Elektromobilität Testumgebung für Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen

Redakteur: Beate Christmann

Fraunhofer-Forscher haben eine Testumgebung für leistungselektronische Komponenten von Elektrofahrzeugen entwickelt, um diese auf Zuverlässigkeit und Sicherheit zu prüfen. Das gesamte Belastungskollektiv soll realitätsnah experimentell simuliert werden können, was den Entwicklungsaufwand reduzieren soll.

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Der neue Prüfstand im Fraunhofer-LBF für leistungselektronische Komponenten von E-Fahzeugen kombiniert mechanische Vibrationsbelastung und elektrothermische Belastung zu einem realitätsnahen Lastprofil.
Der neue Prüfstand im Fraunhofer-LBF für leistungselektronische Komponenten von E-Fahzeugen kombiniert mechanische Vibrationsbelastung und elektrothermische Belastung zu einem realitätsnahen Lastprofil.
(Bild: Fraunhofer-LBF/U. Raapke)

Leistungsmodule regeln die effiziente Energieversorgung des Antriebs, der Batterie und der Bordelektronik. Entsprechend hoch sind die Ansprüche im Fahralltag, wo die leistungselektronischen Komponenten hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind, dazu noch überlagert von Vibrationen aus dem Fahrbetrieb. Bislang gab es keine in sich geschlossene Methodik, welche die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Leistungselektronik bewertet. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Verbund-Projekts „Integrierte Prüf- und Testumgebung für Leistungselektronik“ (Intelekt) hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF eine neue Prüfumgebung entwickelt, die diese Lücke schließt.

Realistische thermomechanische Lastzustände der Elektronik

Die Testumgebung bringt alles unter ein Dach: die schädigungsrelevante Kombination der Lasten, deren prüfstandstechnische Abbildung und ihre numerische Simulation. Sie soll es ermöglichen, den Inverter des Elektrofahrzeugs realitätsnah zu betreiben, indem die Batterie und die E-Maschine nachgeahmt werden. Weil Szenarien aus dem Fahrbetrieb zum Einsatz kommen, lassen sich so laut Entwickler realistische thermomechanische Lastzustände der Elektronik experimentell simulieren. Zeitgleich könnten mechanische Vibrationen aufgeprägt werden. Es soll somit möglich werden, das gesamte Belastungskollektiv, das aus dem elektrothermischen und dem Vibrationsanteil besteht, realitätsnah experimentell zu simulieren.

Nach Vorstellung der Wissenschafler werden die Ergebnisse in Zukunft dazu beitragen, den Entwicklungsaufwand zu reduzieren, da die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Designvarianten in früheren Stadien bewertet werden können. Insbesondere für Entwickler aus der Automobilbranche sollen sich dadurch die Entwicklungszeiten verkürzen.

Zusätzliche numerische Testumgebung

Parallel zur experimentellen Testumgebung entwickelten die Darmstädter Forscher zusammen mit den Projektpartnern eine numerische Simulationsumgebung. Dafür erarbeiteten sie Methoden, mit denen sie den Schädigungseintrag durch Vibrationen in elektronische Bauteile simulieren. Für die betrachtete Gatetreiberplatine entwickelten sie eine Schädigungslandkarte, mit der sich kritisch belasteter Bereiche der Platine vorab bewerten lassen. Darauf aufbauend lassen sich kritische Bauteile einer gesonderten, detaillierteren Simulation unterziehen, um für diese eine quantitative Ausfallwahrscheinlichkeit abzuschätzen.

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