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Fraunhofer IISB

Motorintegrierte Leistungselektronik macht Elektrofahrzeuge günstiger

| Redakteur: Sariana Kunze

Das Fraunhofer IISB hat ein neues Forschungsprojekt ins Leben gerufen. EMiLE untersucht, wie sich durch Hochintegration von Leistungselektronik in elektrischen Antriebsmaschinen der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte bei sinkenden Systemkosten steigern lassen.

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Schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsmaschine mit mechatronisch hochintegrierten Leistungselektronikmodulen. Das Forschungsprojekt EMiLE untersucht die wirkort-nahe Integration von Antriebsumrichtern für E-Antriebe.
Schematische Darstellung einer elektrischen Antriebsmaschine mit mechatronisch hochintegrierten Leistungselektronikmodulen. Das Forschungsprojekt EMiLE untersucht die wirkort-nahe Integration von Antriebsumrichtern für E-Antriebe.
( Fraunhofer/ Thomas Richter )

Für eine breite Marktdurchdringung müssen Elektrofahrzeuge leistungsfähig und kostengünstig sein. Im Forschungsprojekt EMiLE wird untersucht, wie dies durch Hochintegration der notwendigen Leistungselektronik direkt auf der elektrischen Antriebsmaschine erreicht werden kann. Neben einer Steigerung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte ergeben sich durch die räumliche Nähe von Motor und Elektronik auch Vorteile bei der Serienproduktion sowie eine deutliche Senkung der Systemkosten.

Leistungselektronik direkt in der Arbeitsmaschine

Klassisch befindet sich in Elektrofahrzeugen die Leistungselektronik für den Antriebsumrichter in einem separaten Modul, das über Kabel mit der elektrischen Antriebsmaschine verbunden ist. Diese Lösung benötigt eigenen Bauraum für die Elektronik, zudem verursachen die Kabel Kosten, Gewicht und Störanfälligkeit. Daher gibt es bereits Lösungen, bei denen die Elektronik an den Motorblock angebaut ist. Im Projekt "Elektro-Motor integrierte Leistungs-Elektronik" (EMiLE) geht das Partnerkonsortium unter Leitung der ZF Friedrichshafen noch einen Schritt weiter und platziert die Leistungselektronik mit großer Integrationstiefe direkt in der Antriebsmaschine. Die Industriepartner AixControl, Infineon Technologies, Lenze SE, Robert Bosch, Siemens, TDK-EPC Corporation und Volkswagen entwickeln zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB und dem Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) der RWTH Aachen die dafür nötigen Technologien.

Durch die Nähe der Elektronik zum Wirkort besitzen angebaute bzw. motorintegrierte Umrichterkonzepte gegenüber separaten Einzelsystemen signifikante Vorteile hinsichtlich der Anzahl der benötigten Schnittstellen, des Bauraums, des Gewicht und der Gesamtkosten. Beispielsweise bietet die direkte Kontaktierung der so genannten AC-Phasenkabel (AC: alternating current, engl. für Wechselstrom) im Umrichter den Vorteil einer Minimierung von Kabel- und Steckverbindungen. Durch den Wegfall der AC-belasteten Motorkabel im Fahrzeug wird auch eine potentielle EMV-Störquelle (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) vermieden und die Nutzung eines gemeinsamen Kühlmantels für Antriebsmaschine und Leistungselektronik reduziert die Kühlperipherie auf ein Minimum.

Alternative Konzepte für den elektrischen Antrieb

Durch den Übergang von der angebauten zur motorintegrierten Leistungselektronik ergeben sich zusätzliche Vorteile wie eine weitere Reduzierung der Schnittstellen, die Minimierung der Komponenten und die Möglichkeit zur automatisierten Montage. In EMiLE werden daher die klassischen elektrisch-thermischen Schnittstellen auf den Prüfstand gestellt und Alternativlösungen entwickelt, wie etwa der Verzicht auf bestimmte Isoliersubstrate. Durch die räumliche Nähe der Leistungselektronik zur Motorwicklung ergeben sich neue Möglichkeiten für Fehlerbeherrschung, Redundanz, funktionale Sicherheit und Systemwirkungsgrad. Ebenso wird auch die dezentrale Verteilung von Intelligenz auf Einzelzellen im Motor erforscht. Schwerpunkte von EMiLE sind alternative Konzepte für Umrichter, E-Maschinen, Aufbau- und Entwärmungskonzepte für die Hochintegration, die Untersuchung der Ausfallsicherheit sowie neben der technischen auch eine wirtschaftliche Bewertung der Entwicklungen.

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