Verbundvorhaben PowerizeD - Intelligente Leistungselektronik für nachhaltige und sichere Energiewandlung

Abstract

Die europäische Industrie und Forschung und Entwicklung steht vor der Herausforderung, die Megatrends Unabhängigkeit, Nachhaltigkeit und Digitalisierung entscheidend voranzutreiben. In diesem Zusammenhang wurde 2022 das öffentlich geförderte Projekt PowerizeD gestartet. Mit dem Ziel, innovative Technologien für digitalisierte und intelligente Leistungselektronik zu entwickeln, hat PowerizeD eine zentrale Rolle bei der Gestaltung einer nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Energieerzeugung, -übertragung und -anwendung übernommen. Leistungselektronik ist der Backbone moderner Energiesysteme. Insbesondere im Automobilbereich ist sie ein wichtiger Faktor für den Übergang zu klimafreundlicher Mobilität. Angesichts der Notwendigkeit, Entwicklungszeiten zu verkürzen, die Effizienz zu steigern und die Zuverlässigkeit zu verbessern, standen traditionelle Entwicklungsmethoden vor großen Herausforderungen. PowerizeD hat diesen Bedarf erkannt und eine umfassende Forschungs- und Entwicklungsstrategie verfolgt, um diese Lücken zu schließen und die Führungsrolle Europas im Bereich dieser wichtigen Technologie zu sichern. Das übergeordnete Ziel von PowerizeD war es, den Grad der mechanischen und elektrischen Integration von Steuerungs-, Treiber- und Schaltfunktionen in leistungselektronischen Bauteilen deutlich zu erhöhen. Dies ermöglichte die erstmalige gemeinsame Optimierung aller Funktionen einer Leistungselektronik. Durch die Einführung neuer Schaltungsmodelle, fortschrittlicher Regelungsstrategien und den gezielten Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) konnten Teile des Regelkreises integriert werden, was zu einem robusten und zuverlässigen Betrieb führte. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Entwicklung modernster Leistungselektronik für elektrische Antriebe. Dieser Bericht fasst die Aktivitäten von RB im Rahmen des PowerizeD-Projekts zusammen, das einen wichtigen Meilenstein zur deutlichen Verkürzung der Entwicklungszeit durch intelligente digitale Lösungen und neue datengesteuerte Geschäftsmodelle darstellt. Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele innerhalb von UC 1.5 standen in engem Zusammenhang mit den Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit, Sicherheit und physikalische/funktionale Integration. Der Schwerpunkt lag auf der effizienten Entwicklung und Anwendung von Methoden für:

Simulation Driven Co-Design: eines der Hauptziele war die Entwicklung einer neuartigen Multi-Domain-Simulationskette. Diese integriert Funktionsmodelle (z. B. PSpice, Matlab) mit geometriebasierten Modellen (z. B. Ansys), um Spannungen und Dehnungen auf der Ebene der Konstruktionselemente umfassend zu berechnen. Dies ermöglichten bereits in frühen Konstruktionsphasen eine realistische Schadensbewertung und Optimierung. Die Methode wurde anhand kritischer Komponenten wie Drahtverbindungen und Lötstellen als Beispiele verifiziert. Compact Digital Twin: Es wurden kompakte Modelle entwickelt, die durch datengesteuerte KI/ML-Ansätze Prognosen und Zustandsmanagement (PHM) für einzelne Designelemente ermöglichen. Diese digitalen Zwillinge ermöglichen eine verbesserte Lebensdauerprognose und eine detaillierte Analyse von Verwendungsprofilen, indem sie Rückmeldungen aus der Fertigung und dem laufenden Betrieb für die iterative Verbesserung zukünftiger Generationen nutzen. Virtual Release through Referencing: Diese Methode zielt darauf ab, die Entwicklungszeit erheblich zu verkürzen und die Führungsrolle der europäischen Automobilzulieferer zu stärken. Zuverlässige und validierte (crediblre) Simulationen haben die virtuelle Freigabe von Leistungsmodulen und Leistungselektronik ermöglicht. Zur Validierung der entwickelten Simulationsmodelle wurde ein Demonstrator mit integriertem piezoresistivem Stresssensor verwendet. Prognostics and Health Management (PHM) für prädiktive Diagnose: Die Forschung umfasste die genaue Bestimmung der schadensrelevanten Größe auf Basis der Simulationen und die Entwicklung des Konzepts zur Zustandsüberwachung unter Verwendung von Fragilitätsflächen. Ein tiefgreifendes Verständnis der Versagensmechanismen von Lötstellenmaterialien war in diesem Zusammenhang ebenfalls von entscheidender Bedeutung.

Die im Rahmen von UC1.5 erzielten Ergebnisse und Demonstrationen leisten einen entscheidenden Beitrag zu den quantifizierbaren Projektzielen von PowerizeD: eine Reduzierung des Leistungsverlusts um 25 %, eine Verlängerung der Lebensdauer von Geräten und Systemen um 30 %, eine Verkleinerung der Chipgröße um mindestens 10 % und eine drastische Verkürzung der Entwicklungszeit um 50 %. Diese Kennzahlen unterstreichen nicht nur den technologischen Fortschritt, sondern auch das Potenzial für erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile, insbesondere im Bereich der Elektromobilität. Dieser Abschlussbericht fasst die Ergebnisse, Erkenntnisse und Demonstrationen des dreijährigen Projekts zusammen. Er zeigt auf, wie PowerizeD und insbesondere die Arbeit in Use Case 1.5 von RB die Grundlagen für eine nächste Generation digitalisierter und intelligenter Leistungselektronik geschaffen hat, die nicht nur technologisch überlegen, sondern auch entscheidend für eine nachhaltige und widerstandsfähige Energieinfrastruktur ist. Die hier vorgestellten Leistungen sind das Ergebnis einer beispielhaften europäischen Zusammenarbeit und werden als Grundlage für weitere Innovationen in diesem wichtigen Sektor dienen.