Fraunhofer-Forschung Von der Stromerzeugung bis zur Last

Neue Technologien aus den Bereichen Erneuerbare Energien, Stromversorgung und Antriebstechnik.
Neue Technologien aus den Bereichen erneuerbare Energien, Stromversorgung und Antriebstechnik.

Die Fraunhofer-Gesellschaft erforscht und entwickelt neue Technologien zu mannigfachen Themen. Aktuelle Ergebnisse aus den Bereichen Erneuerbare Energien, Stromversorgung und Antriebstechnik lesen Sie hier.

Als größte Organisation für anwendungsorientierte Forschung in Europa richtet die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Forschung nach den Bedürfnissen der Gesellschaft. Die Bereiche reichen von Gesundheit über Kommunikation, Mobilität bis hin zu Energie und Umwelt. Eine der bekanntesten Entwicklungen aus dem Hause Fraunhofer ist wohl der MP3-Standard zum Digitalisieren und Komprimieren von Musikstücken. Immer wieder schaffen es Fraunhofer-Entwicklungen in den Alltag der Menschen. Aus den Instituten heraus entstehen immer wieder Ausgliederungen, über die neue Entwicklungen auf den Markt gebracht werden.

Höhere Wirkungsgrade

Eine solche Ausgliederung aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist die vor wenigen Monaten gegründete NexWafe GmbH. Die Firma hat das Ziel, die sogenannte „Kerfless Wafer“-Technologie für epitaktisch gewachsene Wafer, kurz: EpiWafer, in den Markt zu transferieren. Sie sollen konventionelle n- oder p-dotierte monokristalline Silizium-Wafer ersetzen. Denn anders als diese wird bei der EpiWafer-Technologie eine kristalline Silizium-Schicht epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen und danach als frei stehender Wafer mit Standard-Dicke (im Schmuckbild links) wieder abgehoben; das Substrat kann wiederverwendet werden (im Schmuckbild rechts). Gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE hat NexWafe nun die Produktionsschritte der EpiWafer, welche im sogenannten Drop-in-Verfahren herkömmliche Cz-Wafer ersetzen können, optimiert. Analysen der n-dotierten EpiWafer zeigten, dass die Minoritätsträger-Lebensdauer 1000 µs überschreitet; diese Zeit entspricht der Qualität von konventionellen n-dotierten Cz-Wafern. Das hat wiederum Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der auf EpiWafern gefertigten Solarzellen: Sie erzielen einen Wirkungsgrad von 20 % und einen Kurzschlussstrom von 39,6 mA/cm² – ein Weltrekord für epitaktisch gewachsene Silizium-Solarzellen. 

Doch das Fraunhofer ISE erforscht nicht nur Solarenergie, sondern entwickelt auch Wechselrichter für unterbrechungsfreie Stromversorgungen, kurz: USV. Gemeinsam mit einem Industriepartner entwickelte das Institut einen dreiphasigen USV-Wechselrichter mit 10 kW Leistung mit fünf Liter Volumen und einem Wirkungsgrad von 98,7 % (Bild 1). Möglich wird das durch neue Halbleiter-Materialien mit hoher Bandlücke. Aufgrund der guten dynamischen und statischen Eigenschaften von Leistungs-Transistoren aus Siliziumkarbid konnte die Taktfrequenz auf 100 kHz erhöht werden. Dadurch konnten Drosselspulen, Kondensatoren sowie auch andere passive Bauelemente kleiner dimensioniert werden. Laut Fraunhofer ISE reduzierten sich die Größe und der Preis der Hauptinduktivitäten um rund zwei Drittel. Der Wechselrichter findet in sogenannten Online-USV-Systemen Anwendung, die nicht nur kurzfristige Spannungseinbrüche im Netz kompensieren, sondern auch elektrische Geräte permanent über die USV mit Strom versorgen. Ein Beispiel: Bei einer üblichen Auslastung in Höhe der halben Nennleistung ergibt sich für einen kleinen Server-Raum ein jährlicher Energiebedarf von ca. 44.000 kWh. Der Wirkungsgrad des USV-Wechselrichters erhöht den Energiebedarf weiter um die Summe der im Wechselrichter auftretenden Verluste. Daher hat der Wirkungsgrad eines USV-Wechselrichters direkten Einfluss auf die laufenden Betriebsstromkosten. So lassen sich mit dem entwickelten Wechselrichter im Vergleich zu einem herkömmlichen System mit ca. 97,4 % Wirkungsgrad bis zu 40 % der jährlichen Kosten einsparen.

Luftgekühlter Radnabenmotor

Sie sorgen für den richtigen Antrieb in Elektrofahrzeugen: Radnabenmotoren. Allerdings sind in den Motoren mit hohen Drehmoment-Anforderungen kostenintensive Rohstoffe wie Kupfer und NdFeB-Magnete verbaut; außerdem werden diese Motoren in der Regel mit Wasser gekühlt. Die Wasserkühlung erhöht jedoch den Aufwand seitens der Fahrzeuginfrastruktur. Nun hat das Fraunhofer-Institut Fertigungstechniken und angewandte Materialforschung IFAM im Forschungsprojekt LARA einen luftgekühlten Radnabenmotor mit hoher Drehmomentdichte auf Basis gegossener Aluminiumspulen entwickelt (Bild 2).

Diese gießtechnisch hergestellten Spulen ermöglichen es, den Leiterquerschnitt an den zur Verfügung stehenden Bauraum anzupassen. Des Weiteren ermöglicht dieses Verfahren Nutfüllfaktoren bis über 80 %; dadurch lässt sich ein maximaler Leiterquerschnitt in der Nut sowie eine optimale thermische Anbindung der Leiter an den Kühlpfad erreichen. Der geringfügig höhere spezifische Widerstand von Aluminium gegenüber Kupfer spielt beim Erreichen von Stromdichten auf dem Niveau herkömmlicher wassergekühlter Maschinen kaum eine Rolle. Mit Aluminium als Leiterwerkstoff konnten zudem Gewicht und Kosten gesenkt und gleichzeitig die Drehmoment- und Leistungsdaten gesteigert werden. Die erhöhten Betriebstemperaturen stellten die Forscher jedoch vor eine Herausforderung bei der Isolationsbeschichtung. Letztendlich griffen die Forscher hierbei auf ein nasschemisches Verfahren, ein Niederdruck-Plasmaverfahren sowie auf die LightPLAS-Technologie zurück. Bei letzterer erfolgt die Beschichtung als zweistufiger Prozess, bei dem im ersten Schritt eine flüssige, nicht flüchtige Vorverbindung auf die zu beschichtende Oberfläche aufgetragen wird. Im zweiten Schritt erfolgt die VUV-Licht-basierte Strahlungsvernetzung (Vakuum-Ultraviolett) der Vorverbindung.

Batteriesystem für leichte E-Fahrzeuge

Im Rahmen des AVTR-Projekts (Optimal Electrical Powertrain via Adaptable Voltage and Transmission Ratio) entwickelte das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB ein redundantes Batteriesystem für ein leichtes Elektrofahrzeug.

Das Institut entwickelte gemeinsam mit der Dräxelmeier-Gruppe ein Batteriemodul (Bild 3), indem Lithium-Ionen-Rundzellen (3 Ah) vom Typ 18650 verbaut wurden. Insgesamt versorgen acht Batteriemodule mit 12 kWh den Antriebsstrang mit 15 kW Leistung und 30 kW Spitzenleistung mit der erforderlichen Energie. Die Module nutzen eine 20p7s-Zellkonfiguration und wiegen jeweils nur 9,4 kg. Damit wird auf Batteriemodul-Ebene eine gravimetrische Energiedichte von 160 Wh/kg erreicht. Auf einer 47 cm² großen Leiterplatte wurde u.a. das Batterie-Monitoring untergebracht. Über einen Batterieüberwachungs-IC erfolgt u.a. die Temperaturmessung sowie das passive Cell Balancing, für welches Panasonic neue Prototypen mit integrierter Schutzschaltung entwickelte.

Das Batteriemanagementsystem basiert auf einem 32-bit-Mikrocontroller von Infineon, auf dem ein OSEK/Autosar-Betriebssystem für automobile Anwendungen läuft. Neben Regelalgorithmen umfasst das BMS Datenkommunikation über CAN-Bus sowie erweiterte Sicherheits- und Schutzfunktionen. Da komplette Redundanz implementiert wurde, könnte der Fahrer des Elektrofahrzeugs jedes einzelne Batteriemodul vom Armaturenbrett aus überwachen und wäre sogar in der Lage, mit nur einem Radantrieb weiterzufahren.

Das im AVTR-Projekt entwickelte und gebaute Elektrofahrzeug erfüllt die japanische Kei-Car-Spezifikation und wurde erstmals auf der Parco Valentino Car Show in Turin vorgestellt.

 

Kasten: Schutzschalter für 24-V-DC-Stromkreise  
Die Firma Block Transformatoren bringt mit dem EasyB elektronische Einkanal-Schutzschalter auf den Markt, die Stromkreise mit 24 V Gleichspannung zuverlässig absichern. Bei den Schutzschaltern setzt das Unternehmen auf Modularität: Bis zu 40 Kanäle können aneinander gereiht werden. Integrierte Kontakte, die durch das Aneinanderreihen der Module verbunden werden, dienen der Versorgung und Kommunikation im System. Brückungskämme für die Kommunikationsverbindung, Einspeiseklemmen oder Backplanes sind nicht mehr nötig. Gesteuert und ausgelesen werden die Geräte über Kommunikationsbusse. Das Adressierungs- und Einschaltverhalten ließ sich Block patentieren.