Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Neue Methoden zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Leistungselektronik

Integrierte Prüf- und Testumgebung zur Bewertung von Leistungselektronik

Leistungselektronische Komponenten der Elektromobilität sind hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt, überlagert mit Vibrationen aus dem Fahrbetrieb. Ziel des Projekts war die Erarbeitung der Herangehensweise zur schädigungsrelevanten Kombination dieser Lasten, deren prüfstandstechnische Abbildung sowie ihre numerische Simulation. Zuvor war eine solche in sich geschlossene Methodik nicht verfügbar.

Leistungselektronik auf dem Shaker, mit den elektrischen Zu- und Ableitungen der emulierten Batterie und E-Maschine.
Fehlernetz der probabilistischen FMEA zur Berechnung quantitativer Ausfallwahrscheinlichkeiten.

Experimentelle Testumgebung

Innerhalb des Projekts wurde eine neuartige experimentelle Testumgebung entwickelt. Diese ermöglicht es, den Inverter realitätsnah zu betreiben, indem die Batterie und die E-Maschine emuliert werden. Durch Verwendung realer Betriebsszenarien können somit realistische thermomechanische Lastzustände der Elektronik experimentell simuliert werden. Zeitgleich können mechanische Vibrationen aufgeprägt werden. Es ist somit möglich, das gesamte Belastungskollektiv – bestehend aus dem elektrothermischen und dem Vibrationsanteil – realitätsnah experimentell zu simulieren.

Numerische Simulation

Parallel zur experimentellen Testumgebung wurde eine numerische Simulationsumgebung entwickelt. Wissenschaftler im Fraunhofer LBF erarbeiteten hier Methoden zur Simulation des Schädigungseintrags durch Vibrationsbelastung in elektronische Bauteile. Dazu wurde für die betrachtete Treiberplatine eine Schädingungslandkarte entwickelt, die eine Vorabbewertung kritisch belasteter Bereiche der Platine
ermöglicht. Darauf aufbauend können kritische Bauteile einer gesonderten, detaillierteren Simulation unterzogen werden. Dies mit dem Ziel, eine quantitative Ausfallwahrscheinlichkeit abzuschätzen.

Probabilistische FMEA

Ein weiterer wesentlicher Inhalt des Projekts ist die Einbindung der Ergebnisse aus der experimentellen und numerischen Simulation in eine übergeordnete Systembewertung. Dazu hat das LBF zusammen mit Projektpartnern eine neuartige Variante der FMEA entwickelt, die sogenannte probabilistische FMEA (probFMEA)  Mit dieser ist es künftig möglich, mit Assessment of the reliability and safety of power electronics in e-mobility. quantitativen Ausfallwahrscheinlichkeiten statt wie bisher mit qualitativen Risikoprioritätszahlen zu arbeiten. Auf diese Weise können solche auf Komponentenebene vorliegende Werte auf Systemebene zur Systemausfall-Wahrscheinlichkeit zusammengeführt werden. Zudem sind frühzeitige Kritikalitätsbewertungen im Designprozess
möglich, um kritische Designvarianten zu identifizieren.