Alle Forschungsaktivitäten des E & D im Überblick

Im Projekt CleMoSy werden neuartige dreiphasige Wechselrichter mit quasikontinuierlicher Ausgangsspannung erforscht. Durch die quasikontinierliche Ausgangsspannung werden die entsprechend dem Stand der Technik üblichen Spannungspulse an der Motorwicklung und damit zahlreiche damit verbundene Probleme vermieden. Als Leistungsschalter werden Galliumnitridbasierte High Electron Mobility Transistoren eingesetzt, die eine hohe Schaltfrequenz und damit die Integration von Filterschaltungen in die Leistungselektronik ermöglichen. Im Projekt wird ein spezielles neues Modulationsverfahren, die Delta-Sigma-Modulation im Zusammenhang mit Multilevel- und Interleaved-Topologien erforscht und damit ein Demonstrator mit einer Leistung von 50 kW aufgebaut.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Eckhard Hennig, Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus, Prof. Dr.-Ing. Ertugrul Sönmez

Laufzeit: 01.02.2023 - 31.01.2027

Mittelgeber: Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und Industriepartner

Entwicklung einer Baugruppe, bestehend aus der galliumnitridbasierten Leistungselektronik im 360 V Bereich und dem zugehörigen Elektromotor zu dessen quasikontinuierlichen Ansteuerung

Das Projekt GaN-Kern ist ein öffentlich gefördertes Projekt, in dem gemeinsam mit Industriepartnern an einer neuen leistungselektronischen Baugruppe mit quasikontinuierlicher Ausgangsspannung unter Verwendung von Galliumnitrid High Electron Mobility Transistoren und einem darauf angepassten Motor geforscht wird. Die Forschungsarbeiten an der Hochschule Reutlingen betreffen unter Anderem Forschungsfragen im Zusammenhang mit der Auslegung des Spannungszwischenkreises, der Sicherheit bei Überstrom z.B. aufgrund eines Kurzschlusses an den Ausgangsklemmen des Wechselrichters sowie des sogenannten Zero Voltage Switching zur Reduktion von Schaltverlusten.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus

Laufzeit: 01.11.2025 - 31.10.2027

Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Die zunehmende Bedeutung elektrischer Antriebe in den unterschiedlichsten Bereichen im Verbraucher- ebenso wie im industriellen Sektor führt zu einem steigenden Bedarf an elektrischen Antrieben. Diese verwenden häufig Permanentmagnete zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfelds.  Vor dem Hintergrund des dadurch steigenden Bedarfs an Magnetmaterial einerseits und der aktuell höchst problematischen Versorgungslage mit solchem Material andererseits wird im vorliegenden Projekt erforscht, wie ein bürstenloser Elektromotor ohne Permanentmagnete mit sehr kleiner Leistung und gleichzeitig sehr hoher Effizienz, kleiner Baugröße und niedrigen Kosten entworfen werden kann.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus

Laufzeit: 01.11.2025 - 31.10.2028

Mittelgeber: Industrie

Elektrische Antriebe sind im wahrsten Sinne des Wortes der Motor der Elektromobilität. Sie leisten eine hohe Dynamik bei der Einstellung der Drehzahl und des Drehmoments, die Leistungscharakteristik ist jedoch durch die Verschaltungsart der Wicklung vorgegeben. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, durch eine geeignete Wicklungsumschaltung ähnlich der bereits bekannten Stern-Dreieck-Umschaltung unterschiedlichen Leistungscharakteristiken für den gleichen Motor zu erzielen. Anders als bei z.B. der Stern-Dreieck-Umschaltung erfolgt dies jedoch durch eine geeignete in den Motor integrierte Elektronik. Zudem wird durch eine neue Ansteuermethodik eine stoßfreie Umschaltung gewährleistet.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus

Laufzeit: 01.03.2026 - 28.02.2029

Mittelgeber: Industrie

Entwicklung eines Condition-Monitoring-Systems zur Vorhersage der Restlebensdauer an Rollenketten auf Basis von gemessenen Zeitsignalen und einer kabellosen Sensorikeinheit zur Datenerfassung in der Antriebsumgebung eines Kettenförderers

Im Projekt wurde ein neuartiges Condition-Monitoring-System zur Zustandsüberwachung und -prognose für die Anwendung in Kettenförderern erforscht. Dabei werden Rollenketten als Komponente zur Verschleißüberwachung analysiert, um rechtzeitig und präventiv Wartungsmaßnahmen durchzuführen. Die Überwachung und Prognose erfolgt auf der Basis von Messgrößen wie Motormoment sowie von Beschleunigungssignalen im Zeitbereich. Aus den Ergebnissen der Überwachung wird eine adaptive Schmierstrategie abgeleitet. Die im Projekt entwickelten Verfahren basieren auf dem Einsatz von Verfahren des maschinellen Lernens.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus

Laufzeit: 01.12.2023 - 30.09.2025

Mittelgeber: Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg

Zuverlässigkeits- und Effizienzoptimierung leistungselektronischer Baugruppen mittels Realzeit-Ansteuerverfahren

In leistungselektronischen Baugruppen ist der Schaltvorgang, zum Ein- und Ausschalten leistungselektronischer Schalter von entscheidender Bedeutung für die entstehenden Verluste. Dieses Ein- bzw. Ausschalten wird durch Treiberschaltungen gesteuert, die geeignete Stromprofile bereitstellen und in Brückenschaltungen die Schaltsignale zwischen den beteiligten Schaltern geeignet verzögern. Nach aktuellem Stand der Forschung existieren Verfahren die entweder die Stromprofile oder die sogenannte Totzeit einstellen. Eine kombinierte verlustoptimale Einstellung ist derzeit noch nicht erforscht. Vor diesem Hintergrund wird im Projekt erforscht, wie eine optimale Wahl von Stromprofilen und eine Wechselsperrzeit gleichzeitig online im Betrieb ermittelt werden können. Die Forschungsarbeiten zielen auf eine Methodik die Profile und Wechselsperrzeit adaptiv an den jeweiligen Betriebspunkt der Leistungselektronik anpasst. Zudem ist die Methodik so gestaltet, dass sie in einem ASIC integriert werden kann.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Eckhard Hennig, Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus, Prof. Dr.-Ing. Ertugrul Sönmez

Laufzeit: 01.10.2025 - 30.09.2028

Mittelgeber: Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg und Industriepartner

Zirkuläre Wertschöpfungsstrukturen ganzheitlich verstehen

Im DBU-geförderten Vorhaben „Echt Kreislaufwirtschaft: Zirkuläre Wertschöpfungsstrukturen ganzheitlich verstehen“ wurde ein schulisches Bildungsmodul entwickelt, das Schülerinnen und Schülern der gymnasialen Oberstufe ein fundiertes und praxisnahes Verständnis der Kreislaufwirtschaft vermittelt. Eine zentrale Leitidee des Projekts ist, dass die Kreislauffähigkeit eines Produkts bereits in der Produktentwicklung festgelegt wird und nicht erst am Ende des Lebenszyklus beginnt.

Als durchgängiges Produktbeispiel dient ein an einen Fahrraddynamo anschließbares Ladegerät für ein Smartphone. Hierzu wurden mehrere, hinsichtlich ihrer Kreislauffähigkeit bewusst unterschiedlich ausgelegte Varianten konzipiert und als Hardwaredemonstratoren sowie als Bausatz umgesetzt. Auf dieser Grundlage entstanden modulare Unterrichtseinheiten, Experimente, Arbeitsaufträge und Reflexionsfragen, die sich am Bildungsplan des Fachs Naturwissenschaft und Technik orientieren und zugleich Transferbezüge zu weiteren Fächern ermöglichen.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt:

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Anja Braun, Prof. Dr.-Ing. Gernot Schullerus

Laufzeit: 01.01.2025 - 31.12.2025

Gefördert durch: Deutsche Bundesstiftung Umwelt

In HoLoDEC werden innovative Methoden zum Entwurf neuer analoger und digitaler Schaltungs- und System-Komponenten für verteilte Sensorsysteme sowie deren Anbindung an Edge-Computing-Systeme erforscht. Der methodische Ansatz berücksichtigt Hardware-Software-Codesign auf mehreren Hierarchieebenen und eine effiziente Partitionierung der Sensor- und Elektroniksysteme im Sinne höherer Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz. Im Projekt wird hierzu ein durchgängiger Design-Flow erarbeitet und angewendet, ausgehend von der Spezifikation, über den System- und Schaltungsentwurf inkl. Layout bis zur Implementierung aller Systemkomponenten in Silizium und der Validierung anhand ausgewählter Demonstratoren. Die gezielte Automatisierung kritischer Entwurfsschritte wird schnellere Iterationsschleifen ermöglichen und so die Qualität der Entwurfsergebnisse signifikant verbessern. Hierbei werden auch Verfahren des maschinellen Lernens, der künstlichen Intelligenz sowie des verteilten Rechnens erforscht. Konkrete Arbeitspakete am  Electronics & Drives sind die Weiterentwicklung der prozeduralen Automatisierung des analogen Schaltungsentwurfs durch den Expert Design Plan Ansatz und die automatisierte Layouterstellung durch Verbesserung des SWARM Algorithmus. Zudem werden neuartige Ansätze zur Charakterisierung von Standardzellbibliotheken verfolgt und innovative Anwendungen von Machine Learning Methoden zur Beschleunigung des Entwurfsprozess untersucht.

Eckpunkte zum Forschungsprojekt

Beteiligte Personen: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Scheible, Prof. Dr.-Ing. Cristobal Curio

Laufzeit: 01.10.2022 – 31.03.2026

Mittelgeber: Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt