Projekte

Projektlaufzeit: 2 Jahre

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann

Kooperationspartner:

• Danfoss Silicon Power GmbH,

Förderung durch: Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein GmbH (EKSH)

Laufzeit: 12.2022 bis 11.2024

Projektvolumen: 186 T€
EKSH-Förderung: 150 T€

Fördersumme (FH-Kiel): 168.739 €

Die Leistungselektronik ist ein Schlüssel zur Erreichung einer CO2 neutralen Gesellschaft bis ins Jahr 2050. Um eine CO2-Neutralität zu erreichen, muss die Energieerzeugung im Bereich Wind- und Solarenergie ausgebaut werden und die Herausforderungen der Umstellung des Verkehrs auf CO2-neutrale Antriebe gelöst werden. Zudem muss die Wärmeerzeugung in den Haushalten z. B. über Wärmepumpen ebenfalls CO2 neutral erfolgen. Exemplarisch sei hier auch die Wasserstofferzeugung oder die Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen genannt. In all den oben genannten Anwendungen kommen Leistungshalbleiter zum Einsatz.

Im Kern dieser Wandler stecken leistungselektronische Schalter z. B. aus Silizium, Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Die beiden letztgenannten sind neue Materialien mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften hinsichtlich Durchlasswiderstand und Schaltgeschwindigkeit. Diese Eigenschaften können aber erst mittels neuer mechatronischer Aufbautechnologien von Leistungsmodulen und Anbindungen an Zwischenkreiskondensatoren genutzt werden. Die Leistungsmodule sind hinsichtlich ihrer Elektrik als auch Thermik zu optimieren. Genauso wie die Anschlüsse und Busbarsysteme bis hin zum Kondensator. Bisher erfolgte die geometrische Auslegung / Optimierung dieser komplexen Systeme meist klassisch mittels Simulation lediglich mit einer systematischen linearen Parametervariation. D. h, Positionen von Chips oder Längen und Dicken von Kupferanschlüssen wurden systematisch variiert. Die Komplexität der Änderungen ist in diesem Fall sehr begrenzt und damit auch das Finden eines optimalen Aufbaus. Im Zuge dieses Projektes soll mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) der Entwicklungsprozess für hocheffiziente Leistungsmodule optimiert werden. D. h. eine KI soll die optimalen Positionen Längen etc. finden. Außerdem soll durch den Einsatz von KI der Entwicklungsprozess beschleunigt werden. Die Herausforderung besteht darin, solch komplexe Strukturen im Simulationsprogramm mit einem KI-Algorithmus zu verbinden. Zum anderen müssen passende KI-Algorithmen und Optimierungskriterien bestimmt werden. Dieser neue Ansatz ist eine kleine Revolution in der Entwicklung von leistungselektronischen Wandlern und wird zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung führen, die zum Gelingen der Energiewende beiträgt.

Projektlaufzeit: 4 Jahre

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann      beteiligt: Prof. Dr.-Ing. Aylin Bicakci

Kooperationspartner:

• Fraunhofer ISIT

Industriebeirat:

• Volkswagen AG,
• Danfoss Silicon Power GmbH,

Förderung durch: BMBF (ForMicro 2.0)

Laufzeit: 2.2024 bis 1.2028

Projektvolumen: 3.060 T€

Fördersumme (FH-Kiel): 1.560T€

Leistungselektronische Wandler mit extrem hohem Wirkungsgrad bilden den Kern der Energiewende. Jede erneuerbare elektrische Energie durchläuft solche Wandler auf ihrem Weg von der Erzeugung bis zur Nutzung mehrfach. Dies gilt besonders bei leistungsstarken Industrieanwendungen und dem Transportwesen, die zunehmend elektrifiziert werden. Während Siliziumcarbid (SiC) bereits in Automotive-Umrichtern in Serie eingesetzt wird, stehen für Galliumnitrid (GaN) aktuell nur laterale Bauelemente zur Verfügung, die bei Spannungen über 650V nicht mehr konkurrenzfähig gegenüber SiC sind. Aufgrund der steigenden Bordnetzspannungen, z.B. im Bereich der Elektromobilität, werden hier Durchbruchspannungen der Halbleiterschalter von mindestens 1200V benötigt. Alternativ zu SiC ermöglicht GaN als vertikales Bauelement eine noch weitere Steigerung der Effizienz bei gleichzeitiger Kostenreduktion.

Das Projekt VerGaN erzielt hier einen Durchbruch in Effizienz und Nachhaltigkeit, indem es vertikale Leistungstransistoren auf innovativen GaN-on-QST (Qromis' substrate technology) Substraten für Spannungsklassen von 1200V entwickelt und verschiedene Integrationskonzepte der resultierenden Bauelemente evaluiert. Somit werden von der Chipentwicklung über das Moduldesign bis hin zum Design einer Endstufe die zentralen Gesichtspunkte zur Entwicklung dieser neuen Technologie abgedeckt. Bei all diesen Innovationen soll die Industrialisierbarkeit und Zuverlässigkeit der Antriebseinheit im Fokus stehen.

Durch den iterativen Aufbau von Demonstratoren soll gezeigt werden, dass die Materialvorteile von vertikalem GaN systemisch in der Anwendung in einer neuen Generation von Antriebseinheiten nutzbar gemacht werden können. Eine Weiterentwicklung dieser Ergebnisse würde einen wesentlichen Beitrag zu einer Überführung dieser Technologien zu einer Marktreife führen und kurzfristig einen wesentlichen Fortschritt für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen ermöglichen.

Projekte im Rahmen des Projektes BMBF: WIR! – Wandel durch Innovation in der Region:  Captn Energy

1 Teil : Projektlaufzeit: 9 Monate  (Konzeptphase)

2. Teil: 15Mio€  Laufzeit 6 Jahre von 1.2023-2028

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann

Kooperationspartner:

• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU),
• thyssenkrupp Marine Systems GmbH

Förderung durch BMBF

1. Teil:  Laufzeit: 3.2021 bis 11.2011 Projektvolumen: 248,6T€ /Fördersumme (FH-Kiel): € 47.772,72€

In Genehmigung:

IMUSE

Innovative Materialien und Stromversorgungen für die Wasserstoffelektrolyse

Projektlaufzeit: 3 Jahre

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann   

Kooperationspartner:

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Phi-Stone AG

Förderung durch: BMWK

Laufzeit: 4.2024 bis 9.2026

Projektvolumen: 900T€

Fördersumme (FH-Kiel): 415€T€

Leitziel des Vorhabens (Kennwort: IMUSE) ist es, Innovative Materialien und Stromversorgungen für die Wasserstoffelektrolyse zu entwickeln.

In diesem Projekt wird die Kapillarelektrolyse weiterentwickelt, um mit effizienteren Materialien und Stromversorgungen eine größere industrielle Relevanz zu ermöglichen. Die Kapillarelektrolyse trennt die Gasblasenerzeugung und die Elektrolyse räumlich, was einen Wirkungsgradsprung und kostengünstige Wasserstoffproduktion für die maritime Wirtschaft ermöglicht. Das Projekt zielt darauf ab, den Energiebedarf für die Wasserstoffproduktion zu senken und ein skalierbares Material und Spannungsquellensystem zu erforschen. Dies erfordert zum einen skalierbare Materialkonzepte, die die Gasseparation unterstützen und zum anderen effiziente elektrische Steuerung. Industriepartner werden eingebunden, um die Wertschöpfung in der Region zu steigern.

Projektlaufzeit: 3 Jahre

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann      beteiligt: Prof. Dr. Ronald Eisele

Kooperationspartner:

• Volkswagen AG,
• Siemens AG
• Danfoss Silicon Power GmbH,
• Heraeus
• Fraunhofer Gesellschaft (IMWS)
• Hübers
• Viscom

Förderung durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)

Laufzeit: 10.2021 bis 9.2024

Projektvolumen: 6,90 Mio. €
BMBF-Förderung: 4,24Mio. €

Fördersumme (FH-Kiel): 961.372 €

Kernziel des Projektes ist der Einsatz von neuen anorganischen Vergussmassen in elektrischen Antriebssystemen. Diese neuartig anzuwendenden Vergussmassen basieren auf einem anorganischen Material aus der Klasse der Zemente. Im Rahmen des Projektes soll der Verguss der leistungselektronischen Baugruppen und der Wicklungen elektrischer Maschinen von Antriebssystemen untersucht werden.

Solche Materialien versprechen eine erhöhte thermische Leitfähigkeit mit guten Isolationsfähigkeiten, sodass wirtschaftliche Bestrebungen nach Effizienz mittels Miniaturisierung kostenempfindlicher Bauteile vereinfacht werden. Es handelt sich hierbei um eine neue Materialklasse im Bereich des Vergusses von Leistungselektronik und elektrischen Maschinen mit wesentlich besseren thermischen Eigenschaften als die der bisher eingesetzten Vergussmassen auf Kunststoffbasis.

Projektlaufzeit: 3 Jahre

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann      beteiligt: Prof. Dr. Ronald Eisele

Kooperationspartner:

• Volkswagen AG,
• Danfoss Silicon Power GmbH,
• FTCAP GmbH,
• Fraunhofer Gesellschaft (Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie)
• ILFA Industrieelektronik und Leiterplattenfertigung aller Art GmbH, Hannover
• tesa SE, Norderstedt

Förderung durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung  (BMBF)

Laufzeit: 8.2018 bis 4.2022

Projektvolumen: 4,77 Mio. €
BMBF-Förderung: 2,71 Mio. €

Fördersumme (FH-Kiel): 787.500 €+ Projektpauschale 157.500 €

Im Projekt LaSiC soll ein Wechselrichter, in das Maschinengehäuse (Lagerschild) eingebracht werden. Durch die angestrebte Kombination von Innovationen in der Leistungselektronik und Antriebstechnik sollen die Effizienzvorteile von SiC-basierten Halbleitern für Elektroantriebe der übernächsten Generation wirtschaftlich nutzbar gemacht und ein energieeffizienterer Betrieb von Elektrofahrzeugen ermöglicht werden.

Ziel des Aufbaus ist es der aus  Leistungselektronikmodul, Treiberschaltungen und Stromsensorik auf der gleichen Kühlebene integriert werden. Neue Ansätze für die Leiterplattentechnik, Isolation und Zwischenkreiskondensatoren sollen dabei einen Betrieb auch bei hohen Temperaturen ermöglichen. Auf diese Weise können die Vorteile von SiC-Halbleiter optimal genutzt werden. Um perspektivisch die Kosten für SiC-Leistungselektronik senken zu können, soll bei der Konzeption der hochintegrierten Antriebseinheit auch ein fertigungsgerechtes Aufbau- und Montagekonzept entwickelt werden.

Das Institut für elektrische Energietechnik der Fachhochschule Kiel übernimmt dabei das Systemdesign und die mechatronische Integration sowie die Treiberentwicklung, die eine wesentlichen Säule für die Verbesserung der Kompaktheit des Systems ist. Das thermische Management des Umrichters wird vom Institut für Mechatronik der Fachhochschule Kiel übernommen. Das Ergebnis des Projekts ist ein Demonstrator eines Antriebsmoduls mit höchster Leistungsdichte, der auf seine Funktionalität untersucht und bewertet wird.

Projektleitung und beteiligte: Prof. Dr. Ulf Schümann, Prof. Dr. Ronald Eisele

Kooperationspartner: Volkswagen AG, Danfoss Silicon Power GmbH, Vishay Siliconix Itzehoe GmbH, FTCAP GmbH, Reese + Thies Industrieelektronik GmbH, Fraunhofer Gesellschaft (Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie)

Förderung durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Laufzeit: 01.01.2016 bis 31.12.2018
Fördersumme FH-Kiel: 500.000€
Projektvolumen: 3.1 Mio €

Im Vorhaben InMOVE wird der Ansatz verfolgt, die Antriebsleistung eines elektrischen Fahrzeugantriebs auf mehrere kompakte Elektroantriebsmodule aufzuteilen. Diese bestehen aus einem kompakten Leistungsumrichter und einem schnell drehenden Elektromotor. Der Umrichter soll dabei eine Leistungsdichte von 100kW pro Liter erreichen.

Das Institut für elektrische Energietechnik der Fachhochschule Kiel übernimmt dabei das  Systemdesign und die mechatronische Integration, die eine wesentlichen Säule für die Verbesserung der Kompaktheit des Systems ist. Das thermische Management des Umrichters wird vom Institut für Mechatronik der Fachhochschule Kiel übernommen. Dazu wird ein hochspezifischer Kühler für alle Umrichter-Komponenten entworfen. Das Ergebnis des Projekts ist ein Demonstrator eines Antriebsmoduls mit höchster Leistungsdichte, der auf seine Funktionalität untersucht und bewertet wird.

Projektlaufzeit: 3 Jahre

Projektleitung: Prof. Dr. Ulf Schümann      beteiligt: Prof. Dr. Ronald Eisele

Kooperationspartner:

• Siemens AG
• Danfoss Silicon Power GmbH,
• Heraeus
• Fraunhofer Gesellschaft (IMWS)

Förderung durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit: 7.2019 bis 9.2021

Projektvolumen: 3,67 Mio. €
BMBF-Förderung: 2,44 Mio. €

Fördersumme (FH-Kiel Schümann): 130T€

Hochleistungsschaltelemente in der Leistungselektronik sind bestimmendes Element für die Leistungsfähigkeit von Umrichtern und Steuerelementen in der Elektromobilität und bei Systemen der regenerativen Energie. Die hierfür notwendige Aufbau- und Verbindungstechnik muss dabei sowohl die hohen Ströme als auch ein effizientes Thermomanagement beherrschen, um Langzeitstabilität und hohe Performance gewährleisten zu können. Das Verbundprojekt ThermoFreq zielt mit einer Neuentwicklung von Hochstrom-Kontaktierungstechnik und einem integrierten Leadframe-Stapelaufbau für effiziente Wärmeabfuhr auf die Erhöhung der Leistungs- und Integrationsdichte von Leistungshalbleiter-Baugruppen bei gleichzeitiger Verbesserung der Schalteigenschaften in hochfrequenten Schaltvorgängen.

Förderung durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Laufzeit: 01.10.2017 bis 30.9.2020
Projektlaufzeit: 3 Jahre
Projektleitung und beteiligte: Prof. Dr. Ulf Schümann, Prof. Dr. Ronald Eisele
Kooperationspartner: SMA Solar Technology AG, Infineon Technologies AG,Danfoss Silicon Power GmbH (DSP), RWTH Aachen EON ERC, Universität Kassel (KDEE)

Fördersumme FH-Kiel: 689.000€
Projektvolumen Gesamtvorhaben ca. 10 Mio.€
Förderung Gesamtvorhaben ca. 5,7 Mio. €

Leitziel des Vorhabens ist eine neue Generation von PV-Großanlagen mit speziellen Kraftwerkseigenschaften, die es zukünftig erlauben, mit solchen PV-Kraftwerken Mitverantwortung für die Versorgungssicherheit und Systemstabilität zu übernehmen und somit deutlich größere PV-Anteile ins Netz zu integrieren als bisher, ohne dass die PV-Kraftwerke oder der Netzbetrieb dadurch teurer werden.

Arbeitsziele des Teilvorhabens der FH Kiel ist einen Beitrag zur Entwicklung eines voll funktionsfähigen, praxistauglichen, und optimierten Leistungsmoduls für den Einsatz neuartiger Halbleiter-Bauelemente auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC). Dies beinhaltet angepasste Komponenten insbesondere Modul-Sensorik und eine funktionelle Wärmespreizplatten

Förderung durch: WTSH, Wirtschaft
Wirtschaftsunternehmen
Projektlaufzeit: 3 Jahre
Kooperationspartner: Firma für Windenergie, Schleswig-Holstein

Im Rahmen der Neuentwicklung einer Windkraftanlage einer in Schleswig-Holstein ansässigen Firma wird an der FH das elektrische Modell der Windkraftanlage aufgebaut und die Regelstrategie dieser Anlage untersucht. Dabei wurde der mechanische Teil der WEA in Form meines Simulationsmodelles abgebildet. Dieses Simulationsmodell steuert einen Motor eines Prüfstandes. Der Motor treibt den zugehörigen  Modellgenerator der Windkraftanlage an. Zur Ansteuerung des Generators wird ein selbst programmierbarer Frequenzumrichter der Leistungsklasse 120 kW aufgebaut. Dieser Umricher steuert zwei Modell-Windkraftanlagen an.

Windenergieanlagen Cluster (WEAC) wurde an der Fachhochschule Kiel ein Regelungsverfahren zum Betreiben von zwei Asynchrongeneratoren an einem Frequenzumrichter entwickelt. Der Schwerpunkt des bisherigen Projektes lag auf der Entwicklung eines Regelungsverfahrens der beiden Generatoren. In diesem Rahmen wurden unterschiedliche Regelungsverfahren untersucht und letztendlich praktisch am Prüfstand erprobt.

Förderung durch: EKSH
Projektlaufzeit: 2 Jahre
Kooperationspartner:
Skywind GmbH, Schleswig-Holstein
Fördersumme 150.000 €

Im Rahmen des EKSH geförderten Projektes wurde eine Netzeinspeisung für die vorhandene Generatorregelung von zwei Windkraftanlagen an einem Umrichter realisiert. Die zu entwickelnde Regelung sollte nicht nur die Einspeiseenergie der beiden Windenergieanlagen regeln, sondern auch die Netzstützung bei Netzausfällen ermöglichen. Im Projektverlauf wurde eine frei programmierbare netzseitige Einspeiseeinheit mit dazugehörigen Komponenten entwickelt und aufgebaut. Als weiteres wurde eine Einrichtung zur Netzeinbruchsimulation für den Prüfstand realisiert. Die benötigten Komponenten und Einrichtungen wurden zum Größtenteils neu entwickelt und aufgebaut. Zum Schluss wurde das Gesamtsystem bestehend aus Generator- und Einspeiseregelung getestet.