Diese Abschlussarbeit ist Teil des Forschungsprojekts MEXT.

Hintergrund

Modulare Multilevel-Konverter ermöglichen die Erzeugung hochdynamischer Spannungs- und Stromverläufe und gewinnen in modernen leistungselektronischen Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Im Labor steht ein modular aufgebauter Stimulator zur Verfügung, dessen Leistungsteil aus mehreren in Reihe geschalteten Submodulen besteht. Jedes Submodul verfügt über eine eigene busbasierte Steuerung. Für den gemeinsamen Betrieb der Submodule ist eine koordinierte Ansteuerung erforderlich, um unterschiedliche Stimulationspulse präzise erzeugen zu können.

Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Ansteuerung für den Verbundbetrieb eines modularen Multilevel-Stimulators. Dabei sollen die vorhandenen Submodule synchron angesteuert werden, sodass verschiedene Pulsformen zuverlässig erzeugt und experimentell validiert werden können.

Aufgabenstellung

• Analyse des Stimulators: Einarbeitung in den Aufbau des modularen Stimulators sowie in die vorhandene busbasierte Kommunikations- und Steuerungsstruktur der einzelnen Submodule.
• Entwicklung der Ansteuerung: Konzeption und Implementierung einer übergeordneten Steuerung für den synchronen Betrieb der drei Submodule.
• Pulsformgenerierung: Umsetzung verschiedener Stimulationspulse durch geeignete Ansteuerung der einzelnen Submodule im Multilevel-Verbund.
• Integration & Inbetriebnahme: Einbindung der entwickelten Software in das bestehende System sowie Durchführung erster Funktionstests.
• Experimentelle Validierung: Untersuchung der Synchronisation, Reproduzierbarkeit und Flexibilität der erzeugten Pulsformen anhand geeigneter Messungen.

Schwerpunkte

Embedded Software, Kommunikation und Leistungselektronik

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Hintergrund

In unserem Rapid-Prototyping-Labor werden regelmäßig Leiterplatten, Adapterplatten und mechanische Komponenten auf einer CNC-Fräsmaschine gefertigt. Der halbautomatische Werkzeugwechsel unterbricht den Fertigungsprozess und erhöht den Zeitaufwand sowie die Fehleranfälligkeit. Durch die Entwicklung eines automatisierten Werkzeugwechslers kann die Effizienz der Fertigung gesteigert und die Bearbeitungsprozesse fürs Prototyping weitgehend automatisiert werden.

Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Umsetzung eines automatisierten Werkzeugwechslers für eine vorhandene CNC-Fräsmaschine. Dabei sollen sowohl die mechanische Konstruktion als auch die Ansteuerung und Integration in den bestehenden Fertigungsprozess untersucht und realisiert werden.

Aufgabenstellung

• Anforderungsanalyse & Konzeptentwicklung: Analyse der vorhandenen CNC-Fräsmaschine sowie Recherche bestehender Werkzeugwechselsysteme. Entwicklung eines geeigneten Automatisierungskonzepts.
• Mechanische Konstruktion: Konstruktion eines Werkzeugmagazins sowie der erforderlichen mechanischen Komponenten unter Berücksichtigung der vorhandenen Maschinengeometrie.
• Elektrische Integration & Steuerung: Auswahl geeigneter Aktoren und Sensoren sowie Entwicklung der Ansteuerung und Einbindung in die Maschinensteuerung.
• Implementierung & Inbetriebnahme: Aufbau des Systems, Durchführung erster Funktionstests sowie Optimierung des Werkzeugwechselprozesses.
• Validierung: Untersuchung der Zuverlässigkeit, Wiederholgenauigkeit und Zeitersparnis des entwickelten Systems.

Schwerpunkte

Automatisierung, Mechanik, Kontruktion

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Hintergrund

Die Entwicklung moderner, hocheffizienter Leistungselektronik erlaubt immer höhere Schaltfrequenzen. Um die magnetischen Komponenten (Induktivitäten und Transformatoren) optimal auszulegen, müssen deren Kernverluste präzise charakterisiert werden. Konventionelle Messverfahren stoßen bei Frequenzen über 1MHz oft an ihre Grenzen.

Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist das Design und die Validierung einer dedizierten Messplatine, die eine Charakterisierung von Ringkernen bis mindestens 10MHz ermöglicht.

Aufgabenstellung

• Hardware-Entwicklung & Schaltungsdesign: Konzeptionierung und Schaltplanentwurf einer Messkarte. Die Versorgung erfolgt über ein Standard-12V-Labornetzteil.
• HF-Layout & Signalintegrität: Design eines optimierten PCB-Layouts unter Berücksichtigung von Hochfrequenz-Designregeln (Signal- und Impedanzanpassung bis 10MHz, Minimierung parasitärer Induktivitäten).
• Sensorik & Signalaufbereitung:
  • Integration einer präzisen Spannungsmessung mit integrierter 20dB Dämpfung (Spannungsteiler für den Oszilloskop-Eingang).
  • Integration einer aktiven Strommessung mit Verstärkung (z. B. via Shunt-Widerstand und HF-Operationsverstärker oder schnellem Stromsensor).
  • Bereitstellung der Messsignale über BNC-Anschlüsse zum direkten Anschluss an ein Oszilloskop.
• Mechanisches Interface: Integration einer Vorrichtung zum schnellen und werkzeuglosen Auswechseln der zu testenden Toroidkerne (z. B. über Federkraftklemmen, spezielle Buchsen oder Spannvorrichtungen), um Messreihen effizient durchzuführen.
• Inbetriebnahme & Validierung: Durchführung einer ersten (kleinen) Messkampagne mit definierten Standard-Toroidkernen zur Validierung der Bandbreite, der Phasenkompensation und der berechneten Kernverluste.

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Hintergrund 

In der modernen Leistungselektronik fordern steigende Schaltfrequenzen und kompakte Bauformen innovative Ansätze beim Design passiver Bauelemente. Konventionelle, gesinterte Ferritkerne sind an starre Geometrien gebunden und mechanisch empfindlich. Der Verguss von magnetischen Kompositmaterialien (Ferritpulver eingebettet in eine Epoxidmatrix) erlaubt es, Kerne mit maßgeschneiderten magnetischen Eigenschaften direkt in fast beliebige Zielgeometrien zu gießen.

Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, die Prozesskette von der Materialkomposition bis zur finalen elektromagnetischen Charakterisierung systematisch zu untersuchen.

Aufgabenstellung

• Materialkomposition & Aufbereitung: Recherche und Einwiegen verschiedener Mischungsverhältnisse aus Epoxidharz, Ferritpulver (unter Beachtung und Selektion definierter Korngrößen) und Kieselsäure (als Thixotropiermittel/Füllstoff).
• Prozessentwicklung & Vakuumieren: Optimierung des Misch- und Entgasungsprozesses. Das Evakuieren der viskosen Mischung in der Vakuumkammer zur vollständigen Eliminierung von Lufteinschlüssen ist hierbei ein kritischer Teilschritt.
• Formguss: Verguss der entgasten Mischung in definierte Ringkerne und Steuerung des Aushärteprozesses.
• Prozessstabilitätsuntersuchung: Analyse der Reproduzierbarkeit der hergestellten Kerne (Untersuchung auf Schwindung, Rissbildung, Inhomogenitäten im Gefüge und Dichtevariationen).
• Messtechnische Charakterisierung: Durchführung einer kleinen Messkampagne zur Bestimmung der Induktivität sowie der frequenz- und aussteuerungsabhängigen Kernverluste.

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Hintergrund

Im Rahmen des apE-Projekts wurde eine Piaggio Ape 50 auf einen rein elektrischen Antrieb umgerüstet. Die Traktionsbatterie (12S, ca. 36–50 V) speist den Motorumrichter bislang direkt. Bei hohen Drehzahlen reicht die Batteriespannung jedoch nicht aus, um die benötigte Motorspannung bereitzustellen, sodass der Umrichter in die Feldschwächung gehen muss. Dieser Betriebsbereich erhöht die Verluste und belastet den Umrichter zusätzlich. Ein vorgeschalteter Aufwärtswandler kann die Zwischenkreisspannung anheben, die Feldschwächung überflüssig machen und so den Wirkungsgrad des Gesamtsystems steigern.

Ziel der Arbeit

Ziel ist die Entwicklung eines Aufwärtswandlers zwischen Batterie und Motorumrichter, der die Eingangsspannung von 36–50 V auf eine stabile Zwischenkreisspannung von 60 V wandelt — ausgelegt auf 60 A Dauer- und 100 A Spitzenstrom. Der Wandler soll im Fahrzeug integriert und in einer Probefahrt validiert werden.

Aufgabenstellung

• Modellierung & Auslegung: Aufbau eines Simulationsmodells des Wandlers im Systemkontext (Batterie, Umrichter, Motor), Dimensionierung von Drossel, Leistungshalbleitern und Zwischenkreis sowie Bewertung des Effizienzgewinns gegenüber dem Feldschwäch-Betrieb.
• Hardwareentwicklung: Schaltungsdesign und PCB-Layout der Leistungs- und Ansteuerstufe unter Berücksichtigung der Strombelastung (60 A Dauer / 100 A Spitze), Verlustleistung und thermischen Anbindung.
• Regelung: Entwurf und Implementierung einer Strom-/Spannungsregelung zur stabilen Bereitstellung der 60-V-Zwischenkreisspannung über den gesamten Last- und Batteriespannungsbereich.
• Test & Inbetriebnahme: Charakterisierung des Wandlers am Prüfstand (Wirkungsgrad, Regelverhalten, thermisches Verhalten) und schrittweise Inbetriebnahme im Fahrzeug.
• Probefahrt: Validierung des Systems im realen Fahrbetrieb und Vergleich der Effizienz mit dem bisherigen Direktbetrieb. 😉

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Hintergrund

In Mittel- und Hochspannungsanlagen erschweren starke elektromagnetische Störungen und hohe Potentialunterschiede die zuverlässige Erfassung von Messgrößen. Eine vollständig optische Lösung, bei der sowohl die Energieversorgung als auch die Datenübertragung des Sensors über Lichtwellenleiter erfolgen, bietet hier eine galvanisch getrennte und störungsunempfindliche Alternative zu batterie- oder kupfergebundenen Konzepten. Zum Einsatz kommen dabei Power-over-Fiber über Kunststofflichtwellenleiter (POF) in Verbindung mit LEDs als kostengünstige und augensichere Sender.

Ziel der Arbeit

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines robusten und praxistauglichen Sensors für Strom, Spannung und Temperatur. Der Schwerpunkt liegt auf der mechanischen, thermischen und schaltungstechnischen Reife der einzelnen Baugruppen.

Aufgabenstellung

Zu entwerfen ist zunächst eine präzise, reproduzierbare und langzeitstabile mechanische Anbindung zwischen LED-Emitter und Faser beziehungsweise zwischen Faser und Empfänger, da die Koppeleffizienz maßgeblich die übertragbare Leistung bestimmt. Darauf aufbauend soll die Messfrontend-Schaltung zur isolierten Erfassung von Strom, Spannung und Temperatur konzipiert und aufgebaut werden. Ein weiterer Aspekt ist das thermische Management, also die Auslegung der Kühlung für die im Mehrwattbereich betriebene Hochleistungs-LED, um eine thermische Sättigung zu vermeiden und den Arbeitspunkt zu stabilisieren. Hinzu kommt die Entwicklung eines effizienten und regelbaren Konstantstromtreibers für den optischen Sender sowie die Optimierung der Wandlerschaltung am Empfängerausgang im Hinblick auf Wirkungsgrad und kurzzeitige Lastspitzen. Abschließend werden die Baugruppen integriert und hinsichtlich Bandbreite, Auflösung und Langzeitstabilität messtechnisch charakterisiert.

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