Hocheffiziente Energiewandlung durch den Einsatz von KI

Projekt (Akronym)

Neue Wege der Wirkungsgradsteigerung von Umrichterendstufen mittels Künstlicher Intelligenz

Fördermittelgeber*in

Gesellschaft für Energie und Klimaschutz Schleswig-Holstein GmbH (EKSH)

Fördersumme

149.912 €

Kurzbeschreibung

Die Leistungselektronik ist ein Schlüssel zur Erreichung einer CO2 neutralen Gesellschaft bis ins Jahr 2050. Um eine CO2-Neutralität zu erreichen, muss die Energieerzeugung im Bereich Wind- und Solarenergie ausgebaut werden und die Herausforderungen der Umstellung des Verkehrs auf CO2-neutrale Antriebe gelöst werden. Zudem muss die Wärmeerzeugung in den Haushalten z. B. über Wärmepumpen ebenfalls CO2 neutral erfolgen. Exemplarisch sei hier auch die Wasserstofferzeugung oder die Stromerzeugung mittels Brennstoffzellen genannt. In all den oben genannten Anwendungen kommen Leistungshalbleiter zum Einsatz.

In Zukunft wird jede erneuerbar erzeugte Energie mehrere solcher leistungselektronischen Wandlerstufen durchläuft, bis sie in der Zielanwendung eingesetzt wird. Ein schlechter Wirkungsgrad erfordert eine sehr große Menge an weiterer Energieerzeugungsanlagen. Daher ist ein extrem hoher Wirkungsgrad dieser Wandler essentiell. 
Im Kern dieser Wandler stecken leistungselektronische Schalter z. B. aus Silizium, Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Die beiden letztgenannten sind neue Materialien mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften hinsichtlich Durchlasswiderstand und Schaltgeschwindigkeit. Diese Eigenschaften können aber erst mittels neuer mechatronischer Aufbautechnologien von Leistungsmodulen und Anbindungen an Zwischenkreiskondensatoren genutzt werden. Die Leistungsmodule sind hinsichtlich ihrer Elektrik als auch Thermik zu optimieren. Genauso wie die Anschlüsse und Busbarsysteme bis hin zum Kondensator. Bisher erfolgte die geometrische Auslegung / Optimierung dieser komplexen Systeme meist klassisch mittels Simulation lediglich mit einer systematischen linearen Parametervariation. D. h, Positionen von Chips oder Längen und Dicken von Kupferanschlüssen wurden systematisch variiert. Die Komplexität der Änderungen ist in diesem Fall sehr begrenzt und damit auch das Finden eines optimalen Aufbaus. Im Zuge dieses Projektes soll mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) der Entwicklungsprozess für hocheffiziente Leistungsmodule optimiert werden. D. h. eine KI soll die optimalen Positionen Längen etc. finden. Außerdem soll durch den Einsatz von KI der Entwicklungsprozess beschleunigt werden. Die Herausforderung besteht darin, solch komplexe Strukturen im Simulationsprogramm mit einem KI-Algorithmus zu verbinden. Zum anderen müssen passende KI-Algorithmen und Optimierungskriterien bestimmt werden.
Dieser neue Ansatz ist eine kleine Revolution in der Entwicklung von leistungselektronischen Wandlern und wird zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung führen, die zum Gelingen der Energiewende beiträgt.

Ansprechpartner*in

Prof. Dr. Ulf Schümann

Projektpartner*innen

Danfoss Silicon Power GmbH