HEAP - Holistische Optimierung von elektrischen Antriebssträngen in Pumpenapplikationen

HEAP erarbeitet innovative komponentenübergreifende Prozesse zur Auslegung eines elektrischen Antriebsstrangs. HEAP macht es durch eine ganzheitliche Simulation von Motor, Leistungselektronik, Hydraulik und Regelung möglich, den elektrischen Antriebsstrang als Ganzes in einer iterativen Simulation mit automatisierter Variation gezielt gewählter Parameter zu optimieren. Durch Einbindung einer Kosten-/Nutzenabschätzung resultiert ein Werkzeug zur effektiven Planung einer für Umwelt, Anwender und Hersteller attraktiven Produktpalette. Das hierzu erforderliche übergreifende Simulationswerkzeug wird in diesem Projekt entwickelt. Offene Schnittstellen ermöglichen die Einbeziehung erweiterter Modelle und neuer technologischer Entwicklungen, so dass Produktinnovationen schnell und gezielt möglich werden. Im Labor für Leistungselektronik und elektrische Antriebe der FH Münster wird das Teilvorhaben "Entwicklung und Modellierung von innovativen leistungselektronischen Stromrichtersystemen auf Basis neuartiger Wide-Bandgap-Halbleiterbauelemente" bearbeitet.

Das Projektvorhaben wird in die fünf Arbeitspakete Projektmanagement, Modellerstellung und Systemcharakterisierung, Ökonomische Randbedingungen und Optimierungsmethoden, Versuchsstandaufbau – Messungen – Analysen sowie Werkzeuge für Simulation und Optimierung unterteilt. Die Arbeitspakete bauen auf einander auf und führen von existierenden Modellen für alle Systemkomponenten über die Entwicklung geeigneter Schnittstellendefinitionen und Aggregationsmechanismen zu einer flexiblen und parametrierbaren Gesamtbeschreibung. Eine Verifikation der einzelnen Schritte und des Gesamtergebnisses am Versuchsstand begleitet diese Arbeiten. Innovativ ist auch die direkte Einbeziehung erwarteter Kosten und deren Berücksichtigung bei der systemübergreifenden Optimierung, um so unverhältnismäßig teure Lösungen ausschließen zu können. Für die Optimierung sind geeignete Werkzeuge auszuwählen oder neu zu entwickeln, damit ein adäquates Ergebnis in angemessener Zeit erzielt werden kann. Eine besondere Herausforderung des Projektes ist die Spannweite von Stromrichtertopologien und zur Ansteuerung verwendeten Pulsmustern sowohl für den Netzanschluss als auch für den Betrieb der Antriebsmaschine über verschiedene Typen von Antriebsmaschine mit den zugehörigen Auslegungsvarianten bis hin zur Pumpe und deren Arbeitspunktgestaltung – und all dies unter Einbeziehung von Kostenaspekten. Eine enge Vernetzung der Arbeitspakete und ein gezielt gewähltes interdisziplinäres Konsortium ermöglicht die Projektbearbeitung.

Der Gesamtwirkungsgrad eines Pumpensystems wird unter gezielter Gewichtung der Arbeitspunkte optimiert. Eine Minimierung der Kosten zielt auf einen günstigen Preis bei hoher Effizienz. Marktrelevante Produkte resultieren, welche eine hohe CO2-Reduktion bewirken. Die Umwelt profitiert von reduziertem Energieverbrauch vor allem in der Betriebsphase, aber auch bei Herstellung, Entwicklung und Test: Materialeinsparung und Energieeinsparung resultieren. Die Nutzer von elektrischen Antriebssystemen profitieren von energieeffizienteren und dennoch kostengünstigen Produkten mit sehr kurzer Amortisationszeit. Für Hersteller wird der Entwicklungsprozess schneller und besser steuerbar, zudem führt er näher zum gewünschten Gesamtoptimum. Insgesamt wird der Innovationsstandort Deutschland gestärkt und das Erreichen Energie- und Klimapolitischer Ziele wird unterstützt. Eine konservative Abschätzung lässt mittelfristig eine Einsparung von mehr als 7,5 TWh bzw. 4 Megatonnen CO2 erwarten.