DiMoLek – Digitales Lebenszyklus-Monitoring, Härtung und Optimierung

Zuverlässige Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie u. a. in der Energie- und Verkehrswende. Das Projekt DiMoLek widmet sich der Entwicklung digitaler Lebenszyklus-Überwachungssysteme zur Erhöhung der Verfügbarkeit leistungselektronischer Anlagen.

In der heutigen Zeit ist ein Leben ohne eine gesicherte Versorgung mit elektrischer Energie für die Mehrheit der Bevölkerung in Europa nicht mehr vorstellbar. Jedoch wissen die wenigsten Nutzer dieser Energieform, dass sie jeden Tag mehrfach mit der Technologie der modernen Leistungselektronik in Berührung kommen. Die Leistungselektronik hat sich in den letzten Jahren zur Schlüsseltechnologie weiterentwickelt und ist zur Umformung von elektrischer Energie unverzichtbar geworden; sie ist somit ein Enabler für die Energie- und Verkehrswende sowie die damit verbundenen Ziele der angestrebten CO₂-Einsparungen. Beispielsweise ist die breite Einführung der Elektromobilität für die Erfüllung von Mobilitätsbedürfnissen unter Nachhaltigkeitsaspekten ohne Leistungselektronik nicht umsetzbar. Dies gilt auch für Innovationen im Bereich der Medizintechnik und damit verbunden für die Leistungsfähigkeit unseres Gesundheitssystems.

Projektlaufzeit: 01.01.2021 bis 31.12.2026

Der signifikante Zuwachs an Anwendungsfeldern führt zu entsprechend höheren Anforderungen. So steigt der Wunsch nach verbessertem Leistungsvolumen (kW/m³) und Leistungsgewicht (kW/kg) bei möglichst hohem Wirkungsgrad. Auch bei Umwelteinflüssen wie z. B. Schock, Vibration, Feuchte und Staub steigen die Anforderungen deutlich. Darüber hinaus erfordert die zunehmende Integration leistungselektronischer Komponenten in kritische Infrastruktur eine hohe Lebensdauer bzw. eine ausreichende Lastzyklenfestigkeit. Die mit den Schaltvorgängen leistungselektronischer Baugruppen verbundenen Störemissionen sind ferner zu berücksichtigen, insbesondere hinsichtlich der nicht zu überschreitenden normativen EMV-Grenzwerte.

Es besteht ein signifikant ansteigender Bedarf an zuverlässigen bzw. verfügbaren leistungselektronischen Systemen. Verschleiß- bzw. alterungsbedingtes Versagen von Bauteilen ist ein zentraler Kostenfaktor in allen ökonomischen Bereichen und zudem bei sicherheitsrelevanten Systemen ein bedeutsamer Sicherheitsfaktor. Daraus leitet sich die Motivation dieses Forschungsprojektes ab, welche sich mit der Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit leistungselektronischer Systeme beschäftigt. Dieses Ziel soll jedoch nicht nur über die genannte Erhöhung, sondern insbesondere auch durch die Optimierung der Resilienz leistungselektronischer Systeme realisiert werden.

Nachfolgende Abbildung 1 zeigt Störfaktoren bzw. abnorme Betriebszustände, die in leistungselektronischen Anlagen auftreten können und deren Auswirkungen nicht zu einem Systemausfall führen dürfen.

Ein weiterer, vielversprechender Ansatz zur Erhöhung der Zuverlässigkeit besteht in der Härtung leistungselektronischer Systeme. Abbildung 2 präsentiert verschiedene Möglichkeiten, in welchen Bereichen leistungselektronische Komponenten und Systeme gehärtet werden können.

Neben der Härtung und der Optimierung der Resilienz ist eine Erhöhung der zuverlässigen Verfügbarkeit durch die Erforschung und Entwicklung eines universellen digitalen Lebenszyklus-Monitorings möglich. Es ist das Ziel, mittels geeigneter digitaler Modellierung der kritischen Komponenten unter Berücksichtigung von Fehlermechanismen und applikationsspezifischer Lastzyklen sowie der Messung geeigneter Systemgrößen eine Berechnungsmethode anzuwenden, welche den System-User rechtzeitig vor einem Ausfall wichtiger Komponenten informiert.