuverlässigkeit und elektromag-netische Verträglichkeit.

Das Kernelement bildet ein Rollenprüfstand in einem temperier-baren Prüfraum. Damit können Untersuchungen an Gesamtfahr-zeugen, z.B. zur Reichweite unter extremen Umgebungsbedingun-gen, durchgeführt werden. Eines der Entwicklungsziele ist dabei die Minimierung des Gesamtenergiebedarfs der Fahrzeuge durch ein optimiertes thermisches Management, durch hoch effiziente Leistungselektronik und energieeffiziente Hilfsaggregate.

Testzentrum für Elektrofahrzeuge des Fraunhofer IISB

Motorenprüfstand

für elektrische Fahrantriebe, Achsantriebe und Radnabenmotoren. Einsatzfelder sind die Vermessung von:

Umrichter- und Motorwirkungsgradkennfeldern, Drehzahl-Drehmomentkennfeldern, daneben Fahrzeug- und Straßensimulationen sowie die Optimierung von Antriebsregelalgorithmen.


Der Prüfstand bietet ein professionelles Automatisierungssystem mit hoch präziser Meßwerterfassung für Ströme, Spannungen, Drehmomente und Drehzahlen sowie ein Matlab/Simulink-Interface als direkte Verbindung zu unserer Fahrzeugsimulationsplattform.

Jede der beiden Prüfstandsmaschinen kann den Prüfling mit belie-bigen Belastungsprofilen innerhalb der folgenden Grenzen beauf-schlagen:

Drehmoment: 1.400 Nm / 3.000 Nm (S1/S6) Wellenleistung: 129 kW / 275 kW (S1/S6)

Die maximale Achsspurweite beträgt 1.800 mm.

Klimatis ierbarer Allrad-Rollenprüfstand

Klimatisierbarer Allrad-Rollenprüfstand

Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs ist nicht nur von den Fahr-zeugdaten, dem Energieinhalt der Batterie und dem Fahrzyklus ab-hängig. Auch Hilfsaggregate, z.B. zur Innenraumklimatisierung, Heizungen und Beleuchtung, beeinflussen die Reichweite ebenso wie die sehr stark temperaturabhängigen Eigenschaften der Batte-rie.

Auf dem Allrad-Rollenprüfstand des IISB können Gesamtfahrzeug-untersuchungen mit Strassen- und Fahrzyklensimulationen über einen weiten Umgebungstemperaturbereich durchgeführt werden. Dazu befindet sich der Rollenprüfstand in einer Klimakammer mit automatisiert zwischen -25°C und +50°C einstellbarer Raumtempe-ratur. Die maximale Antriebs-/Bremsleistung je Rad beträgt 85 kW, die Zugkraft 4.000 N.


Der Rollenprüfstand eignet sich hervorragend:

zur Ermittlung des Wirkungsgrads eines Antriebsstrangs, des Fahrzeug-Energieverbrauchs und der Reichweite, für

Strassen- und Fahrzyklensimulationen, Verifikation von Simulationsmodellen, Parameterisierung von Simulationsmodellen, und die Entwicklung und Verifikation von Steuer- und Regelalgorithmen

für den Antriebsstrang und das Gesamtfahrzeug.

Zentrale Infrastruktur

Jeder Einzelprüfstand hat zur Versorgung des Prüflings – ob An-triebseinheit, Leistungselektronik, e-Fahrzeug oder Batteriesystem – Zugriff auf umfangreiche zentrale Infrastruktur. Dazu gehört eine hochdynamische und energieeffiziente, da netzrückspeisefähige DC-Quelle (150 kW, 0...800 V, 500 A, Batteriesimulation) sowie

eine leistungsfähige Kühlmittelversorgung (-40°C+115°C). Die zentrale Infrastruktur ist in die Automatisierung jedes Einzelprüf-stands über PROFIBUS eingebunden.

Batterietests

Besonderes Augenmerk gilt der zentralen Komponente von Elek-trofahrzeugen, dem elektrischen Energiespeicher. Umfangreiche Meßeinrichtungen erlauben die elektrische und thermische Charak-terisierung sowohl von Einzelzellen als auch von gesamten Fahr-zeugbatteriesystemen.

Für die Charakterisierung auch größerer Stichproben von Einzelzel-len – wichtig zur Modellparametrierung – steht ein hoch präziser Multikanaltester zur Verfügung.

Daneben können auch große Traktionsenergiespeicher, die eine Masse von einigen hundert Kilogramm und Energieinhalte von mehreren zehn Kilowattstunden erreichen können, innerhalb eines Temperaturbereichs von -40°C bis +115°C und mit Lade-/Entlade-leistungen bis zu 150 kW vermessen und Lebensdauertests unter-zogen werden.

Ein speziell geschützter Prüfcontainer außerhalb des Testzentrums erlaubt es, bis an die Leistungsgrenzen des Energiespeichers – und bei Bedarf auch etwas darüber hinaus – zu gehen, um beispiels-weise Sicherheitseigenschaften von Batterien zu untersuchen.

Systemzuverlässigkeit

Elektrische Fahrzeugkomponenten mit großer Masse entziehen sich den üblichen Temperaturwechseltestverfahren zur Ermittlung von Lebensdauerdaten für die Abschätzung der Robustheit (Robustness Validation). Am Fraunhofer IISB wurde deshalb ein neuartiges Ther-


moschocksystem, speziell für Prüflinge mit hoher Wärmekapazität, entwickelt.

Die Temperaturwechsel erfolgen hierbei über das Kühlmedium, so daß sich, anders als bei heutigen Testverfahren, im Prüfling den realen Betriebsverhältnissen sehr ähnliche Temperatur- und Stress-verteilungen einstellen. Beliebige Temperaturwechsel innerhalb des Intervalls von -40°C bis +115°C sind möglich, der Gradient der Temperaturänderung läßt sich definiert vorgeben.

Diesen passiven Temperaturzyklen lassen sich beliebige aktive Zyk-len überlagern. Einsatzfeld des Schocksystems sind beispielsweise elektrische Antriebseinheiten mit integrierter Leistungselektronik oder Batteriesysteme.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Die in Hybrid- und Elektrofahrzeugen prozessierte elektrische Leis-tung liegt um rund zwei Größenordnungen über der elektrischen Leistung in heutigen Autos - bei nahezu gleichen einzuhaltenden Grenzwerten für elektromagnetische Störemissionen. Zudem unter-scheidet sich die Struktur des Hochvolt-Bordnetzes grundlegend von der des Chassis-bezogenen 12V Bordnetzes, was völlig neue Anforderungen mit sich bringt.

Befahrbarer Schirmraum für

EMV Untersuchungen

Elektromagnetische Verträglichkeit ist daher ein zentrales Thema bei der Entwicklung von Systemkomponenten und Fahrzeugen mit elektrischem Antriebsstrang - und ein Thema mit noch erheblichem F&E Bedarf.


Für entwicklungsbegleitende Messungen an elektrischen Antriebs-strangkomponenten, für die Untersuchung von Koppelpfaden und die Optimierung von Filterlösungen verfügt das Testzentrum über einen hochwertigen, mit PKW befahrbaren Schirmraum. Dieser ist vollständig mit Ferrit-Absorbern ausgekleidet, was ihn für Messun-gen über einen weiten Frequenzbereich qualifiziert. Das EMV-Zentrum ist darüber hinaus mit modernster Meß- und Prüftechnik ausgestattet.

Unser besonderes Augenmerk gilt der Untersuchung von Hochleis-tungskomponenten des Antriebsstrangs. Über spannungsfeste und hochstromfähige Durchführungsfilter (690 VAC, 250 A und 1000

VDC, 500 A), Netznachbildungen und reale Energiespeicher (als Alternative zu elektronischen Quellen) sowie über eine Kühlmittel-durchführung kann jeder Prüfling in der Schirmkammer versorgt werden.

Kooperationen

Das „Testzentrum für Elektrofahrzeuge“ des Fraunhofer IISB wen-det sich über Forschung und Ausbildung hinaus auch als ein Ange-bot an die Fahrzeugindustrie und bietet insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen kostengünstigen Zugang zu ein-zigartiger Prüftechnik und Beratungskompetenz.

Motorenprüfstand für elektrische Fahrantriebe


Publikationen

[1] März M., et al.: Power Electronics System Integration for Elec-tric and Hybrid Vehicles. Proc. of 6th Int. Conf. on Integrated Power Systems (CIPS), Nuremberg, 2010, pp. 227-236

[2] Knoerr M., Schletz A.: Power Semiconductor Joining through Sintering of Silver Nanoparticles: Evaluation of Influence of Parameters Time, Temperature and Pressure on Density, Strength and Reliability. Proc. of 6th Int. Conf. on Integrated Power Systems (CIPS), Nuremberg, 2010

[3] Zeltner S.: Insulating IGBT Driver with PCB Integrated Capacitive Coupling Elements. Proc. of 6th Int. Conf. on Integrated Power System (CIPS 2010), Nuremberg, 16 -18 March 2010

[4] Knoerr M., Kraft S., Schletz A.: Reliability Assessment of Sintered Nano-Silver Die Attach for Power Semiconductors. Proc. of 12th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapur, Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2010

[5] Hofmann M., Eckardt B., März M., Frey L.: Effizienzopti-mierung integrierter elektrischer Antriebssysteme für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. VDE-EMA, Aschaffenburg, 8.10.2010

[6] Schletz A.: Die attach for SiC devices operated at elevated temperatures. ISiCPEAW 2011, Stockholm, Schweden, 3.5.2011

[7] Ouyang Yi, März M.: New feedback gain designing of speed adaptive full order observer for high speed operation of in-duction Motor. ICMEE 2011

[8] Power an Bord. Fraunhofer weiter.vorn 2/2011 - Beilage Elektromobilität, S.16

[9] Zeltner S.: Untersuchungen zu isolierenden verlustarmen An-steuerschaltungen mit integrierter Reglung des Laststromes. Dissertation, Erlangen, Jan. 2011

[10] März M.: Sind moderne Leistungshalbleiter zu schnell? Aspekte zum Umgang mit Schaltungsparasiten. VDE-Fachtagung Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen, Bad Nauheim, 13. April 2011

[11] V. Lorentz, S. Berberich, M. März, H. Ryssel, P. Poure, F. Braun, L. Frey: A novel PWM control for a bi-directional full-bridge DC-DC converter with smooth conversion mode transitions. International Journal of Electronics (2011), ISSN 0020-7217, accepted February 2011


[12] J. vom Dorp, T. Erlbacher, A. J. Bauer, H. Ryssel, L. Frey: Dielectric layers suitable for high voltage integrated trench capacitors. Journal Vac. Sci. Techn. B 29 (2011) 01AB04

[13] T. Erlbacher, G. Rattmann, A. J. Bauer, L. Frey: Trench gate integration into planar technology for reduced on-resistance in LDMOS devices. Proc. of the Int. Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, art.no. 5544001, pp. 181-184 (2010)

[14] S. Egelkraut, L. Frey, M. Rauch, A. Schletz, M. März: Polymer bonded soft magnetics for EMI filter applications in power electronics. Conf. Proc. – IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition – APEC, art. No. 5433665, pp. 231-238 (2010)

[15] S. Egelkraut, L. Frey, M. Knörr, A. Schletz: Evolution of Shear Strength and Microstructure of Die Bonding Technologies for High Temperature Applications during Thermal Aging. EPTC (2010) 660-667

[16] J. vom Dorp, T. Erlbacher, V. Lorentz, A. J. Bauer, H. Ryssel, L. Frey: Integrierbare Bauelemente zur Erhöhung der Betriebs-sicherheit elektronischer Systemkomponenten im Automobil. Konferenzbeitrag GMM-Fachtagung (2010) VDE-Verlag, 2010 (GMM-Fachbericht 64) pp.72-77

[17] T. Erlbacher, A.J. Bauer, L. Frey: Reduced on resistance in LDMOS devices by integrating trench gates into planar tech-nology. IEEE Electron Device Letters 31 (2010), Nr.5, 464-466

[18] Das Stromnetz spart Energie. Fraunhofer weiter.vorn 4/10, pp. 26-27

[19] Elektronik hilft beim Sparen. Wir erforschen: Energie, Allianz der Wissenschaftsorganisationen (Hrsg.), 11/2010, S. 19

[20] Schaltzellen für das Stromnetz der Zukunft. Wir erforschen: Energie, Allianz der Wissenschaftsorganisationen (Hrsg.), 11/2010, S. 31

[21] J. vom Dorp: Monolithisches RC-Element für leistungselek-tronische Anwendungen. PhD Thesis, Universität Erlangen-Nürnberg, 2011.


Vorträge 2010

[1] März M.: High efficiency architechtures for energy conversion. 1st Int. Congress of Associazione Tecnica Dell’ Automobile. Venaria Reale, Italy. 10-11 June 2010

[2] Zeltner S.: Störszenarien und galvanische Trennung. Cluster-Workshop „Ansteuer- und Schutzschaltungen für MOSFET und IGBT. Nürnberg, 23. Februar 2010

[3] März M.: Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge. Workshop „Netzintegration Elektromobilität“ des Bayerischen Clusters Leistungselektronik, 29. Juni 2010, Nürnberg

[4] Billmann M.: Explosion Proof Housings for Wire Bonded IGBT Modules in HVDC Application. ECPE Workshop Advanced Multilevel Converter Systems, Västerås, Sweden, 28 - 29 Sept. 2010

[5] März M.: Soft Magnetic Polymers - an Attractive Material for EMI Filter Applications. EPCE-Cluster Seminar “EMC in Hybrid and Electric Vehicles”. Erlangen, 18 May 2010

[6] Langbein D.: Kostensenkung durch Gleichspannungsnetze. IISB-Jahrestagung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010

[7] Billmann M., Malipaard D.: Sichere Schaltzellen für Multi-Level-Umrichter. IISB-Jahrestagung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010

[8] Hofmann M.: Elektrische Antriebe für Fahrzeuge. IISB-Jahres-tagung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010

[9] Zeltner S.: Gate-Treiber für Leistungshalbleiter. IISB-Jahresta-gung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010

[10] März M.: Durch Systemintegration zum intelligenten Fahr-antrieb. Kongress des Forum Elektromobilität e. V., Berlin, 16.-17. November 2010

[11] März M.: Mobilität von morgen: Herausforderungen – Fakten – Perspektiven – Szenarien. DRIVE-E-Akademie 2010, Erlan-gen, 8.-12. März 2010

[12] Roth A.: Benchmark: Performance & Reliability of Ceramic Based Substrates. ECPE Workshop “Power Electronics Subs-trates – Materials, Performance, Processing and Reliability. Munich, 17-18 June 2010

[13] März M.: Basics on Heat Transfer. ECPE Tutorial “Thermal Engineering of Power Electronics Systems”, Erlangen, 27-28 July 2010

[14] Eckardt B.: Hybrid-TT – FuE-Plattform für Elektromobilität. IISB-Jahrestagung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010


[15] März M.: Energieeffizient vom Stromnetz bis zum Rad. Fraunhofer - Symposium 2010 „Netzwert“, München, 7.-8. Dezember 2010

[16] Wegner M.: Smarte Energiespeicher. IISB-Jahrestagung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010

[17] Zeltner S.: Netzanbindung von Elektrofahrzeugen. IISB-Jahrestagung 2010, Erlangen, 21. Oktober 2010

2011

[18] Zeltner S.: Parasitic Oscillations in a Flyback Converter. EPCE Workshop on Parasitic effects in power electronics, Berlin, 23.-24. Februar 2011

[19] Frey L.: Herausforderungen für die Leistungselektronik in der Elektromobilität. LEF Konferenz, Fürth, 1. März 2011

[20] März M.: Durch Systemintegration zu intelligenten Fahrzeug-komponenten. VDMA E-MOTIVE Produktionstechnik Elektro-mobilität, Frankfurt, 16. März 2011

[21] Zeltner S.: Actual and advanced converter technologies for on-board chargers. ECPE Workshop on Power Electronics for Charging Electric Vehicles, Valencia, Spain, 21-22.03.2011

[22] März M.: Testzentrum für Elektrofahrzeuge. Deutsche Ver-kehrswissenschaftliche Gesellschaft e.V. (DVWG), Bezirksver-einigung Nordbayern, 21. April 2011

[23] März M.: Elektromobilität – Forschung aus Franken ganz vorne mit dabei. Festveranstaltung 25 Jahre Solarmobilverein Erlangen, 30. April 2011

[24] März M.: Robuste Leistungselektronik für intelligente e-Antriebe. Kongress Elektromobilität, Berlin, 1. Juni 2011

[25] März M.: Elektroantriebe für Automobile - Neue Systemtech-nik und dafür notwendige Kompetenzen. Nationale Bildungs-konferenz Elektromobilität, Ulm, 28. Juni 2011

[26] Zeltner S.: Principles of low-loss gate driver circuits. ECPE Workshop on Electronics around the power switch: gate drivers, sensors and control, Ismaning, 29.-30. Juni 2011

[27] Billmann M.: HVDC IGBT Driver as Simple and Reliable as Possible. ECPE Workshop on Electronics around the Power Switch: Gate Drivers, Sensors and Control, 29 - 30 June 2011, Munich, Germany

[28] März M.: Elektromobilitätsforschung in Erlangen. Besuch IfKom Ingenieurverband Bezirk Württemberg, 11. Juli 2011


[29] März M.: Elektromobilität - Neue Systemtechnik und dafür notwendige Qualifikationen. Branchendialog Elektromobilität der Stadt Nürnberg, Wirtschaftsreferat, 21. Juli 2011

[30] März M.: Elektromobilität – Fakten, Konzepte, Systeme. Herbsttagung Fachgruppe Elektronik und EDV im Bundes-verband öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger e.V. (BVS), Nürnberg, 30. Sept. 2011

[31] März M.: Eröffnen Leistungselektronik und -bordnetze neue Fahrzeugeigenschaften? AutoUni Konferenz Hybrid- und Elektrofahrzeuge: Schlüsselfaktoren für die nächste Fahrzeug-generation, Audi Museum Ingolstadt, 11. Oktober 2011

[32] März M.: Systemintegration von Leistungselektronik in Elek-tro- und Hybridfahrzeuge. ZVEI Seminar “Experten informie-ren: Leistungselektronik bewegt die Elektromobilität”, eCarTec 2011, 20. Oktober 2011

[33] März M.: Leistungselektronik - eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität. Bayern-Innovativ Kooperationsforum Leistungselektronik, Nürnberg, 27. Oktober 2011

[34] März M.: Parasitäre Elemente - Grundlagen. Fraunhofer IISB / Bayerisches Cluster Leistungselektronik, Seminar „Parasitäre Elemente und Oszillationen, Erlangen, 23. November 2011


So finden S ie uns

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie

Schottkystraße 10, 91058 Erlangen

www.iisb.fraunhofer.de

Anreise mit dem PKW

A3 bis Ausfahrt Tennenlohe/Erlangen, weiter nach Plan Richtung Erlangen, Abzweigung "Universität Südgelände".

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Bus Linie 32 bis Nürnberg-Thon, umsteigen in Linie 30 oder 30E bis Haltestelle Erlangen Süd

oder

Bus Linie 33 bis Wegfeld, umsteigen in Linie 30 oder 30E bis Haltestelle Erlangen-Süd

Anreise mit der Bahn

Erlangen-Hauptbahnhof - weiter mit dem Taxi (15 Minuten) oder mit dem Bus der Linie 287, Haltestelle Stettiner Strasse,

oder

mit Linie 30/30E/295, Haltestelle Erlangen Süd


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Metropolregion Nürnberg FRAUNHOFER …...Herzstück ist das monatliche, im Herbst 2010 neu eingeführte Leistungselektronik-Kolloquium des Innovationsclusters, das mit wechselnden