Gleichspannungswandler hoher Leistungsdichte im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen

In dieser Arbeit wird die Auslegung von bidirektionalen, nicht galvanisch isolierten Gleichspannungswandlern mit extrem hoher Leistungsdichte und deren Einsatz im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen mit Elektro-, Hybrid-, und Brennstoffzellenantrieb untersucht. Dazu wird ein Überblick über aktuelle und zukünftige elektrische Antriebskonzepte für Kraftfahrzeuge gegeben und die Entwicklung von unterschiedlichen Batteriesystemen in den letzten Jahren aufgezeigt. Danach folgt eine theoretische und mathematische Betrachtung von Gleichspannungswandlern bis hin zur Regelungstechnik. Dies ist für das Verständnis der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsumgebung für leistungselektronische Wandler notwendig.
Eine bisher offene Frage war, wie sich Gleichspannungswandler im Antriebsstrang zur Stabilisierung und Regelung der Zwischenkreisspannung auf den Wirkungsgrad des gesamten Antriebsstrangs auswirken. Um diese Fragestellung zu beantworten, wird eine grundlegende und umfassende Simulationsumgebung für leistungselektronische Komponenten im Antriebsstrang von Personenkraftfahrzeugen entwickelt. Damit ist es erstmals möglich, die durchgehende Kette von Systemen im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen in anwendungsnahen Fahrzyklen zu untersuchen. Dazu wurden alle Komponenten in Matlab/Simulink hinsichtlich ihrer Verlustleistung modelliert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Wirkungsgraduntersuchung von nichtisolierenden Gleichspannungswandlern im Antriebsstrang und die Betrachtung der Vor- und Nachteile durch deren Einsatz. Dabei können unter bestimmten Bedingungen, insbesondere in Stadtverkehrszyklen, Wirkungsgradvorteile von bis zu 10 % erreicht werden. Über die Wirkungsgradaussagen hinaus können mit dem entwickelten Simulationswerkzeug auch Aussagen über den Temperaturverlauf der einzelnen Leistungsbauelemente bis auf Chipebene gemacht werden. Das ist eine sehr nützliche Information, um die Leistungselektronik optimal auf das geforderte Lastprofil auslegen zu können. Auch für Untersuchungen der Lebensdauer ist der Temperaturverlauf über den Lastgang unbedingt notwendig.
Eine weitere in dieser Dissertation bearbeitete Fragestellung ist die Minimierung von Bauraum und Gewicht bei gleichzeitiger Optimierung des Wirkungsgrades für die Anwendung im Kraftfahrzeug. Dazu werden theoretische Abschätzungen durchgeführt und ein voll funktionsfähiger Prototyp eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers mit einer Spitzenleistung von 100 kW aufgebaut. Für die Leistungshalbleiter werden sehr schnell schaltende 600 V IGBTs in Verbindung mit SiC Dioden verwendet. Mit dem Prototyp konnte ein bis dahin, in diesem Spannungsbereich von 450 V, noch nicht erreichtes Leistung zu Volumen Verhältnis von 25 kW/dm³, und ein Leistung zu Gewicht Verhältnis von 13,5 kW/kg realisiert werden. Dabei zeigt der Prototyp, dass es mit heute verfügbaren Bauelementen prinzipiell möglich ist, bis 50 kW/dm³ und mehr zu erreichen. Die durchgeführten Messungen zeigen einen Wirkungsgrad von über 97 % und durch eine implementierte Phasenabschaltung im Teillastbereich kann auch dort ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt werden