Slimmere stroomschakeling voorkomt stilvallen elektrische auto

Zonder het te weten heeft vrijwel iedereen dagelijks te maken met vermogenselektronica. Deze elektronische schakelingen zetten elektrische energie, uit het stopcontact of uit batterijen, om naar de juiste spanningen en stromen voor onder meer processoren, lampen en elektromotoren, in bijvoorbeeld mobieltjes en elektrische auto’s. Gaat de vermogenselektronica kapot, dan vallen ze stil. Betere betrouwbaarheid is daarom belangrijk. Erik Lemmen, onderzoeker van de Technische Universiteit Eindhoven, promoveert 23 februari op dit onderwerp.  

Bij vermogenselektronica gaat het vaak om grote vermogens, tot meer dan 500 kW in een elektrische auto of bus bijvoorbeeld. Het eerste dat kapot gaat, zijn vaak de halfgeleiderschakelaars in de vermogenselektronica, met als gevolg dat je met je elektrische auto aan de kant van de weg staat. Om dat te voorkomen, zou je de vermogenselektronica dubbel uit kunnen voeren, maar dat is duur. De meest gebruikte oplossing is kiezen voor veel zwaardere vermogenselektronica, waardoor de faalkans kleiner wordt. Maar uiteindelijk gaat het toch een keer kapot.  

Bij accu’s of batterijen is er nog een probleem. Een accupakket is opgebouwd uit veel kleine batterijcellen. Binnen zo’n pakket bepaalt de zwakste batterijcel de kwaliteit van het gehele accupakket. Op het moment dat de slechtste cel leeg is, is het accupakket leeg. Wanneer een cel kapot is, is het accupakket onbruikbaar. Vooral bij grote pakketten is dat een probleem, doordat daarin de kans groter is dat een van de cellen het voortijdig begeeft. Bovendien is de financiële schade groter.  

Het basiselement in vermogenselektronica is momenteel de ‘commutation cell’. In dit promotie-onderzoek is de zogenaamde extended commutation cell (ECC) ontwikkeld en gepatenteerd. Die is gebaseerd op het idee om alle elektronische onderdelen op een slimmere manier te laten samenwerken. De ECC vangt het wegvallen van een (halfgeleider)schakelaar op door het defecte component automatisch te omzeilen. Je verliest hiermee wat uitgangsvermogen, maar het is bij wijze van spreken nog mogelijk om met 100 kilometer per uur naar de garage te rijden.  

Daarnaast biedt de ECC extra kwaliteit en functionaliteit tijdens normaal bedrijf. Door kleine ECC’s te plaatsen bij elke batterijcel van een accupakket, is het mogelijk om elke batterijcel individueel te benaderen. Daarmee is het mogelijk om zeer betrouwbare accupakketten te maken, waarbij de zwakste batterijcel niet meer bepaalt wanneer het accupakket leeg of kapot is. Daardoor komt er weliswaar veel vermogenselektronica bij in een accupakket, maar het gaat om kleine, goedkope eenheden. Doordat de cellen minder streng geselecteerd hoeven te worden, kan de prijs van een accupakket zo op termijn mogelijk lager uitvallen.  

Verder is het door de eigenschappen van de schakelstructuur ook meteen mogelijk om een variabele uitgangsspanning te maken, en zo direct een elektromotor te regelen. Met dit onderzoek is er een stap gemaakt in de richting van betrouwbaardere vermogenselektronica. In de komende jaren zal dit onderzoek voortgezet worden, en op termijn zal het resulteren in betere, goedkopere maar vooral ook betrouwbaardere vermogenselektronica en accupakketten.

Erik promoveert op zijn proefschrift The Extended Commutation Cell, A path towards flexible multilevel power processing. Zijn promotor is hoogleraar Elena Lomonova. De verdediging vindt plaats donderdag 23 februari 2017 om 16:00 in het Auditorium van de TU/e, zaal 4.

 

Erik won vorig jaar de Semikron Young Engineer Award 2016. De op zijn naam gevestigde patenten zijn

  • Lemmen, E. & Duarte, J.L. (2016), 4-Switch extended commutation cell, Patent No. US20160064160.
  • Lemmen, E., Duarte, J.L., Drabbe, M. C. M. & Maar, J. R. G. (2016), Flexbattery, Patent No. PCT/EP2016/079 578.

 

 

Zie ook: https://www.cursor.tue.nl/nieuwsartikel/artikel/prijs-tue-promovendus-voor-betrouwbaardere-elektronica/