Christian-Albrechts-Universität Neuartiger Umrichter für E-Fahrzeuge besteht 10.000 Stunden Dauertest

Der Frequenzumrichter der nächsten Generation in der 15 kW Variante.
Der Frequenzumrichter der nächsten Generation in der 15 kW Variante.

Ein neuartiger Frequenzumrichter, entwickelt im Projekt »Neue Leistungshalbleiter« (NELE) des Kompetenzzentrums Leistungselektronik Schleswig-Holstein (KLSH), arbeitet äußerst verlustarm und ressourcenschonend.

Mit ihm ist in Zukunft ein effizienterer und umweltfreundlicherer Betrieb von Elektro-Industriefahrzeugen wie Gabelstaplern möglich. An der Entwicklung dieses Geräts war ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) wesentlich beteiligt, das nun an der CAU auch die 10.000 Stunden Dauerbelastung ohne Ausfall meisterte.

»Der Umrichter hat ein kleineres Volumen, ein geringeres Gewicht und einen höheren Wirkungsgrad als seine Vorgänger«, erläutert Professor Friedrich W. Fuchs, Leiter des CAU-Teams aus der Arbeitsgruppe für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe. Zusammen mit Arbeitsgruppen der FH Kiel und der FH Westküste lieferte sie den elektrischen Entwurf sowie Aufbau und übernahm die Inbetriebnahme des 5 Kilowatt beziehungsweise 15 Kilowatt leistenden Geräts, das das Anlauf- und Drehzahlverhalten von Motoren verbessert und erweitert. Entwickelt wurde der Umrichter in drei Jahren. Gegen Ende des Projekts testeten die Forschenden in Fahrzeugen der Projektpartner Jungheinrich Norderstedt und Jenoptik – ESW, die auch die technischen Vorgaben machten.

»Den Auftrag, den Umrichter der nächsten Generation zu bauen, haben wir mit dem Projektteam erfüllt«, sagt Fuchs. Um die Vorgaben zu erreichen, wurde am Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe ein neuer MOSFET entwickelt. Ein neues Gehäuse kam von der Firma Danfoss Silicon Power zum Einsatz. Die Forschenden (FH Kiel, Danfoss Silicon Power, Flensburg) untersuchten das »Sintern«, eine Methode für die Verbindung der Halbleiter mit der Bodenplatte mittels Druck und Wärme, außerdem neue Methoden des »Bondens«, der Stromzuführung zum Leistungschip. Die CAU verbesserte den Wirkungsgrad im Leistungsteil durch »Active Gate Control«, die intelligente Schaltung der Leistungshalbleiter, und beschäftigte sich mit der optimalen Platzierung der Einzelhalbleiter im Modul. Zusätzlich bauten Professor Fuchs und seine Mitarbeiter Dr. Björn Wittig und Jens Schröder ein Stützungssystem ein, das die Batterie der Fahrzeuge entlastet und so für eine höhere Lebensdauer sorgt.

»In meiner langen Karriere in der Industrie und der Universität ist es für mich das erste Mal, dass in einem Projekt „vom Chip bis zum Gabelstapler“, also von den Grundbausteinen bis zum Test des Umrichters im Gabelstapler, alles in einem Projekt gemacht wurde. Erreicht haben wir dies nur durch die hervorragende Arbeit und Zusammenarbeit der Partner«, so Fuchs. Die im Projekt erarbeiteten Methoden werden zukünftig in den Partnerfirmen eingesetzt.