Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISBEinhergehend mit dem Trend zur Dekarbonisierung ist die zunehmenden Elektrifizierung in allen relevanten Verkehrssektoren: Im Automobilbereich, bei Nutzfahrzeugen und auch in der Luftfahrt. Daher sind hocheffiziente, kompakte und zuverlässige elektrische Antriebssysteme erforderlich, um die anwendungsspezifischen Anforderungen zu erfüllen. Wir arbeiten an elektrischen Antriebssystemen für verschiedene mobile Anwendungen. Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung innovativer Leistungselektronik für Umrichter und elektrischer Maschinenlösungen. Dabei führen wir die komplette Forschung und Entwicklung, Prototyprealisierung und Prüfung von elektrischen Antrieben in-house durch.
Antriebsumrichter & Mechatronik
- Entwicklung und Prototypfertigung von Wechselrichter-Leistungselektronik
- Spannungsbereich für Automotive-Anwendungen: 48 V bis zu 900 V
- Ausgangsleistung: bis zu 1 MW
- Fokus auf Siliziumkarbid (SiC) und Galiumnitrid (GaN) basierten Wechselrichtersystemen
- Expertise über eine Vielzahl von Wechselrichter-Topologien (Multilevel, Multiphase, etc.)
- Anwendungsbereiche: Traktion, Brennstoffzellen-Luftzufuhr, elektrische Turbolader
- Entwicklung und Prototyprealisierung von elektrischen Maschinen
- Traktions- und Hilfsantriebe für Automobil und Luftfahrt
- Vollständige 3D-FEM-Auslegung der Elektromotoren (elektromagnetisch, thermisch, mechanisch)
- Co-Simulationtools zur Berechnung des Maschinenverhaltens in Kombination mit Umrichtern (realistische Verluste, Dynamik, Regelstabilität etc.)
- Hochintegrierte elektrische Antriebssysteme (mechatronische 3D-Integration)
- Anwendungsorientierte Motorsteuerungssoftwareentwicklung für verschiedene Maschinen
- Eigene Testmöglichkeiten mit mehreren Motorenprüfständen und einem Fahrzeugprüfstand
- Fahrzeugintegration von elektrischen Antriebssystemen
SiC-basierter Traktionswechselrichter für mobile Anwendungen
Wide-Bandgap (WBG)-Halbleiter, wie SiC- und GaN-Transistoren, bieten Potenzial für Umrichtersysteme mit höchsten Wirkungsgraden, Leistungsdichten und vor allem Schaltfrequenzen, die weit über den Stand der Technik hinausgehen. Um die Kombination von höchsten Ausgangsleistungen und -stromstärken für Automobil- oder Luftfahrtanwendungen mit höchsten Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, ist ein angepasstes Design der Kommutierungszelle, des Leistungsmoduls und des Gate-Drives erforderlich.
Das Fraunhofer IISB entwickelt kundenspezifische SiC-Wechselrichter für typische automobile Spannungsebenen (z.B. 400V/800V). Schnelle Schaltnetzteile (>= 20 kV/µs) mit Ausgangsströmen von mehr als 800 Arms wurden mit Hilfe von Simulationsmodellen und experimentellen Aufbauten realisiert. Außerdem bieten wir die in-house Entwicklung von Prototypen und deren Charakterisierung auf unseren Motorprüfständen.
SiC-basierte Wechselrichter für Hochgeschwindigkeitsmotoren (z.B. Kompressoren, Turbolader)
Hochdrehende Elektromotoren, wie Kompressoren, Brennstoffzellen-Luftverdichter oder elektrische Turbolader, erfordern höchste Ausgangsfrequenzen im Wechselrichter und damit höhere Schaltfrequenzen, um zusätzliche Verluste und Drehmomentverschleppung in der Maschine zu vermeiden. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, führen wir Untersuchungen und Produktentwicklungen von Wechselrichtern mit Wide-Bandgap-Halbleitern durch.
- Nominale DC-Zwischenkreisspannung: 400V und 800V
- Ausgangsleistung: 10 bis 80kW
- 2-stufige/3-stufige Topologie
- Max. Schaltfrequenz: 80-100 kHz
- Sensorlose Motorsteuerung
Integrierte Antriebssysteme
Die mechatronische Integration von Umrichter-Leistungselektronik in oder nahe der elektrischen Maschine bietet das Potenzial, Kosten, benötigtes Volumen und das Risiko für EMV-Probleme zu reduzieren. Diese Platzierung der Elektronik in der Nähe der elektrischen Maschine führt aber auch zu einer höheren thermischen und mechanischen Belastung. Am Fraunhofer IISB konzentrieren wir uns auf die Entwicklung von Systemarchitekturen und Komponenten für elektrische Antriebe mit unterschiedlichen Integrationsgraden. Durch den Einsatz innovativer und zugleich fertigungsoptimierter Werkstoffkonzepte und Fügetechnologien erreichen wir die erforderliche Zuverlässigkeit.
Unser Designprozess umfasst eine komplette 3D-FEM- und Co-Simulations-basierte Toolchain für die elektromagnetische, thermische und mechanische Auslegung und Optimierung von elektrischen Maschinen. Eine Vielzahl von Motorprüfständen und verfügbaren Umrichterlösungen ermöglichen eine vollständige interne Charakterisierung der Prototypen.
Ausschnitt eines IPMSM in Ansys/Maxwell
Co-Simulationtool für die realistische Abschätzung der Verluste einer elektrischen Maschine
Wir decken ein breites Spektrum von Motor- und Antriebsanwendungen ab:
- Traktionsmotoren und Hilfsantriebe für Automotive und Luftfahrt
- Industrielle Antriebe
- Spannungsbereich: 48 V bis 1000 V
- Leistungsbereich: bis zu > 250 kW
Maßgeschneiderte Motorkonstruktionen mit:
- Höchster Leistungsdichte
- Höchster Effizienz
- Fortschrittlichen Kühllösungen
- Integrierten Lösungen mit Umrichtersystemen
Design elektrischer Maschinen auf der Grundlage der Co-Simulation von Umrichtern:
- Simulative Kopplung von SPICE/PLECS-Wechselrichtersimulation mit FEM-Simulation der elektrischen Maschine
- Realistische Abschätzung von Umrichterverlusten für den Umrichterbetrieb, z.B. oberwelleninduzierte Rotorverluste
- Vergleich und Optimierung verschiedener Thermomanagement-Lösungen für Rotor und Stator (z.B. Wasser-, Öl- und Luftkühlung)
Das Fraunhofer IISB kooperiert mit dem Labor für Regelungstechnik der Fakultät Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik (efi) an der Technischen Hochschule Nürnberg bei der Entwicklung und Analyse von modularen Regelungsalgorithmen, die z.B. folgende Maschinentypen betreffen:
- Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM)
- Induction Motors (IM)
- Electrically Excited Synchronous Motor (EESM)
- Brushless DC
- Mehrphasige und mehrstufige Topologien
Basierend auf unseren F&E-Aktivitäten bieten wir folgende Lösungen:
- Konventionelle Antriebsregelungsverfahren (z.B. feldorientierte Regelung)
- Adaptive Regelung von Antriebssystemen (z. B. iterativ lernende Regelung)
- Sensorlose Regelung und hochfrequente Regelungsalgorithmen, z.B. für Hochgeschwindigkeitsantriebe (elektrischer Turbolader, Brennstoffzellen-Luftverdichter etc.)
- Implementierung und Erprobung auf selbst entwickelter Steuerboard-Hardware (z.B. basierend auf Infineon TriCore oder SOC/FGPA)
- Test der entwickelten Antriebssteuerungen auf dem hauseigenen Leistungsprüfstand
Die Integration mechatronischer Systeme in stark beanspruchten Bereichen erfordert bereits in der Entwurfsphase die Berücksichtigung der Produktlebensdauer. Externe Schwingungen, z.B. Fahrbahnunebenheiten oder Motorschwingungen, regen mechanische Strukturen in ihren Eigenfrequenzen an, was zu unkontrollierbaren dynamischen Reaktionen und frühzeitigen Ausfällen führen kann. Die Schwingungsfestigkeit wird durch die betriebsbedingte thermische Überlagerung weiter herabgesetzt. Häufige Ausfallmuster in der Leistungselektronik sind Ermüdungsrisse in Lötstellen, Delamination an Materialgrenzen und Passungsrost an elektrischen Schnittstellen. Typischerweise werden diese Robustheitsfehler zwar elektrisch erkannt, aber mechanisch ausgelöst. Bei sicherheitskritischen Geräten können die Ausfälle weitreichende Folgen haben. Diese kritischen Lastspektren finden sich häufig in ungefederten oder motornahen Einbaulagen und treten in Automobilen, Flugzeugen oder Windkraftanlagen auf.
Überprüfung der Robustheit vom System bis zum Designelement
Mögliche Problemstellen werden unter Berücksichtigung der geometrischen Komplexität angegangen und können verschiedene Funktionselemente umfassen:
- Elektrische Geräte: Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Induktivitäten, Transformatoren
- Elektrische Schnittstellen: Steckverbinder, Stromschienen
- Leiterplatten: mehrlagig, starr, flexibel: multilayer, flexibel
Wir bieten folgende Simulationsservices:
- Thermomechanische Robustheitssimulation von Kundensystemen auf Basis von Materialparametern und CAD-Dateien
- Experimentelle Schwingungsuntersuchungen am hauseigenen Shakersystem mit 3D-Laserscanning-Vibrometer
- Analyse der physikalischen Rückmeldung von sinusförmigen und zufälligen Schwingungssignalen
- Identifikation von Eigenfrequenzen und Messung von Frequenzgängen an beliebigen Stellen
- Parameterstudien in Bezug auf Design, Lasten und Materialien
- Optimierung des Strukturdesigns durch Minimierung der thermomechanischen Reaktion
Hardware-Module des Baukastens für intelligente Schaltstellen
Blockschaltbild des HiBord DC/DC mit DLC-Speicher
In hochautomatisierten Fahrzeugen ab SAE Level 3 gibt es keinen Fahrer als Rückfallebene bei Stromausfällen.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekt HiBord wurden neue Bordnetz-Topologien untersucht, die Störungen im Stromversorgungssystem ohne volle Redundanz bewältigen können
- Steuerung des Energieflusses
- Isolierung von Fehlern
- Rekonfiguration des Netzes
- Lokale Reflexe und globale Entscheidungen
Vorteile:
- Logikmodul mit μC und FPGA für erweiterte Überwachungsalgorithmen und schnelle Fehlerreaktionen
- Skalierbarkeit durch Verwendung standardisierter Schnittstellen
- Module ausgestattet mit Sensoren für Strom, Spannung, Temperatur
- Verschiedene Kommunikationsmöglichkeiten (CAN, Automotive Ethernet, ...)
- Skalierbare Gehäuse- und Kühllösung durch standardisierte Modulabmessungen und Stecker
Moduls:
Es gibt eine Vielzahl an verfügbaren Modulen
- Uni- und bi-direktionale Schaltmodule (12V oder 48V)
- 48V/12V DC/DC-Wandler-Modul
- Doppelschichtkondensator-Modul
- Aktive und passive DLC-Vorlademodule
- Logikmodul mit leistungsfähigem FPGA und µC
… und mehr, je nach Projektanforderung
Anwendungsbeispiel
Mit dem Baukasten wurde eine Kombination aus einem On-Board DC/DC-Wandler und einem DLC realisiert und ist eine Schlüsselkomponente des HiBord-Stromversorgungssystems. Das System verknüpft einen DC/DC-Wandler mit einem Transientenspeicher und kann somit eine 12V-Batterie in Ausfallszenarien ersetzen
Motorprüfstand am Fraunhofer IISB
Für die Charakterisierung von Elektromotoren und kompletten Antriebssystemen stehen am Fraunhofer IISB verschiedene Motorenprüfstände bis 300 kW und 1000 VDC-Spannungsversorgung zur Verfügung.
- Motorenprüfstand
- Klimakontrollierbarer Allrad-Rollenprüfstand
- Batterie-Tests
- Systemzuverlässigkeit
- Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Projekte
HoskA - 9-phasiger SiC-Wechselrichter für Automobilanwendungen
Im Rahmen des Projekts HoskA wurde ein SiC-basierter 9-phasiger Kfz-Wechselrichter auf Basis von B6-Powercores entwickelt. Die Powercores umfassen die DCB-basierten Leistungsmodule mit SiC-MOSFETs und SEMIKRON SKiN technology, den Gate-Treiber, den Zwischenkreiskondensator sowie Strom- und Temperatursensoren
Mit drei parallel geschalteten B6-Powercores wurde ein symmetrischer 9-phasiger 150-kW-Elektroantrieb mit einer Phasenverschiebung des PMSM von 40 Grad realisiert. Das Modularisierungskonzept erlaubt auch die Realisierung von 50 kW (3-phasig) und 100 kW (6-phasig) Antriebssystemen mit einem oder zwei identischen Powercores..
Projektpartner: Volkswagen Aktiengesellschaft, Semikron, TDK, Liebherr, Bundesministerium für Bildung und Forschung, VDI|VDE|IT
Download Product Sheet HoskA - 9-phase automotive SiC-Inverter"
6-phasiger SiC-Wechselrichter für Automobilanwendungen
Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs bieten aufgrund ihrer deutlich reduzierten Leitungs- und Schaltverluste und ihrer Fähigkeit zu höchsten Sperrschichttemperaturen ein großes Potenzial für leistungselektronische Systeme. Basierend auf dieser Halbleitertechnologie wurde ein modularer und kompakter 6-phasiger 800-V-Antriebswechselrichter für Automobilanwendungen mit einer maximalen Ausgangsleistung von 300 kW konzipiert und realisiert. Mit vier parallelen MOSFETs pro Schalter liefert das System einen maximalen Phasenstrom von 150 Arms.
Der Wechselrichter demonstriert die Vorteile von SiC-Halbleitern auf Systemebene:
- Höchste Leistungsdichte
- Höchster (Teillast-) und Fahrzyklus-Wirkungsgrad
- Höchste Schaltfrequenz
- Reduzierter Kühlaufwand
Durch die möglichen Schaltfrequenzen von bis zu 100 kHz ist der SiC-Umrichter für Maschinen und Anwendungen mit höchsten elektrischen Frequenzen geeignet, wie z.B. schnelllaufende Traktionsmotoren, Kompressoren und elektrische Turbolader.
Download Product Sheet "100 kW SiC-Inverter for automotive application"
60 kW SiC-Wechselrichter für Brennstoffzellen-Luftkompressoren
Hochdrehende Elektromotoren wie der Kompressor-Motor für Brennstoffzellen-Luftversorgungen erfordern höhere Umrichter-Ausgangsfrequenzen und damit höhere Schaltfrequenzen, um zusätzliche Verluste innerhalb der Maschine zu vermeiden. Bei modernen Wechselrichtersystemen (z.B. mit Si-IGBTs und Si-Dioden) ist die Schaltfrequenz wegen der hohen Schaltverluste typischerweise auf Werte von 10 bis 20 kHz begrenzt.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde ein 60 kW Umrichtersystem für hochtourige elektrische Maschinen entwickelt. Der Einsatz von SiC 1200 V MOSFETs, keramischen Zwischenkreiskondensatoren und ein wenig induktives Systemdesign ermöglichen Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz bei angemessenen Wirkungsgraden.
Es wurde eine Gesamtleistungsdichte der Leistungsstufe von >150 kW/l erreicht. So bietet sich die Möglichkeit, den Wechselrichter direkt in das Brennstoffzellen-Luftversorgungssystem zu integrieren.
Download Product Sheet " 60 kW SiC-Inverter for High-Speed Drives"
6-phasige elektrische Maschine mit 175 kW für 800 V
Im Rahmen des LZE-Projekts entwickelte das Fraunhofer IISB einen 6-phasigen Kfz-Traktionsmotor mit 175 kW für eine Nenngleichspannung von 800 V. Höchste Leistungsdichte bei einer maximalen Motordrehzahl von 20.000 U/min.
- Permanentmagnet-Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten
- Spezifikation in Anlehnung an Kfz-Traktionsmotoren
- Einsetzbar in 3- und 6-Phasen-Schaltung
- Segmentierte Magnete
| Spitzenleistung |
175 kW |
| Topologie | PMSM, 3/6-phasig |
| Max. Drehzahl | 20.000 U/min |
| Max. Drehmoment | 230 Nm |
| Max. Phasenstrom | 280 Arms |
| Nominale ZK-Spannung | 800 VDC |
| Stator-Länge | 150 mm |
COSIVU – Integrierter 1200 V SiC-Wechselrichter für Nutzfahrzeuge
In Zusammenarbeit mit den COSIVU-Projektpartnern hat das Fraunhofer IISB einen integrierten 1200-V-Wechselrichter entwickelt. Der Wechselrichter wird in einem elektrischen Antriebsaggregat für Nutzfahrzeuge von Volvo eingesetzt. Der Wechselrichter verwendet hocheffiziente SiC-Transistoren, die den Teillast- und Fahrzykluseffekt des Systems deutlich erhöhen.
Ein modularer und flexibler Aufbau ermöglicht auch die Realisierung eines 6-phasigen Wechselrichtersystems.
Technische Daten:
| Max. Ausgangsleistung | 290 kVA |
| Nenneingangsspannungsbereich | 600 VDC to 800 VDC |
| Max. Phasenstrom | 300 Arms |
| Schaltfrequenz | 10 kHz to 16 kHz |
| 10 kHz to 16 kHz | Modular B6 |
Projektpartner: Volvo Technology, Hella, TranSiC, Sensitec, Nanotest, Elaphe, Swerea, TU Chemnitz und Fraunhofer ENAS
Download Product Sheet "COSIVU"
Die Forschung wurde im Rahmen des Projekts COSIVU durchgeführt, das von der Europäischen Kommission unter der Vertragsnummer 313980 gefördert wurde.
EMiLE
Elektromotor mit integrierter Leistungselektronik und Smart Stator Teeth (SST)
Im Projekt EMiLE arbeiten zehn Partner aus der deutschen Industrie und Forschungseinrichtungen an innovativen Antriebslösungen für die Elektromobilität von morgen. Im Mittelpunkt des Projekts stehen kompakte und effiziente elektrische Fahrzeugantriebe mit einem hohen Integrationsgrad von elektrischer Maschine, Leistungselektronik und Getriebe, die perspektivisch für die Großserie geeignet sind. Hohe Leistungsdichte, hoher Wirkungsgrad und Kostenminimierung sind Vorteile der realisierten Smart-Stator-Tooth-Struktur innerhalb der Antriebseinheit. Jedes Statorsegment der PMSM-Elektromaschine verfügt über eine eigene individuelle Steuerungs- und Leistungselektronik. Der modulare Systemansatz lässt sich an unterschiedliche Fahrzeug- und Antriebsklassen anpassen.
Antriebsstrang mit Smart Stator Teeth
Jeder Smart Stator Tooth (SST) besteht aus einem Motorsegment und einer Elektronikbaugruppe. Zwölf SST bilden einen PMSM-Stator und den dazugehörigen Wechselrichter.
Die Elektronik jedes SST besteht aus einem IGBT-full-bridge-Leistungsmodul, einem Phasenstromsensor, einem Stromregelkreis, einer Gate-Treibereinheit und einem Fehlererkennungsblock. Die Statorwicklungen sind direkt mit den AC-Klemmen des Leistungsmoduls verbunden, wodurch der Platzbedarf und die Anzahl der Teile reduziert werden. Das vormontierte SST kann vor der Montage des Gesamtsystems vollständig getestet werden.
Innovative Steuerungs- und Sicherheitsfunktionen
Mit den fortschrittlichen SST-Steuerungsfunktionen werden zwei Ziele verfolgt: Erstens führt der Ausfall eines Phasenleistungsmoduls nicht zu einem vollständigen Systemausfall. Zweitens werden nach der Erkennung fehlerhafter Teile die verbleibenden SST verwendet, um Auswirkungen des Defekts aktiv zu kompensieren.
Das SST-Konzept definiert und verbessert sowohl die Verfügbarkeit als auch die Fehlerbegrenzung: Ziel ist es, ohne zusätzlichen Hardware-Aufwand einen sicheren Systemzustand zu erreichen, der die Stabilität des Fahrzeugs und die Sicherheit der Insassen gewährleistet. Gleichzeitig wird die Verfügbarkeit erhöht, was bedeutet, dass Teilfehler nicht das gesamte System zum Stillstand bringen.
Projektpartner: VDI|VDE|IT, Aix Control, Bosch, Infineon, iSEA RWTH Aachen, Lenze, Siemens, TDK-EPC, VW, ZF
Gefördert durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Download Product Sheet "EMiLE - Electric motor integrated power electronics"