Pilotprojekte
CPE4.0 für intelligente Antriebstechnik
Das am Fraunhofer IISB entwickelte Konzept „Cognitive Power Electronics 4.0“ (CPE4.0) hat zum Ziel, bewährte Leistungselektronik mit Data Analytics und Machine-Learning zu verbinden, um intelligente digitale Funktionalitäten von der Leistungselektronik-Ebene bis zur Systemebene zu ermöglichen und damit verbundene Wertschöpfungsketten zu optimieren.
Im Leitprojekt wird dieser Ansatz auf das breite Feld der elektrischen Antriebstechnik übertragen. Motivation hierfür ist, kritische Betriebszustände und Fehlerfälle im Elektromotor durch Informationen aus dem Antriebsumrichter in Echtzeit zu erfassen, automatisch zu klassifizieren und nach Möglichkeit vorherzusagen (Predictive Analytics).
Dabei bestehen für die (dynamische) Antriebstechnik spezifische Anforderungen im Hinblick auf die notwendigen Modifikationen der Hardware und die anwendungsspezifischen Entwicklungen im Bereich der Algorithmen. Den Schwerpunkt der Forschungsarbeiten bilden die notwendigen Funktionserweiterungen von Antriebsumrichtern und die Nutzbarmachung der elektrischen Kenngrößen des Umrichters zur prädiktiven Analyse in Echtzeit.
Der elektrische Antrieb wird so schließlich zum integrierten intelligenten System, das über seinen momentanen und zukünftigen Betriebszustand Auskunft geben und zudem selbständig (re-)agieren kann.
PROJEKTE
MTAB - „Modellierung und Test neuartiger, hocheffizienter und hochintegrierter Antriebssysteme für Bahnanwendungen“
Die Lebenszykluskosten beim Betrieb von Schienenfahrzeugen sind für diejenigen, die z.B. Nahverkehrsleistungen anbieten, von großer Bedeutung. Aus diesem Grund rücken sie auch zunehmend in die Lasten- und Pflichtenhefte der Schienenfahrzeughersteller. Wichtige Einflussfaktoren sind hierbei der Energieverbrauch und im internationalen Kontext gewichtsabhängige Trassengebühren. Damit gewinnt die Konfiguration des Antriebsstranges an Bedeutung. Dieser muss deswegen in hohem Maße gewichtsoptimiert und energieeffizient ausgelegt werden.
Das Projektziel des Vorhabens ist es, ein Konzept für einen hochintegrierten Antriebsstrang zu entwickeln. In dessen Kern soll eine für den Bahnsektor neue hochdrehende E-Maschine stehen, die in eine optimal ausgelegte Komponentenperipherie eingebettet werden muss. Die wichtigsten mit zu betrachtenden Komponenten sind neben dem Traktionsmotor das Getriebe, die Stromrichter sowie die Drehgestellkonzeption. Projektbegleitend erfolgt ein übergreifendes Gewichtsmanagement, das eine Gewichtreduzierung in einem optimalen Kosten-Nutzen-Verhältnis umsetzen soll.
Das Fraunhofer IISB erforscht im Rahmen des Projekts einen neuartigen, kompakten Umrichter für Bahnanwendungen. Anhand eines „digitalen Zwillings“ sowohl der Topologien als auch der verwendeten Halbleiterbauelemente und passiven Komponenten ist ein anwendungsnaher Systementwurf möglich, der mit deutlich reduziertem Zeitaufwand und höherer Genauigkeit aufwarten kann.
Schema zur Ermittlung der Wirkungsgrade verschiedener 2-Level- und Multilevel-Umrichter mit digitalem Zwilling
Karlsruher Institut für Technologie (KIT), FAST
Fraunhofer IISB
JENOPTIK Power Systems GmbH
Usb GmbH
VIPCO GmbH
Dr.-Ing. Thomas Heckel
Fraunhofer IISB
Schottktystraße 10
91058 Erlangen
Tel. +49 (0)9131 761-436
