Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE)

In der Erzeugung, Umwandlung und Nutzung von Energie spielt Leistungselektronik eine zentrale Rolle. Sie wandelt elektrische Energie in die für die gewünschte Anwendung benötigte Form um - ob in Photovoltaik-Wechselrichtern, Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, für den Antrieb elektrischer Motoren, zum Erhitzen von Werkstoffen oder auch zur Beleuchtung. In den letzten Jahren haben sich viele neue Anwendungen für Leistungselektronik ergeben. Oftmals steigen dabei zunehmend auch die Anforderungen an Leistungsfähigkeit, Effizienz, Lebensdauer, Kosten, Bauraum und Gewicht. Am IPE entwickeln wir innovative Konzepte, Verfahren und Prototypen, um Lösungen für diese neuen Anwendungsgebiete und Anforderungen zu erforschen.

Am IPE aufgebautes Leistungsmodul mit SiC und GaAs Halbleitern für ein Ladegerät mit 8 kW Ladeleistung (LLC Converter)
Am IPE aufgebautes Leistungsmodul mit SiC und GaAs Halbleitern für ein Ladegerät mit 8 kW Ladeleistung (LLC Converter)

Ladesysteme für Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge bieten die Möglichkeit eines lokal emissionsfreien, lärmreduzierten Fortbewegungsmittels mit erhöhtem Fahrkomfort. Der wahrscheinlich größte Vorteil der Elektromobilität ist jedoch die weit höhere Effizienz im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren sowie die Möglichkeit, aus Erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windkraft betrieben zu werden. Für eine weit verbreitete, gesellschaftlich akzeptierte Elektromobilität spielt eine zuverlässige, bezahlbare und flächendeckend verfügbare Ladeinfrastruktur eine wichtige Rolle. In diesem Zusammenhang forschen wir an Leistungselektronik für die Elektromobilität, insbesondere für Ladegeräte in stationären DC-Ladesäulen sowie in On-Board Chargern im Fahrzeug für das AC-Laden unterwegs und zu Hause.

 

Zur Technologie: Integrierte Leistungsmodule

 

Prototyp eines galvanisch getrennten, bidirektionalen DC/DC-Resonanzwandlers (CLLLC Converter) für ein V2G-Ladegerät mit 20 kW Lade-/Entladeleistung
Prototyp eines galvanisch getrennten, bidirektionalen DC/DC-Resonanzwandlers (CLLLC Converter) für ein V2G-Ladegerät mit 20 kW Lade-/Entladeleistung

Vehicle-to-Grid

Batterieelektrische Fahrzeuge könnten in naher Zukunft eine bedeutende Rolle in der Zwischenspeicherung regenerativ erzeugter Energie spielen. So könnte überschüssiger Strom aus fluktuierenden Energiequellen in Elektrofahrzeugen gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder an das Stromnetz abgegeben werden. Dieses Konzept, bei dem Elektrofahrzeug-Batterien nicht nur (wie bisher üblich) aus dem Stromnetz geladen werden, sondern auch wieder Energie an das Netz abgeben können, nennt sich Vehicle-to-Grid (V2G). Durch den Einsatz von V2G könnte mehr Sonnen- und Windenergie als bisher sinnvoll genutzt werden und der Ausbau von Stromnetzen vereinzelt vermieden oder zumindest hinausgezögert werden. Am IPE erforschen wir Leistungselektronik-Topologien, mithilfe derer V2G wirtschaftlich, effizient und effektiv genutzt werden kann. Zudem beschäftigen wir uns mit potentiellen Anwendungsszenarien und der Beeinflussung von V2G auf die Lebensdauer der Batteriezellen.

 

Zur Technologie: Integrierte Leistungsmodule

 

Der effiziente und zuverlässige Betrieb moderner Leistungselektronik stellt hohe Anforderungen an die Regelung und Überwachung durch den Microcontroller und dessen Software. Durch steigende Schaltfrequenzen können Wandler kompakter aufgebaut werden, durch resonante Topologien kann deren Effizienz und Leistungsfähigkeit gesteigert werden. Dazu muss eine Vielzahl von Messsignalen mit geringer Latenz erfasst und ausgewertet sowie eine Reihe von oftmals komplexen PWM-Signalen generiert werden, um die Leistungshalbleiter geeignet anzusteuern. Gleichzeitig müssen Fehlerfälle und kritische Zustände mit funktional sicherer Software zuverlässig erkannt werden, um Defekten und Gefahren vorzubeugen.

Die Entwicklung von sicherer Leistungselektronik ist komplex. Die digitalen Steuerungssysteme erfordern zuverlässige Entwicklungstools. Im Bereich der Softwareentwicklung arbeiten wir daher mit der Entwicklungsumgebung und dem Compiler des TriCore Software Development Toolset unseres offiziellen Sponsors TASKING.