Beitrag zur automatisierten, modularen Modellierung, Simulation und Auslegung leistungselektronischer Konverter mittels eines Open-Source-Software-/Hardware-Baukastens

• Antragsteller: Dr.-Ing. Frank Schafmeister; Professor Dr.-Ing. Oliver Wallscheid
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532717917

Leistungselektronische Konverter erfüllen eine Vielzahl von Aufgaben in heterogenen Anwendungen und sind eine Schlüsseltechnolgie der modernen Industriegesellschaft. Zur Auslegung in Bezug auf Kriterien wie Bauraum, Gewicht, Effizienz oder Regelungsperformanz werden häufig heuristische Regeln sowie historisch gewachsene Auslegungsskripte basierend auf proprietärer Software genutzt. Typische Auslegungsketten basieren zudem maßgeblich auf der Erfahrung domänenspezifischer Experten:innen. In der Regel sind diese Prozesse nicht öffentlich bekannt, sondern diese werden als geistiges Eigentum von Unternehmen und Forschungsinstitutionen geheim gehalten. Dies behindert den wissenschaftlichen Austausch in der leistungselektronischen Community, erzeugt einen enorm hohen menschlichen und zeitlichen Aufwand für die Auslegung leistungselektronischer Konverter und behindert das Heben von Potentialen zur Erreichung bestmöglicher Auslegungen in Bezug auf die typischen Zielkriterien. Dieser maßgeblich durch Experten:innen getriebene manuelle Auslegungsprozess verursacht zudem hohe Kosten sowie Kapazitätsengpässe zur Realisierung vielfältiger leistungselektronischer Projekte in Zeiten des fortschreitenden Fachkräftemangelns. Auch in Kombination mit signifikanten Lizenzgebühren der diversen typischen proprietären Modellierungs- und Simulationssoftwaretools werden kleine und mittlere Unternehmen aber auch zunehmend Forschungsinstitute vor große finanzielle Herausforderungen gestellt. An dieser Stelle setzt das vorliegende Projekt an und schlägt gegenüber dem etablierten Stand der Technik und Forschung einen gänzlichen anderen Weg vor: durch Etablierung eines Open-Source Software- und Hardwarebaukastens für die automatisierte sowie modulare Modellierung, Simulation und Auslegung leistungselektronischer Konverter soll der wissenschaftliche Austausch angeregt sowie gemeinsame Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durch quelloffene Methoden zukünftig erleichtert werden. Durch entsprechend abgestimmte Softwareschnittstellen (bspw. zur Co-Simulation auf elektrischer, thermischer und mechanischer Ebene) soll ein generalisierbares Baukastensystem erarbeitet werden, welches es ermöglicht verschiedenste leistungselektronischer Bauelemente sowie Konverterdesigns in kürzester Zeit zu analysieren, vergleichen sowie zu optimieren. Mittels eines konsequenten Open-Science Rahmens in Bezug auf Software- und Hardwaremethoden, experimentelle Daten sowie wissenschaftliche Veröffentlichungen soll in diesem Projekt der Grundstein für eine offenere, gemeinschaftlichere Arbeitskultur innerhalb der leistungselektronischen Community gelegt werden. Als wissenschaftliche Fragestellung gilt es hierbei zu untersuchen, ob diese auf Open-Science basierende neue Arbeitskultur in der Leistungselektronik (langfristig) tatsächlich bessere leistungselektronische Konverter im Sinne der üblichen Zielgrößen herbeiführen und ob hierbei der menschliche Aufwand pro Auslegungsvorgang reduziert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen