Ausgangssituation
In Europa werden circa 23 Prozent der insgesamt emittierten Treibhausgase durch den Personen- und Warentransport verursacht. Ein wesentlicher Hebel für die Reduktion des CO2-Fußabdrucks des Transports ist die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Sowohl Batterie- als auch Hybrid-Elektrofahrzeuge erfüllen diese Forderung durch ihre hohe Energieeffizienz, die Fähigkeit erneuerbare Energien zu verwenden, sowie durch Rekuperation, die Rückgewinnung von Energie. Die Markteinführung von Elektrofahrzeugen wird aber immer noch durch die Reichweiten und Preisproblematik gebremst.
Um diese Herausforderungen zu meistern, wird im Projekt INTEGRA eine nachhaltige Verbesserung der Effizienz des Gesamtsystems durch High-Speed-Drives angestrebt. Denn je schneller ein Motor dreht, desto geringer ist sein Volumen und Gewicht für die geforderte Leistung. Im Vergleich zum Stand der Technik bietet also die angestrebte High-Speed-Drive Motor-Getriebeeinheit folgende Verbesserungen: erhöhte Leistungsdichte der Ansteuerelektronik, gesteigerte Energieeffizienz durch neue Ansätze bei hochdrehenden Getrieben, Kostenreduktion und verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit.
Ziele und Innovationsgehalt
- Eine wesentlich erhöhte Leistungsdichte der Ansteuerelektronik im Vergleich zu bisherigen Lösungen (700 W/inch³, Gewichts-/Volumenreduktion bis zum Faktor 3).
- Deutlich gesteigerte Energieeffizienz durch Erhöhung der E-Motordrehzahlen bis zu 120.000 UpM mit Wechselrichterfrequenzen größer 140 kHz.
- Entwicklung und Kombination von neuen aktiven und passiven Bauelementen und Materialien inklusive Verbindungstechnik (SiC-MOSFETs, CeraLink™ Kapazitäten, AlN-Substrate, Silbersintern).
- Simulationsgestützte Entwicklung und Aufbau einer innovativen integrierten Kühlvorrichtung mit Ausnutzung turbulenter Strömungen und Einsatz neuer Fertigungstechnologien (3D-Druck)
- Entwicklungen im Bereich von Low-Loss-Zahnradstrukturen mit neuen Materialien und Herstellprozessen (3D-Druck) um nachhaltig die Effizienz von Getrieben zu steigern.
Angestrebte Ergebnisse und Erkenntnisse
- Forschungsdemonstrator einer High-Speed-Drive Motor-Getriebe-Einheit inklusive der Ansteuerung und aller dafür notwendigen Komponenten.
- Gewinnung wesentlicher Erkenntnisse zur Bewältigung der thermischen und thermomechanischen Herausforderungen für zukünftige hochintegrierte Designs im Zusammenspiel des Einsatzes neuer innovativer Materialien, komplexer Bauelemente und Fertigungsmethoden.
- Reduktion der Kosten pro Leistungseinheit um 25 Prozent. Die wichtigsten Hebel hier sind der verringerte Materialeinsatz bei allen Komponenten durch Verwendung von höheren Drehzahlen und Schaltfrequenzen.
- Verbesserung der Electromagnetic-Interference-Eigenschaften durch Smart System Integration.