Forschungsbericht 2015

MOREA
InES
in low ppm range are expected in systems composed of
elements from 60 individual emitters, for example. These
high reliability standards contribute to the high costs associated
with the modules, but they are an important aspect
of automotive innovation. Therefore, rigorous testing standards
must be developed and introduced to guarantee the
required level of reliability and long lifetime in LED modules
before the headlamp installation.
To establish intelligent lighting in the mid-size automobile
sector, these important questions of cost and reliability
need to be addressed. This is the focus of the research
project described here. Its concrete goal is the development
and comprehensive testing of a novel LED matrix module for
use in compact and inexpensive adaptive (intelligent) lighting
applications. These should be affordable and practical
solutions for mid-size consumer automobiles. To that end,
new packaging concepts and processes will need to be
invented, i.e. a flux-free, high standard soldering process of
LED elements. A demonstration model is used in the project
based on the locally-developed technologies.
Maximilian Schmid is responsible for developing an
appropriate LED driver topology according to the demands
and definition of the LED matrix.
To determine the quality and reliability of the LED
module, the project researchers are developing a testing
system based on transient thermal analysis that can be
used to evaluate the module prior to installation. Based
on the temperature dependency and the forward voltage
(V f
), the thermal resistance of construction elements in the
high performance electronics can be determined via time
resolved measurement of the forward voltage after switching
the thermal load. The method can be used to provide
structural information about the construction components
including the recognition of cracks or delamination in the
thermal path. The test can be undertaken in situ during
accelerated reliability testing or even immediately after the
manufacturing of the module.
The testing procedure requires some complex
computer-supported technology, since the forward voltage
levels (V f
) must be filtered, recalculated and adjusted
several times in order to provide a plausible representation
of the system. These algorithms need to be developed
based on fundamental theories of numerical mathematics,
signal processing, and signal and system analysis. These
together form the task undertaken by project member Alexander
Hanss.
Simulations of the high-power LEDs employing finite
element (FE) methods serve as a supporting diagnostic.
These permit the examination of thermal and mechanical
processes and effects and allow them to be represented to
determine correlations in the testing procedure itself. Likewise
small physical changes in the LEDs themselves can
be perceived and investigated which has, in practice, been
difficult or even impossible until now.
konzept realisiert und ein Prozess entwickelt, um unverpackte High Power-
LEDs mit rückstandsfreier (flussmittelfreier) Lotpaste porenfrei zu kontaktieren.
In dem Projekt wird basierend auf den neuen Technologien ein Demonstrator
aufgebaut. Hierfür wird Maximilian Schmid nach Definition und Spezifizierung der
LED-Matrix und Optik eine geeignete LED und Treiber Topologie erarbeiten und
aufbauen.
Für die Qualitäts- und Zuverlässigkeitsbewertung des LED-Moduls wird basierend
auf der transienten thermischen Analyse ein Testverfahren entwickelt, mit
dem die Module vor dem Einbau in den Scheinwerfer auf Zuverlässigkeit getestet
werden können. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung
(Vf) kann der thermische Widerstand von Bauteilen der Leistungselektronik
über zeitaufgelöstes Messen der Vorwärtsspannung nach einem Schaltvorgang
bestimmt werden. Die Methode kann auch zur Ermittlung struktureller Information
über das Bauteil verwendet werden, d.h. Risse und Delamination im thermischen
Pfad können erkannt werden. Dieser Test kann In-Situ während beschleunigter
Zuverlässigkeitstests oder direkt nach der Fertigung eines Modules zur
Qualitätskontrolle durchgeführt werden.
Die Messmethode benötigt aufwendige computergestützte Berechnungen,
da die gemessene Vorwärtsspannung (Vf) hierbei mehrmals gefiltert, umgerechnet
und angepasst werden muss, um anschließend eine aussagekräftige
Darstellung zu erhalten. Diese Algorithmen müssen auf Grundlage der Theorien
der numerischen Mathematik, digitalen Signalverarbeitung und Signal- und Systemanalyse
erarbeitet und umgesetzt werden. Dies ist die Aufgabe von Projektmitarbeiter
Alexander Hanß.
Als unterstützendes Werkzeug werden Simulationen der High-Power-LEDs
mit Hilfe der FE (Finite Elemente) Methode erstellt. Dadurch können thermische
und mechanische Verläufe bzw. Effekte anschaulich dargestellt und die Korrelation
zum erstellten Messverfahren überprüft werden. Ebenso können hiermit leicht
physikalische Veränderungen der LED untersucht werden, welche in der Praxis
nicht oder nur schwer umzusetzen wären.
Abb1: Adaptives Fernlichtkonzept der Philips GmbH basierend auf einer LED Matrix.
In dem Projekt SmartLed werden auf Basis modernster, noch kleinerer High Power
LED Bausteine neue Konzepte realisiert und getestet. Foto: Philips GmbH
FÖRDERGEBER
Funding
Kooperationspartner
Partners
Förderkennzeichen 03FH008IX4
D
ie Forschungsarbeiten des InES sind innerhalb der Technologiefelder
Bioenergietechnik, Energiesystemtechnik und Solarenergietechnik
angesiedelt. Die anwendungsorientierten Forschungsvorhaben werden
überwiegend in Zusammenarbeit mit mittelständischen Industriepartnern sowie
mit Forschungseinrichtungen und Partnerhochschulen durchgeführt.
Forschungsprojekte des Technologiefelds Bioenergietechnik widmen sich der
nachhaltigen Bereitstellung von Energie aus nachwachsenden Rohstoffen. Die
Anlagentechnik von Holzheizkraftwerken und Biogasanlagen bilden dabei den
Schwerpunkt. Im Technologiefeld Solarenergietechnik fokussieren sich InES-
Wissenschaftler auf Forschungsfragen zur solaren Wärme- und Kälteversorgung
sowie die Optimierung der Komponente Solarkollektor. Die Forschungsprojekte
im Technologiefeld Energiesystemtechnik konzentrieren sich auf systemische
Fragestellungen der Energiebereitstellung. Beispiele hierfür sind Nahwärmesysteme
oder die effiziente industrielle Energienutzung.
Noch stärker in die Praxis geht InES mit dem regionalen Innovationsnetzwerk
RegIN+, bei dem Wissenstransfer und Vernetzung im Vordergrund stehen.
Die Internationalisierung wird unter anderem mit dem EU-Projekt „Network
of Energy Excellence for Development“ vorangetrieben. Eine Auswahl der
bisherigen Forschungsprojekte ist in Tabelle 1 aufgelistet. Projektsteckbriefe
zu den einzelnen Projekten sind online abrufbar unter www.RegIN-plus.de/
wissenslandkarte.
Institutsleitung
Institute Management
Prof. Dr.-Ing. Wilfried Zörner
Tel: +49 (0) 8 41 / 93 48 – 22 70
wilfried.zoerner@thi.de
Dr. Christoph Trinkl
Tel: +49 (0) 8 41 / 93 48 – 3 72
christoph.trinkl@thi.de
Erneuerbare Energien
an der THI
Am Institut für neue Energie-Systeme (InES) betreiben gegenwärtig vier
Professoren sowie fünfzehn wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktoranden
angewandte Forschung im Bereich Technik Erneuerbarer Energien.
Renewable Energy at the THI
The Institute of new Energy Systems (InES) is a platform
for applied research in the field of renewable energy
technology where currently four professors and fifteen
researchers are involved in various research projects.
The research activities of InES are focusing on the
following fields of technology: Bioenergy Technology, Energy
System Technology and Solar Energy Technology. Typically
research projects are implemented in close co-operation
with both renewable energy technology companies as well
as research institutions and international partner universities.
Individual project funding is typically provided by
regional, federal and European institutions or alternatively
through industrial contract research. Next to technologically-oriented
research projects InES activities aim at both
regional and international networking and collaboration. For
instance, the regional innovation network RegIN+ is implemented
together with various regional industrial partners
from the renewable energy business. And besides, since
2014 InES jointly develops a Network of Energy Excellence
for Development together with five research partners in sub-
Sahara Africa. Learn more about this large-scale EU-funded
collaboration project at www.need-project.org.
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