Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Effizienz an Bord – Miniaturisierte Leistungselektronik für Flug- und Kraftfahrzeuge

01.07.2011
Die Industriegrößen Daimler, EADS, Infineon, Siemens und ZF Electronics haben sich mit der Erlanger Forschungseinrichtung Fraunhofer IISB im Projekt „PELiKAn – Power Electronics in Kraftfahrzeugen und Aeronautik“ zusammengeschlossen.

Ziel ist die gemeinsame Entwicklung von kompakten, zuverlässigen und hoch effizienten Spannungswandlern für den Einsatz in der Luftfahrt und im Kraftverkehr. Bei der unaufhaltsam voranschreitenden Elektrifizierung von Flug- und Nutz- bzw. Kraftfahrzeugen spielen leistungselektronische Wandler eine zentrale Rolle. Die Anbieter derartiger elektronischer Schlüsselkomponenten positionieren sich mittlerweile als Innovationstreiber für ganze Branchen.

PELiKAn wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung mit 2,4 Millionen Euro gefördert. Grundlage dafür ist die Förderbekanntmachung „Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung (LES)“ – eine Initiative des BMBF, die auf mehr Ressourcenschonung und Klimaschutz durch deutliche Energieeinsparungen in volkswirtschaftlich wichtigen Anwendungsfeldern zielt. Die gesamte Projektsumme beträgt 4,4 Millionen Euro. PELiKAn läuft seit dem 1. August 2010 und ist auf eine Dauer von drei Jahren angelegt.

Hintergrund

Für Anwendungen im KFZ- und Luftfahrtbereich sind Bauraum und Gewicht die entscheidenden Größen. Das Gewicht aller Teilkomponenten bestimmt dabei wesentlich die Effizienz des Gesamtsystems. Eine Herausforderung ist die weitere Miniaturisierung von Gleichspannungswandlern unter gleichzeitiger Steigerung der Effizienz. Dazu kommen die sehr hohen Ansprüche an die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer leistungselektronischer Systeme. Diese Anforderungen können nur durch eine optimierte Systemintegration und entsprechende Entwärmungskonzepte erfüllt werden. Auch hierbei gilt: Je höher die Effizienz, desto geringer ist der Kühlaufwand und umso kleiner und leichter können die leistungselektronischen Komponenten gestaltet werden, was wiederum günstig für den Gesamtsystemwirkungsgrad eines Flug- oder Fahrzeugs ist.
Durch die kontinuierlichen technologischen Fortschritte im Bereich der Leistungshalbleiter stehen auch immer bessere aktive Bauteile zur Verfügung. Große Verbesserungen wurden zum Beispiel bei den Silizium-basierten Leistungsschaltern im Hinblick auf den Einschaltwiderstand, die erreichbaren Schaltfrequenzen und die Schaltverluste erzielt. Die dadurch mögliche Erhöhung der Schaltfrequenz der Spannungswandler erlaubt immer kompaktere Designs. Heute liegt die Leistungsdichte bei nicht isolierenden Wandlern bei ca. 5 - 10 kW / l und bei isolierenden Wandlern bei ca. 2 - 5 kW / l, bei einem Wirkungsgrad von ca. 95 %. Für immer höhere Schaltfrequenzen muss aber auch immer mehr Ansteuerleistung für das Umladen der Gate-Kapazitäten der Leistungsschalter bereitgestellt werden. Ansteuerschaltungen nach dem derzeitigen Stand der Technik sind als echte Energieverschwender im Bereich der Subsysteme eines leistungselektronischen Systems anzusehen. Das liegt in ihrer Funktionsweise begründet, welche prinzipiell eine Vernichtung der zur Ansteuerung der Leistungsschalter erforderlichen Energie bedingt.
Ein wesentliches Ziel im Projekt PELiKAn ist deshalb die Entwicklung so genannter regenerativer Ansteuerschaltungen, um die notwendige Ansteuerleistung zu reduzieren und damit den Gesamtwirkungsgrad weiter zu steigern.

Mit dem Einsatz neuartiger Halbleitermaterialien – wie zum Beispiel Siliziumkarbid (SiC) – werden die Schalt- und Durchlassverluste der Leistungsschalter weiter reduziert. Durch eine höhere maximale Betriebstemperatur lassen sich Leistungsdichte und Wirkungsgrad steigern, bei allerdings gleichzeitig erhöhten Anforderungen an die Ansteuerschaltungen. Die neuen Leistungshalbleiter versprechen in Verbindung mit innovativen Ansteuerkonzepten eine Erhöhung der Leistungsdichte bei nicht isolierenden Wandlern auf 50 bis 60 kW / l und ca. 20 kW / kg unter gleichzeitiger Verbesserung des Wirkungsgrades auf 98 bis 99 %. Bei isolierenden Wandlern lässt sich die Leistungsdichte auf mindestens 10 kW / l – bei einer Wirkungsgradverbesserung auf ca. 98 % – steigern.

Die Projektpartner (in alphabetischer Reihenfolge):

Daimler
Mit einer Erfahrung von 125 Jahren Automobilbau stellt die Daimler AG sich der zukünftigen Herausforderung „Emissionsfreies Fahren“. Dazu wird zurzeit in einer Reihe von Projekten an der Entwicklung von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen gearbeitet.

Die in dem Projekt beteiligten Abteilungen der Daimler AG entwickeln Konzepte und Komponenten zur Maximierung der Energieeffizienz bei gleichzeitiger Kostenoptimierung und arbeiten damit an Schlüsseltechnologien für eine erfolgreiche Markteinführung von Batterieelektrischen Fahrzeugen. Dazu gehört die Beratung konzerninterner Produktions- und Entwicklungseinheiten bei Konzept, Einführung und Anwendung der Elektronik im Fahrzeug. Das Aufgabenspektrum reicht von der Bewertung neuer Technologien über die Entwicklung neuer Bordnetzkonzepte bis zum Aufbau und Einbau von Steuergeräte-Prototypen für den Test in Versuchsfahrzeugen. Die beteiligten Abteilungen haben bereits in verschiedenen BMBF- und EU-Verbundprojekten neue Steuergerättechnologien und elektronische Komponenten simuliert, untersucht und bewertet.

EADS
EADS Innovation Works ist eine gemeinschaftliche Forschungseinrichtung der EADS. Innerhalb der EADS Gruppe stellt sie Kompetenzen in den Bereichen Aero-nautik, Verteidigung und Raumfahrt – entsprechend der EADS Forschungs- und Technologie-Strategie – zur Verfügung. Der deutsche Teil der EADS Innovation Works in Ottobrunn (München) und Hamburg hat einen festen Mitarbeiterstamm von 220 Angestellten, von denen 70% als Wissenschaftler beschäftigt sind. Innerhalb des Structures Engineering, Production & Mechatronic Technical Capability Centers kann die Actuation & Smart Structures Gruppe auf eine über zehnjährige Erfahrung im Entwurf und der Realisierung aktiver Systeme zurückgreifen. Diese umfasst insbesondere die Integration aktiver Materialien in mechatronische Systeme, den Entwurf und die Entwicklung elektronischer Schaltungen und das Rapid Prototyping digitaler Architekturen. Das dazugehörige bestens ausgestattete Labor ermöglicht den Entwurf, die Modellierung und Simulation, die Systemintegration und den Test mechatronischer Systeme.
Fraunhofer IISB
Die Abteilung „Leistungselektronische Systeme“ am Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB der Fraunhofer Gesellschaft arbeitet schon seit dem Jahr 2000 an Antriebsumrichtern und Gleichspannungswandlern für Brennstoffzellen und Hybridfahrzeuge. Dabei steht die Entwicklung von Leistungswandlern und Endstufen mit höchsten Leistungsdichten und Wirkungsgraden sowie die Adaption der elektronischen Komponenten an die mechanischen Gegebenheiten, wie z.B. ungewöhnliche und zerklüftete Bauräume, Vibration und thermische Zyklenbelastung, im Mittelpunkt der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit. Zur Auslegung von maßgeschneiderten Leistungsteilen stehen Simulationsumgebungen, wie z.B. Spice, Matlab-Simulink, MathCad, Ansys und FloTerm, zur Verfügung. Um Prototypen und Kleinstserien zu realisieren, sind auch die notwendigen Aufbau und Verbindungstechniken, wie Vakuum-Dampfphasenlöten, Dickdrahtbonden und Ultraschallmikroskopie, vorhanden. Darüber hinaus besitzt das Institut eine umfangreiche Testausrüstung für leistungselektronische Systeme.
Infineon
Die Infineon Technologies AG bietet Halbleiter- und Systemlösungen an, die drei zentrale Herausforderungen der modernen Gesellschaft adressieren: Energieeffizienz, Mobilität sowie Sicherheit. Mit weltweit rund 26.650 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern erzielte Infineon im Geschäftsjahr 2010 (Ende September) einen Umsatz von 3,295 Milliarden Euro. Das Unternehmen ist in Frankfurt unter dem Symbol „IFX“ und in den USA im Freiverkehrsmarkt OTCQX International Premier unter dem Symbol „IFNNY“ notiert.

Infineon war im Jahr 2001 mit der Markteinführung der 600 V-SiC-Schottkydioden der Pionier für dieses Halbleitermaterial und forscht seither kontinuierlich an Weiterentwicklungen dieser Bauelemente bzw. neuen SiC-basierten Bauelementlösungen, wie dem SiC-JFET-Schalter.

Siemens
Die Zentralabteilung Corporate Technology der Siemens AG (www.ct.siemens.com) arbeitet im Rahmen ihrer Aktivitäten zur Leistungselektronik seit vielen Jahren u. a. auf den Gebieten Systemintegration leistungselektronischer Systeme, Untersuchung neuartiger Bauelemente und Topologien, Kühlung, Hochtemperaturelektronik, Zuverlässigkeit und Lebensdauerprognosen. Im Mittelpunkt stehen Systeme mit hoher Leistungsdichte, hoher Temperaturbelastung und kompaktem Design.

Die Zentralabteilung Corporate Technology nimmt mit ihren weltweit über 1.900 Forschern innerhalb der Forschung und Entwicklung von Siemens eine besondere Stellung ein: Sie wirkt als internationales Netzwerk der Kompetenzen und weltweit als Partner für Innovationen. Corporate Technology trägt durch F&E-Aktivitäten in Deutschland, den USA, Großbritannien, China, Indien, Russland und Japan zur technologischen Zukunftssicherung und Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens bei.

ZF Electronics
Als eigenständiges Geschäftsfeld unterstützt die ZF Electronics GmbH die Hybridstrategie der ZF Friedrichshafen AG mit der Entwicklung und Produktion von Komponenten zur Elektrifizierung der Hybridsysteme und der elektrischen Antriebssysteme. Die Arbeitspakete im Förderprojekt PELiKAn umfassen – neben der Erarbeitung einer Spezifikation jener Komponenten für den Nutzfahrzeugbereich – die Untersuchung von Integrations- und Entwärmungskonzepten sowie die Charakterisierung von Bauteilen. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Aufbau eines Demonstrators für den Nutzfahrzeugbereich (NKW, Bus) sowie dessen Charakterisierung und die Bewertung der Ergebnisse für den Einsatz in Nutzfahrzeuge.

Das im Jahr 2008 akquirierte Geschäftsfeld Elektronikkomponenten, die ZF Electronics GmbH, produziert schwerpunktmäßig Schaltsysteme, Sensorik und Steuerungen für die Automobilindustrie.

Ansprechpartner:
Dr. Bernd Eckardt
Fraunhofer IISB
Schottkystrasse 10, 91058 Erlangen, Germany
Tel. +49-9131-761-0
Fax +49-9131-761-390
bernd.eckardt@iisb.fraunhofer.de

Dr. Bernd Eckardt | Fraunhofer-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.iisb.fraunhofer.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Energieproduzierende Fenster stehen kurz bevor
23.02.2017 | University of Minnesota / Università degli Studi di Milano-Bicocca

nachricht Hauchdünn wie ein Atom: Ein revolutionärer Halbleiter für die Elektronik
23.02.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie