Institut für Energiesystemtechnik

Elektromobilität (Profes. Klöffer und König)

Prof. Dr. Christian Klöffer und Prof. Dr. Patrick König leiten gemeinsam das Electric Mobility Competence Center EMC² am INES. Die beiden Professoren widmen sich gemeinsam mit Wissenschaftlichen Mitarbeitern und studentischen Hilfskräften Forschungsthematiken im Bereich des optimierten Betriebs der elektrischen Antriebskomponenten von Elektrofahrzeugen. Dies geschieht sowohl gemeinsam mit namhaften nationalen Automobilunternehmen und regionalen Industriepartnern als auch im Rahmen von internationalen von der Europäischen Union geförderten Forschungsprojekten (näheres hierzu unter der Rubrik laufende bzw. abgeschlossene Projekte). Die Forschungsaktivitäten finden eng verzahnt mit dem Karlsruher Institut für Technologie statt, um jungen Nachwuchsforschern die Möglichkeit der Promotion zu bieten.

Derzeit ist die Erweiterung der vorhanden Prüfkapazitäten für elektrische Antriebskomponenten von Elektro- und Hybridfahrzeuge im Gange. Das geplante Prüffeld soll folgende technischen Daten aufweisen:

Elektrische Maschine:

  • Mechanische Leistung: < 300 kW
  • Mechanische Drehzahlen: < 20.000 1/min
  • Drehmomente: <500 Nm
  • AC-Spannungsamplitude: < 500 V
  • AC-Stromamplitude: < 800 A

 DC/AC-Wandler:

  • DC-Spannung: < 900 V
  • AC-Stromamplitude: < 800 A

Energiespeicher:

  • DC-Strom: < 900 A
  • DC-Spannung: < 900 V

Laufende Projekte: Komponenten

Um einen Inverter betriebssicher betreiben zu können und Beschädigungen ausschließen zu können, müssen mit Blick auf die Halbleiterschalter bestimmte Sicherheitsfaktoren eingehalten werden. Werden, wie heute üblich, ein Teil dieser Sicherheitsfaktoren pauschal sehr konservativ gewählt, führt dies zu einer Reduktion der maximalen Inverterleistung. Im Rahmen des Projektes wird ein innovativer Ansatz verfolgt, um die Sicherheitsfaktoren im Betrieb adaptiv nachzuführen. Das Ziel ist es, nachzuweisen, dass eine Leistungssteigerung von 2-3 % möglich ist.

Insbesondere auch im Blick auf zukünftige Bestrebungen in Richtung des autonomen Fahrens werden fehlertolerante Antriebstopologien immer wichtiger. Ein Ansatz, um elektrische Maschinen, die ohnehin sehr ausfallresistent sind, noch sicherer zu machen, bieten 6-Phasen-Maschinen. Hierbei werden die elektrischen Wicklungen doppelt ausgeführt. Dies erfordert auch eine "doppelte" Invertertopologie. Hierfür sind die Steuer- und Regelungsalgorithmen deutlich komplexer. Diese werden im Rahmen mehrerer Teilprojekte entwickelt und deren Funktionalität getestet.

Die heute üblichen Regelungsansätze für elektrische Maschinen stammen meist aus einer Zeit, als sie hauptsächlich für elektrische Maschinen im Industrieeinsatz verwendet wurden. Im Gegensatz zu Industriemaschinen spielt für Traktionsmaschinen im Fahrzeug u.a. der Bauraum und das Gewicht eine große Rolle. Aus diesem Grund wird bei Traktionsmaschinen versucht, beispielsweise weniger Eisen zu verwenden, um die Maschine leichter bauen zu können, und durch neue Wicklungskonzepte die axiale Länge der Maschine zu minimieren. Beide Ansätze führen zu ungewollten (Oberwellen-)Effekten in der Maschine. Mit herkömmlichen Regelungsansätzen kann diesen Effekten nur begrenzt entgegengewirkt werden. Die stranggrößenbasierte Regelung erarbeitet hierfür im Rahmen einer Dissertation einen völlig neuen Regelungsansatz.

Laufende Projekte: Fahrzeuge und Systeme

Ein interdisziplinäres Team aus Studierenden hat sich im Sommersemester 2019 zusammengefunden und ein Formula Student Team für die Hochschule Offenburg etabliert. Dieses Team befasst sich mit Auslegung, Konstruktion und Aufbau eines einsitzigen voll elektrischen Formelrennwagens. Dabei spielen nicht nur die technischen Komponenten, sondern ebenso wirtschaftliche Aspekte wie die Erstellung eines Business Plans, Bemühungen zur Finanzierung sowie eine professionelle interne und externe Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit eine große Rolle.

Das neu gegründete Black Forest Formula Team der Hochschule Offenburg unter der Betreuung von Prof. König und Prof. Klöffer hat es sich zum Ziel gesetzt, bis zum Sommer 2020 einen vollelektrischen Rennwagen nach dem Reglement der Formula Student aufzubauen. Um dies erreichen zu können, arbeiten überdurchschnittlich motivierte und kompetente Studierenden interdisziplinär zusammen und werden seitens weiterer Professoren fachlich unterstützt.

Weiterführende Informationen und Aktuelles finden sich auf der Projekt-Webseite.

Abgeschlossene Projekte

Die stetig steigenden Anforderungen an die Leistung von elektrischen Antrieben führen u.a. zu höheren Batteriespannungen im Fahrzeug. Um diese höheren Spannungen zu bewältigen, wurde im Rahmen des Projektes eine komplexere Topologie für den DC/AC-Wandler im Fahrzeug untersucht. Hierbei handelte es sich um einen so genannten 3-Level-Inverter. Hierfür wurde zunächst simulativ ein Steuerungs- und Regelungsalgorithmus entwickelt. Anschließend wurde eine Hardware aufgebaut und mit der zuvor simulativ entwickelten Hardware getestet. Die Erreichung des Ziels, eine Steigerung des Wirkungsgrades des Inverters im fahrzyklusrelevanten Bereich, konnte nachgewiesen werden.

Eine elektrische Maschine bildet ausgehend von dem eingeprägten Strom ein Drehmoment. Der gewählte Strom, um ein bestimmtes Drehmoment zu generieren, stellt hierbei häufig eine komplexe Optimierungsaufgabe dar. Herkömmlicherweise wird zur Minimierung der im Motor auftretenden Kupferverluste versucht, die Stromstärke zu minimieren (maximum torque per ampere). Vollkommen außer Acht gelassen wird hierbei der Effekt der Eisenverluste. Im vorgestellten Projekt konnte gezeigt werden, dass eine komplexere Methode der Stromvorgabe (maximum torque per losses) dazu führen kann, die Gesamtverluste in der elektrischen Maschine zu minimieren. Dies wiederum führt im Elektrofahrzeug zu einer gesteigerten Reichweite.

Die stetig steigenden Anforderungen an die Leistung von elektrischen Antrieben führen u.a. zu höheren Batteriespannungen im Fahrzeug. Um diese höhere Spannungen zu bewältigen, wurden im Rahmen des Projektes Halbleiter aus neuen Materialien (hier Siliciumcarbid SiC) für den Aufbau eines Inverters verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass die neue Technologie beherrschbar ist und zu einer deutlichen Verringerung der elektrischen Verlustleistung führt. Am Beispiel des untersuchten Inverters wurde gegenüber einem herkömmlichen Referenzinverter eine Reichweitenverlängerung von knapp 10% erreicht.