System für die flexible Erprobung von modellbasierten prädiktiven und künstlich intelligenten Regelungsverfahren in der elektrischen Antriebstechnik

Fachbereich: Embedded Systems

Themengebiet

• Embedded Systems
• Regelung elektrischer Maschinen
• Leistungselektronik
• Künstliche Intelligenz

Themabeschreibung:

Die Anforderungen an die Regelung von leistungselektronischen Systemen steigen durch den vermehrten Einsatz von Multi-Level Umrichtern, Multi-Phasen Antrieben, SiC- & GaN-basierten Leistungshalbleitern sowie der Optimierung von Energieeffizienz und Systemdynamik durch komplexe Regelverfahren wie der modellprädiktiven Regelung (MPC) oder KI-basierten Methoden kontinuierlich an. Die genannten Technologien sind für die Zukunftsfelder E-Mobilität (Traktionsantrieb, Schnellladen, induktives Laden), More-Electric Aircraft und erneuerbare Energien von strategischer Relevanz.

Projektziele:

Ziel des Forschungsprojekts KI-Power ist eine flexible, modulare und hochperformante Plattform für die Forschung & Entwicklung von neuartigen Ansteuer- und Regelungskonzepten im Bereich von leistungselektronischen Systemen zur Verfügung zu stellen, welche als „Enabler“ für die Industrialisierung dieser Technologien dient. Hierdurch soll zum einen die Innovationsgeschwindigkeit, Vertrauenswürdigkeit und Technologiesouveränität in den Zukunftsfeldern erhöht werden. Zum anderen wird ermöglicht, dass die Konzepte in den Maschinenbau sowie die industrielle Antriebstechnik eingehen.

Projektphasen:

Im Rahmen der ersten Förderphase wurde die Open-Source-Plattform UltraZohm erforscht, entwickelt und erfolgreich erprobt. Diese basiert auf einem modernen System-on-a-Chip (Zynq UltraScale+ MPSoC), das mehrere Prozessoren sowie ein Field-Programmable Gate Array (FPGA) in einem Chip vereint und die nötige Rechenleistung für KI und MPC bereitstellt. Die Leistungsfähigkeit der Entwicklungsplattform hinsichtlich der Ausführung komplexer Regelungsalgorithmen, insbesondere Reinforcement Learning und MPC, wurde experimentell verifiziert und die Ergebnisse veröffentlicht.

Projektphasen:

Die zweite Förderphase von KI-Power soll die Verstetigung der Projektergebnisse sowie die Verwertungsmöglichkeiten entscheidend verbessern. Der Fokus liegt, ausgehend von der Entwicklung der Plattform in der ersten Förderphase, auf der Breitenwirkung und der Steigerung der Bekanntheit der Plattform. Um dies zu erreichen und die Bildung einer aktiven Nutzer-Community der Open-Source Entwicklungsplattform zu fördern, ist die Durchführung eines Innovationswettbewerbs geplant. Der Anreiz zur Teilnahme am Wettbewerb soll über gesponserte Preise aus der Industrie geschaffen werden. Des Weiteren soll die nachhaltige Weiterentwicklung der Open Source-Plattform über die Projektlaufzeit hinaus sichergestellt werden. Die zu erarbeitende Kerninnovation der zweiten Förderphase besteht in der Ausweitung des bisher auf Prüfstands- und Laboraufbauten beschränkten Rapid-Control-Prototypings (RCP) auf die Erprobung der Verfahren unter realen Einsatzbedingungen. Hierzu soll eine Miniaturisierung der vorhandenen Plattform mit gleichen Hardwarekomponenten entstehen. Das Konzept sieht die Nutzung von identischer Software auf dem flexiblen Prüfstandssystem (UltraZohm) und der miniaturisierten Variante vor, wodurch der aufwendige und fehleranfällige Wechsel der Berechnungsplattform innerhalb der Entwicklungsphasen entfällt. Somit beschleunigt die Plattform den gesamten Forschungs- und Entwicklungsprozess, indem neuartige Regelungsverfahren von Prüfstandsaufbau über den integrierten Antriebsstrang am Prüfstand bis hin zu Versuchsträgern evaluiert werden können.

Das Institut für leistungselektronische Systeme (ELSYS) ist hierbei für die Gesamtprojektleitung des Verbundprojekts zuständig. Des Weiteren organisiert das Insitut ELSYS den Innovationswettbewerb, um die Bildung einer aktiven Nutzer-Community der Open-Source Entwicklungsplattform zu fördern. Parallel forscht das Institut ELSYS an der Entwicklung von modular aufgebauter Leistungselektronik sowie an neuartigen Regelverfahren auf Basis von MPC sowie KI-Verfahren.

Projektpartner:

• Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
• KARING GmbH
• MACCON GmbH & Co. KG
• Trenz Electronic GmbH
• ZF Friedrichshafen AG
• Zohm Control GmbH
• Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
• Technische Universität München - Lhst. f. Hochleistungs-Umrichtersysteme (HLU)

Bearbeitungsstand: 01.2024