Nachhaltige Mobilitäts- und Energiekonzepte

Forschungsschwerpunkt Nachhaltige Mobilitäts- und Energiekonzepte

Die Hochschule Coburg ist mit dem Schwerpunkt „Nachhaltige Mobilitäts- und Energiekonzepte“ auf der Forschungslandkarte der Hochschulrektorenkonferenz vertreten. Im Bereich Mobilität wird u.a. an der Wechselwirkung unterschiedlicher Kraftstoffe mit Motoren verschiedenen Alters und Bauart, der Optimierung des Energiemanagement von hybriden Antriebssträngen, der Entwicklung zuverlässiger Softwarefunktionen für Antriebsstrang und Fahrwerk im KFZ, an mechatronischen Bewegungssystemne in Kraftfahrzeugen sowie auf dem Gebiet des Innovations- und Prozessmanagements geforscht. Im Bereich Energie stehen hauptsächlich Forschungsfragen zu den Themen Erzeugung, Transport, Verteilung und effiziente Nutzung von Energie im Mittelpunkt des Interesses. Der Forschungsschwerpunkt umfasst folgende Themen:

Funktionale Sicherheit

Prof. Dr. Ralf Reißing arbeitet auf dem Gebiet der Software-Entwicklung für das Automobil. Ein immer größerer Anteil an Fahrzeugfunktionen wird überwiegend in Software realisiert, beispielsweise bei der Vernetzung und beim autonomen Fahren. Die funktionale Sicherheit spielt dabei eine wichtige Rolle. Sie soll gewährleisten, dass es nicht zu Fehlfunktionen der Software kommt und dadurch Personen zu Schaden kommen. Dazu muss bei der Entwicklung sicherheitsrelevanter Systeme auch die Einsatztauglichkeit von Software-Entwicklungswerkzeugen nachgewiesen werden.Prof. Reißing leitet im Technologietransferzentrum Automotive der Hochschule Coburg TAC das Fachressorts „Software und Funktionale Sicherheit“. Seine Arbeitsschwerpunkte sind Beratung, Befähigung von Automobilherstellern und Lieferanten sowie Audits zu den Themen Requirements Engineering, Qualitätssicherung, Test und funktionale Sicherheit.Ein internationaler Austausch des Ressorts mit Fachexperten stellt eine nachhaltige Anpassung der Kompetenzen sicher und schafft so eine wichtige Voraussetzung für eine zielorientierte Unterstützung von Unternehmen.

Schwerpunkte:

• Funktionale Sicherheit
• Automotive Software Engineering
• Requirements Engineering
• Qualitätssicherung und Test

Kraftfahrzeugtechnik und Thermodynamik

Im TAC-Fachressort „Kraftfahrzeugtechnik und Thermodynamik“ von Prof. Dr. Hartmut Gnuschke liegt der Fokus auf dem Verbrennungsmotor mit seinen vielfältigen Fragestellungen der Wirkungsgrad- und
Emissionsoptimierung, auch unter dem Einsatz neuer Kraftstoffe. Im Labor für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrzeuge steht ein Verbrennungsmotorenprüfstand zur Verfügung, an dem für fremd- und selbstzündende Motoren bis 250 kW Leistung thermodynamische Analysen jedweder Art durchgeführt sowie der Einfluss variierender Kraftstoffe im Hinblick auf Wirkungsgrad, Leistung, Emissionen, Geräusch und Verschleißverhalten (Letzteres in Zusammenarbeit mit dem werkstofftechnischen Labor der Hochschule) untersucht werden können.

Mittels anspruchsvoller Messtechnik ist es möglich, den innermotorischen Prozess hoch aufgelöst darzustellen und thermodynamisch zu analysieren. Daraus ergeben sich wertvolle Hinweise, beispielsweise auf die Ursachen von Schadstoffemissionen oder auf wirkungsgradbestimmende Einflussgrößen. Da nicht nur die Messtechnik zur Erfassung und nachfolgenden Analyse der Einflüsse auf den motorischen Betrieb vorhanden ist, sondern ebenso die Werkzeugkette zur effizienten Optimierung der Motorabstimmung mittels statistischer Versuchsplanung zur Verfügung steht, können konkrete Optimierungsaufgaben gelöst werden.

Im Bereich der Thermodynamik kann ein langjähriges Projekt mit einem Hersteller für Fahrzeugklimatisierungen erwähnt werden, das zum Ziel hatte, die durch den Einsatz der Fahrzeugklimatisierung signifikant reduzierte Reichweite mittels Einbeziehung der thermischen Kapazität der Traktionsbatterie wieder zu erhöhen. Das hierbei entwickelte System ermöglicht signifikant höhere Reichweiten im realen Fahrbetrieb.

Schwerpunkte:

• Analyse des motorischen Prozesses
• Emissionsanalyse
• Bauteilanalyse
• Kennfeldoptimierung mittels DoE
• Antriebsstrang, Fahrwerk
• Fahrdynamiksimulation
• Gesamtfahrzeug als thermodynamisches System

Mechatronische Systeme

Das Fachressort „Mechatronische Systeme“ von Prof. Dr. Stefan Gast umfasst alle wesentlichen Eckpunkte der mechatronischen Systementwicklung: den Systementwurf, die prototypische Implementierung mechatronischer Systeme (RCP – Rapid Control Prototyping, Software, Sensor- und Aktorintegration) sowie Tests auf Komponenten- und Fahrzeugebene zur Qualifizierung und Analyse der mechatronischen Systeme.

Dabei kommen modernste Entwicklungswerkzeuge und -methoden zum Einsatz, wie Anforderungsmanagement gemäß ISO 26262 (z.B. DOORS), mechatronische Systemsimulation (Matlab-Familie, SimulationX), System-FMEA (z.B. APIS), prototypische Steuergeräte zur Implementierung software-basierter Algorithmen (DSpace Micro-Autobox, Matlab / Simulink / Stateflow) sowie umfangreiche mobile Messtechnik (Ipetronik Messtechnik und Datalogging, Vector CANape, CANalyzer, CANoe) und Skript-basierte Datenaufbereitung in Matlab unter Nutzung der Methoden des Data Mining.

Schwerpunkte:

• Sensorik und Aktorik im Kraftfahrzeug
• Energiemanagement in Kraftfahrzeugen
• Systemsimulation von mechatronischen Systemen und deren Komponenten
• Rapid Control Prototyping im Kraftfahrzeug

Kraftstoffforschung

Die Kraftstoffforschung der Hochschule Coburg beschäftigt sich mit der Untersuchung regenerativer und konventioneller Kraftstoffe zur Entwicklung nachhaltiger Mobilitätssysteme. Die Hochschule Coburg verfügt über sehr gut ausgestattete Chemielabore, eigene Alterungs- und Analysemethoden, eine hausinterne Sensorentwicklung sowie ein modernes 2019er Motorprüffeld mit einem Allrad-Fahrzeug-Rollenprüfstand, insgesamt drei Vollmotorprüfständen und einem optisch zugänglichen 1-Zylinder Forschungsmotor zur detaillierten Untersuchung spezieller Kraftstoffe.

Zudem wurde eine eigene RDE-konforme (real driving emissions) Testrunde um Coburg entwickelt, auf der Fahrzeuge mit portablen Emissionsmessgeräten im Straßenverkehr untersucht werden. Die Kraftstoffforschung an der Hochschule Coburg bildet also die komplette Untersuchungskette von der Synthese bis hin zum Kundennutzen im Fahrzeug ab.

Vor knapp 20 Jahren wurde die Kraftstoffforschung an der Hochschule Coburg durch Prof. Dr. Jürgen Krahl initiiert. Er ist zwischenzeitlich zum Präsidenten der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe berufen worden. Die Kraftstoffforschung wird seit Mai 2019 von Prof. Dr. Markus Jakob geleitet. Er verfügt über detaillierte Kenntnisse der Motorentechnik, die er u.a. in der Industrie und im Rahmen seiner Promotion an der RWTH Aachen University erworben hat.

Erneuerbare Energien - Photovoltaik

Prof. Dr. Bernd Hüttl lehrt und forscht auf dem Gebiet der Photovoltaik. Zentrales Element des Labors für Photovoltaik und Solare Energiewandlung der Hochschule Coburg ist ein Modul-Flasher der Klasse AAA. Hier können unter standardisierten Testbedingungen (STC) die wesentlichen elektrischen Parameter von Solarmodulen und –zellen bestimmt werden. Zudem bietet das Labor einen Feldmessplatz zur Untersuchung des elektrischen Verhaltens von Solarmodulen unter Realbedingungen. Das Outdoor-Messsystem besitzt zusätzlich eine Heizoption zur Temperaturkontrolle der Module. Mit einem eigens entwickelten Messverfahren lassen sich Outdoor-Messungen so präzise wie im STC-Labor durchführen. Mit der Feld-Messtechnik können geringe Light-Soaking- und Degradationseffekte präzise nachgewiesen werden.

Das Labor und seine Arbeitsgruppe stehen kleinen und mittleren Unternehmen sowie  Handwerksbetrieben für vielfältige Kooperationen zur Verfügung, z.B. für Standardtests an  Photovoltaik-Modulen, für Vergleichsmessungen und Vorort-Analysen an PV-Anlagen und für Ertragsprognosen. Das Labor wird derzeit um ein PV-Zellen-Analysesystem erweitert. Mit diesem Equipment ist es künftig möglich, PV-Zellen auf der Basis direkter Halbleiter bezüglich der Ladungsträgerlebensdauer, der Dotierung und möglicher Defektdichten zu charakterisieren. Die Untersuchung elektrischer Parameter von Solarzellen kann die Technologieentwicklung von Dünnschichtsolarzellen-Herstellern unterstützen.

Schwerpunkte:

• Photovoltaik (Technologie, Systemtechnik, Netzintegration - Messtechnik,
  Stabilitätsuntersuchungen, Betriebsführung)
• Erzeugung Erneuerbarer Energien
• Ertragsprognose von Photovoltaik- und Windkraftanlagen; Energiemeteorologie
• Halbleitercharaktersierung von Solarzellen

Energie- und Hochspannungstechnik

Prof. Dr. Michael Rossner forscht im Rahmen eines Verbundes an der Weiterentwicklung einer Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Im Fokus der Forschenden steht die Schwachstelle einer Brennstoffzelle, die Membran. Dabei ist von Interesse, wie die Membran unter anderem bei großer Überlastung, geringem Lastzustand sowie bei plötzlichen Schwankungen reagiert. Die Forschenden erwarten Erkenntnisse, wie Strategien für eine membranschonende Betriebsweise zu einer Erhöhung der Betriebsstunden von Brennstoffzellen führen können.

Ein weiteres Forschungsprojekt zielt darauf ab, Blei-Säure-Batterien für den Einsatz in großen Stromspeichern zu optimieren. Dazu werden Be- und Entladevorgänge messtechnisch verfolgt und mit Wetterdaten, Daten zum Verbrauchsverhalten und zu Lastsprüngen im System korreliert, um so Rückschlüsse auf das Alterungsverhalten der Speicher bei einem realitätsnahen Belastungsprofil zu schließen.

Forschungsschwerpunkte im Bereich Hochspannungstechnik zielen auf Substitution des Isoliergases SF6 in der Hochspannungstechnik ab. SF6 ist wegen seiner hohen Durchschlagfestigkeit und geringen dielektrischen Verluste prädestiniert für den Einsatz in Koaxialkabeln und Hochfrequenz-Kondensatoren, ist aber als umweltschädlich eingestuft. In diesem Zusammenhang werden Untersuchungen auch an isolierenden Folien durchgeführt.

Schwerpunkte:

• Energie- und Hochspannungstechnik
• Netzintegration von Batteriespeichern
• Isolierverhalten von Gasen
• DC-Durchführungen
  

Sensorik zur Diagnose von Mittelspannungsleitungen

Die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Christian Weindl entwickelt und untersucht sensorische Systeme und Verfahren, die zur Diagnose des Zustands von dielektrischen Isoliersystemen eingesetzt werden können. Basierend auf mehreren neu entwickelten und zum Teil patentierten Verfahren ist es beispielsweise möglich, physikalisch basierte sowie ortsaufgelöste Informationen zum Isolationszustand von Energieversorgungskabeln zu ermitteln.
Das Team um Prof. Weindl entwickelte zudem ein neuartiges mobiles Mess- und Prüfsystem, das in ein Fahrzeug integriert ist. So werden - bei Frequenzen von 0,1 und 50 Hertz – die Verlustfaktoren und weitere dielektrische Kenngrößen automatisiert erfasst und in ein Datenbanksystem übertragen. Durch breit angelegte Feldstudien sollen zudem die Zuverlässigkeit der sensorisch gewonnenen Erkenntnisse und die Aussagen zur Restlebens-dauer verbessert werden. Weitere Forschungsthemen liegen im Bereich des Online-Monitorings von Energieversorgungskabeln und der Entwicklung neuer Methoden und Verfahren zur Steuerung unserer zukünftigen Energieversorgungsnetze.

Schwerpunkte Prof. Weindl:

• Messtechnische Systeme und Hochspannungsprüftechnik
• Asset Management und Instandhaltungsstrategien für Betriebsmittel der elektrischen Energieversorgung
• Simulation und analytische Berechnung elektrischer Energieversorgungssysteme
• Netzrückwirkungen und Berechnung von Stromrichtern
• Hochdynamische Drehstromübertragungssysteme (HGÜ & FACTS)
• Netzintegration von Energiespeichern

Biogene Energieträger

Prof. Dr. Matthias Noll forscht auf dem Gebiet der biogenen Energieträger und entwickelt effiziente Biogasausbeuten aus einer Vielzahl von mikrobiellen Substraten (z.B. Nachwachsende Rohstoffe, kommunale Reststoffe). Neben der Gasanalytik charakterisiert er die Zusammensetzung der
mikrobiellen Gemeinschaft und deren Funktion, um möglichst viel Biomasse in biogene Energieträger
überführen zu können.
Die Erkenntnisse zu den mikrobiellen Mechanismen können in der Algenbiotechnologie, in Biogasanlagen, aber auch in Faultürmen von Kläranlagen zum Einsatz kommen bzw. ein neues Geschäftsmodell für die Biogasbranche bilden. Professor Noll leitet gemeinsam mit Prof. Dr. Susanne Aileen Funke und Prof. Dr. Stefan Kalkhof das Institut für Bioanalytik der Hochschule Coburg.

Schwerpunkte:

• Umweltmikrobiologie
• Molekulare mikrobielle Ökologie
• Materialbeständigkeit gegenüber Mikroorganismen
• Lebensmittelmikrobiologie

Elektrische Antriebs- und Stromrichtertechnik

Die Forschungsschwerpunkte von Prof. Dr. Omid Forati Kashani liegen auf dem Gebiet der elektrischen Antriebs– und Stromrichtertechnik. Beispielhaft kann die aktive Geräuschreduzierung im von einem Umrichter gespeisten Elektromotor durch Eingriff in der Regelung genannt werden. Prof. Forati Kashani verfügt über mehrjährige Erfahrungen in der Entwicklung und der Regelung von netzseitigen Stromrichtern, den Fahrantrieben in Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie Startergeneratoren in Fahrzeugen.

Im Aufbau befindet sich ein vollautomatischer Prüfstand für elektrische Antriebe, um die Reproduzierbarkeit der Testergebnisse unabhängig von Prüfpersonen zu gewährleisten. Weitere Schwerpunkte sind Stromrichtertechnik, Stromrichterschaltungen und ihre Steuerungen sowie Elektromobilität.

Schwerpunkte:

• Elektrische Antriebs- und Stromrichtertechnik
• Regelung elektrischer Antriebe
• Stromrichterschaltungen und ihre Steuerungen
• Elektrische Fahrantriebe und Stromrichter in Hybrid- und Elektroautos

Mikrooptik und Mikrostrukturtechnik

Am Institut für Sensor- und Aktortechnik der Hochschule Coburg ISAT entwickeln Prof. Dr. Klaus Drese und sein Team u.a. mikrooptische und akustische Sensoren für Automotive-Anwendungen.
Im Fokus stehen dabei vor allem sicherheitsrelevante Themen im Kontext des autonomen Fahrens. Aufgaben des ISAT sind die simulationsgestützte Sensorauslegung, kundenspezifische Sensorentwicklung und Unterstützung bei der Sensorimplementierung im realen Testumfeld. Weitere aktuelle Forschungsthemen sind beispielsweise die akustisch beschleunigte Aufladung von Energiespeichern oder die Entwicklung mikrofluidischer Lab-on-a Chip-Systeme für die Gas- und Flüssigkeitsanalytik.

Schwerpunkte Prof. Drese:

• Mikrofluidik, Sensorik und Messtechnik
• Simulation und Modellierung
• Mikrosystemtechnik
• Physik