F&E Projekte im Labor für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe

P4ELECS-Logo (Bild: Firos Kariman, XDEMIA)

P4ELECS: Platform for Electrification, Skills and Competences

P4ELECS basiert auf dem dringenden Bedarf, die Innovationslandschaft im Energiesektor zu stärken, indem es Kompetenzen und praktische Fähigkeiten von Akteuren stärkt. Ziel ist die Zeitspanne von der Forschung bis zur praktischen Anwendung zu verkürzen und gleichzeitig den internationalen Wissens- und Erfahrungsaustausch durch ein integriertes System zu fördern.

Grobe Einstufung von Halbleiterbauelementtypen in Abhängigkeit der applikationstypischen Leistung und Schaltfrequenz mit Einordnung des Forschungziels (Bild: Infineon Technologies AG)

GaN-HighPower

Ziel im Projekt GaN-HighPower: „Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter“ ist es die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen und zu erproben.

Abbildung 1: Erster Versuchsaufbau des DC/DC-Wandlers (Bild: Martin Nießen, TH Köln)

ChargeSwing – Die 22 kW Wallbox für Zuhause

Im Forschungsprojekt ChargeSwing wird ein flexibles, bidirektionales 22 kW Batterieladegerät, insbesondere für Elektrofahrzeuge, erforscht und dargestellt. Schwerpunkt der TH-Köln ist die Entwicklung des galvanisch trennenden Gleichspannungswandlers, welcher durch ein innovatives Ansteuerungsverfahren besonders hohe Effizienzen erreicht.

Messungen am Resonanzkreis (Bild: W.Rolf, Teammitglied, TH Köln)

IFEC 2023: “Single-Phase Solid-State Transformer”

Ein Studententeam der TH-Köln nimmt zum elften Mal am Internationalen Studentenwettbewerb „International Future Energy Challenge“ teil um eine galvanische Trennung einer Netzversorgung zu realisieren, die mittels getakteter Netzteile und Hochfrequenztransformator deutlich leichter und kleiner und in der Folge materialsparender und kostengünstiger im Vergleich zu klassischen Transformatoren ist.

Versuchsdach an der TH Köln mit neuartiger Solardachpfanne (Bild: J. Münzberg, P. Seeger, paXos Consulting & Engineering GmbH & Co. KG)

Solardachpfanne.NRW ‐ Dezentrale Strom‐ und Wärmeversorgung made in NRW

Die Solardachpfanne, die Gebäudeästhetik mit solarer Strom- und Wärmeerzeugung verbindet, soll zukünftig herkömmliche Dachpfannen mit Standard-Photovoltaik- und Solarthermie-Modulen ablösen.

Prototyp der Leistungshardware (Bild: Valentin Wagner, Teammitglied, TH Köln)

2020 IEEE International Future Energy Challenge: “Power Supply for Nano Sattelites”

Ein Studententeam der TH-Köln nimmt zum zehnten Mal am Internationalen Studentenwettbewerb „International Future Energy Challenge (IFEC)“ teil. Die Aufgabe lautet eine Stromversorgung für Kleinstsatteliten zu bauen. Weichgeschaltete GaN-basierte Halbleiterbauelemente werden im MHz-Bereich getaktet, um den Anforderungen gerecht zu werden.

In einem Serienresonanzwandler werden gezielt Freiläufe für ganzzahlige Resonanz-Halbperioden geschaltet, um eine Regelung zu erzielen. (Bild: M.Nießen, TH Köln)

Forschungsprojekt Gepard „Zweistufiges 50kW Schnellladesystem für die Elektromobilität“

In diesem Projekt soll ein zweistufiges 50kW Schnellladesystem für die Elektromobilität aufgebaut und erprobt werden. Einem Active-Frontend wird ein Serienresonanzwandler mit hohem Frequenz-Leistungsprodukt sowie regelbarem Weitbereichsausgang nachgeschaltet. Forschungsgegenstand liegt in der Auslegung und Modulation des weichschaltenden DC-DC Wandlers, auch bei thermisch bedingter Frequenzdrift

Four-Phase GaN-Converter featuring a compact Coupled Tape-Wound Core (Bild: C. Dick/P. Deck, TH Köln)

Forschungsprojekt Coupled Tape-Wound Cores

In diesem Forschungsprojekt werden neuartige gekoppelte Induktoren erforscht, aufgebaut und schließlich demonstriert. Dabei sollen die Ergebnisse einen materialarmen Ersatz für die klassischen hartgeschalteten Inverterhalbbrücken mit induktivem Abgang bilden.

Antriebsprüfstand (Bild: A. Krampe, TH Köln)

Forschungsprojekt "Entwicklungstätigkeiten für emCologne (Formula Student Electric)"

Das Labor für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe unterstützt im Rahmen von studentischen Projekt- und Abschlussarbeiten das TH Köln Team „e Motorsports Cologne“, welches regelmäßig an der Formula Student Electric teilnimmt.

General meeting Aachen 2018 (Bild: RWTH Aachen, E.ON Research Center)

Forschungsprojekt DCT REES "Direct Current Technology: Renewable Energy Education and Skill Development in South Africa"

Das internationale Projekt zur Ausarbeitung eines Studiengangs zur DC Technologie in Südafrika  wird getragen von einer Kooperation bestehend aus 14 Projektpartnern aus Südafrika, Belgien, den Niederlanden und Deutschland. Ziel des Projektes ist es, südafrikanischen Hochschulen einen Leitfaden an die Hand zu geben, der es den Studenten ermöglichen soll, die DC Technologie in Südafrika zu fördern und auszubauen.

Produktentwicklung Solardachpfanne

An der TH Köln wurden Beiträge hinsichtlich der optischen Eigenschaften sowie Beiträge für automatisiert auslesbare Sensoren in Dauerversuchen geliefert.

Forschungsprojekt Antriebssteuerung

Zusammen mit einem Industrieunternehmen werden verschiedene Aspekte einer Antriebseinheit weiterentwickelt.

Bidirektionaler galvanisch trennender 1kW SRC Wandler. (Bild: R. Kordsmeier, TH Köln)

IFEC 2018: “Entwicklung eines galvanisch trennenden, bidirektionalen 1000W DC-DC Wandlers“

Zum neunten Mal hat ein Studententeam der TH Köln an der: „Internation Future Energy Challange (IFEC)“ teilgenommen. Die Aufgabe bestand darin, einen galvanisch trennenden, bidirektionalen 1000W DC-DC Wandler mit hoher Effizienz und einer Leistungsdichte größer als 1,5W/cm³ zu entwickeln. Dies sollte durch eine besondere Modulationsstrategie und hohe Schaltfrequenzen bis 1MHz realisiert werden.

Forschungsprojekt PVT-direkt

Ziel des Projekts ist die Konstruktion eines funktionsfähigen „PVT-direkt Moduls“ mit CO2-Direktverdampfung in Mikrokanälen. Des Weiteren wird zur Einbindung und Analyse der PVT-direkt Anlage im Energieverbund ein mathematisches Modell des Gesamtsystems, bestehend aus PVT-Modul und Warmwasserspeicher, mit dem  Simulationsprogramm MATLAB Simulink erstellt.

Installation der galvanisch trennenden, flexiblen, programmierbaren Spannungsquelle (Bild: P. Deck, TH Köln)

Forschungsprojekt "Flexible, programmierbare Spannungsversorgung"

Mit diesem Investitionsprojekt konnte eine für diverse Zwecke wichtige Laborkomponente mit einer Leistung bis zu 86kW beschafft werden. Mit der galvanisch getrennten Spannungsversorgung können insbesondere auch Batterien, regenerative Erzeugungsanlagen oder Brennstoffzellen mittels frei konfigurierbarer Charakteristiken emuliert werden.

Topologie des IFEC 2017 (Bild: C. Dick, TH-Köln)

Forschungsprojekt IFEC 2017: “High-Efficiency High-Density Isolated DC-DC Converter“

Ein Studententeam der TH-Köln nimmt zum achten Mal in Folge am Internationalen Studentenwettbewerb „International Future Energy Challenge (IFEC)“ teil. Die diesjährige Aufgabe ist die Darstellung eines 750W hochfrequenten, galvanisch trennenden DC-DC Wandlers mit hoher Leistungsdichte. Die Zielvorgabe der Leistungsdichte ist >15W/cm³ und der Effizienz >96% @ 100% Last. Es soll eine variable Eingangsspannung von 360V bis 400V in eine konstante Ausgangsspannung von 12V transformiert werden. Die Ausgangsspannung darf einen maximalen Spannungsrippel von 100mVpp aufweisen.

Topologie des IFEC 2016 zur Leistungsdichteoptimierung mit minimalen passiven Komponenten (Bild: TH-Köln, Dick)

Forschungsprojekt IFEC 2016: “High Power Density AC-DC Converter”

Studierende der TH Köln konstruieren und demonstrieren einen Gleichrichter mit den Schlüsselspezifikationen „Weitbereichseingang 90~264 Vrms; 47~63 Hz“ mit netzfreundlichem Verhalten „PF>0.95 @20% load; ITHD < 2% @50% load“.  Die Ausgangsspannung von 400V  soll bei kleiner Restwelligkeit von 5Vpp bis 1,3kW zur Verfügung stehen. Wichtige Zielgrößen sind eine hohe Leistungsdichte >1 W/cm3 und ein möglicher Betrieb bei erhöhten Umgebungstemperaturen.

Berührungsloses Laden von Elektroautos: Primär- und Sekundärseitige Leistungselektronik mit Transformator bei 15cm Luftspalt (Bild: C. Dick, TH Köln)

Forschungsprojekt IFEC 2015: “High-efficiency Wireless Charging System for Electric Vehicles”

Zum sechsten Mal in Folge nahm ein studentisches Team der TH Köln am internationalen Wettbewerb IEEE International Future Energy Challenge (IFEC) erfolgreich teil. Der Wettbewerb hatte zum Ziel bei einer Leistung von 500W ein „High-efficiency Wireless Charging System for Electric Vehicles and Other Applications” darzustellen und im Wettbewerb unter Beweis zu stellen.

Forschungsprojekt Vermessung elektrischer Maschinen

Zu Versuchszwecken wurden diverse elektrische Maschinen (GM, SYM, ASM) sowie Transformatoren vermessen.

Forschungsprojekt Pulsmustergeneratoren

Für diverse Anwendungen mit leistungselektronischen Konvertern wurden flexible und konfigurierbare Pulsmustergeneratoren entwickelt.

Gütefaktoren von Sende- und Empfangsspule bei unterschiedlichen Materialien A und B (Bild: C. Dick, TH Köln)

Forschungsprojekt Synthese induktiver Anordnungen

Gegenstand des Projektes ist die Untersuchung von magnetischen Materialien in Hinblick auf die elektromagnetischen Eigenschaften „Flussführung“ und „Abschirmung“ in einem Wireless Power System für Consumer Applications.

Forschungsprojekt Spannungsversorgung Teil 1 und Fortsetzungsprojekt Teil 2

Mit dem Ziel einer hohen Isolationsfestigkeit von mehreren kV wurde eine galvanisch trennende, resonant arbeitende Spannungsversorgung kleiner Leistung dargestellt.

Von Studierenden des Instituts im Rahmen eines internationalen Wettbewerbs entwickelter Photovoltaikwechselrichter (Bild: C. Dick, TH Köln)

Forschungsprojekt IFEC 2013: “Highly efficient microinverter for photovoltaic panels”

Zum fünften Mal in Folge nahm ein studentisches Team der TH Köln am zweijährigen internationalen Wettbewerb IEEE International Future Energy Challenge (IFEC) erfolgreich teil. Dieses Mal wurde eine Leistungselektronik aufgebaut, die eine solarelektrische Leistung von 500 VA in ein AC-Netz einspeisen und alternativ ein Inselnetz aufbauen und betreiben kann. Die Optimierungsgrößen Kosten, Effizienz und Langlebigkeit wurden im März 2013 im Rahmen eines Workshops in Kalifornien vorgestellt und im Juli 2013 von einer internationalen Jury in Ohio bewertet. Dort wurde dem Studententeam der Preis „Best Control Implementation“ verliehen.