Leistungselektronik

Optimierung leistungselektronischer Wandler und Systeme für automobile Anwendungen

Die Leistungselektronik ist bereits heute fester Bestandteil in modernen Kraftfahrzeugen und ihr Anteil wird in den nächsten Jahren weiter zunehmen. Dies betrifft nicht nur den Bereich der Elektro- und Hybridfahrzeuge mit ihren elektrischen Antriebsmaschinen, sondern auch die klassischen Fahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen, bei denen zunehmend Hilfsaggregate dezentral durch elektrische Maschinen angetrieben werden, um die Effizienz der Systeme zu steigern und dadurch Kraftstoff einzusparen. Wesentliche leistungselektronische Komponenten in derzeitigen Kraftfahrzeugen sind Steuergeräte zur Ansteuerung und Regelung elektrischer Maschinen. Dies beinhaltet Wechsel- und Gleichrichter für Drehfeld- und Gleichstrommaschinen, wie sie in vielfältigen Anwendungen im Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Beispiele sind Antriebe von Pumpen, Ventilatoren und für Positionieraufgaben. Darüber hinaus werden heute in Kraftfahrzeugen zunehmend Gleichspannungswandler integriert, um Verbraucher mit unterschiedlichem Spannungsniveau im elektrischen Energienetz betreiben zu können. 

Durch die steigende Anzahl elektrischer Verbraucher im Kraftfahrzeug muss das elektrische automobile Energienetz für immer größere Leistungen ausgelegt werden. Bei schnellem Ein- und Ausschalten von Verbrauchern mit hoher Leistung entstehen große Stromimpulse, die zu Spannungsschwankungen im elektrischen Energienetz führen können. Der Generator kann diese Spannungsschwankungen nicht ausgleichen. Seine Leistungsabgabe darf nicht beliebig schnell geändert werden, um Auswirkungen auf das Antriebsmoment der Verbrennungskraftmaschine und damit das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs zu begrenzen. Bei derzeitigen elektrischen Energienetzen muss daher die Batterie die großen pulsförmigen Stromspitzen übernehmen. Besonders kritisch sind in diesem Zusammenhang auch die Rekuperation, d.h. die Energierückgewinnung beim Abbremsen des Fahrzeugs und der Start-Stop-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine.

Um die steigenden Anforderungen bewältigen zu können, sind neue Architekturen für elektrische Energienetze in Kraftfahrzeugen notwendig. Dabei werden Systeme sowohl zur Stabilisierung der Netzspannung als auch zur Reduzierung der pulsförmigen Stromaufnahme von Verbrauchern hoher Leistung diskutiert und zunehmend eingesetzt. Gleichzeitig müssen Redundanzen im Energienetz vorgehalten werden, um sicherheitsrelevante Verbraucher bei einem Stromausfall zuverlässig betreiben zu können. Die Leistungselektronik ist daher eine Schlüsseltechnologie für die Realisierung der neuen Energienetzstrukturen im Kraftfahrzeug. Dabei spielen Kosten, Zuverlässigkeit und die rauen Umgebungsbedingungen im Fahrzeug eine große Rolle bei der Entwicklung optimaler Systeme und Komponenten.

Im Forschungsschwerpunkt „Optimierung leistungselektronischer Wandler und Systeme für automobile Anwendungen“ werden im Labor für elektrische Maschinen und Leistungselektronik unter der Leitung von Prof. Dr. Johannes Pforr seit einigen Jahren unterschiedliche Forschungsprojekte durch mehrere Mitarbeiter bearbeitet. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die laufenden Projekte gegeben.

1) Optimierung automobiler Hochleistungsspannungswandlern

Erste Aktivitäten zur Optimierung von Hochleistungsspannungswandlern wurden bereits 2004 an der Technischen Hochschule Ingolstadt in Kooperation mit der AUDI AG begonnen. Bei reduzierten Kosten und gleichzeitig reduziertem Volumen und Gewicht sollte ein extrem hoher Wirkungsgrad und damit geringe Verluste bei diesen Wandlern  erreicht werden. Durch das reduzierte Volumen und die geringen Verluste können diese Wandler optimal in die Fahrzeuge integriert werden. 

Um das Volumen der Wandler zu reduzieren, wurden Multiphasenwandler mit gekoppelten Induktivitäten entwickelt. Bei entsprechender Ansteuerung können bei diesen Wandlern die benötigten induktiven und kapazitiven Filterkomponenten sehr klein gewählt werden, ohne große Wechselströme in den Filterkomponenten zu erhalten. Dadurch wird die Verlustleistung im Wandler im gesamten Arbeitsbereich reduziert und eine sehr hohe Dynamik erreicht. Die optimierten Wandler können hervorragend zur Entlastung und Stabilisierung des elektrischen Energienetzes im Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Abb. 1 zeigt einen typischen Gleichspannungswandler mit 6 Phasen und gekoppelter Filterinduktivität.

Die entwickelte Technologie wurde in den letzten Jahren in Zusammenarbeit mit der Automobilzulieferindustrie erfolgreich umgesetzt. Derzeitige Aktivitäten in diesem Forschungsbereich befassen sich mit der weiteren Reduzierung von Volumen und Verlustleistung durch Anwendung innovativer Regelungsverfahren, der Optimierung des Schaltverhaltens der eingesetzen Halbleiter und der Untersuchung innovativer Wandlertopologien für Elektro-, Hybrid- und Kraftfahrzeuge.

2) Ansteuerung automobiler Drehfeldmaschinen

Ziel der Forschung in diesem Bereich ist die Optimierung der Ansteuerung von Drehfeldmaschinen für unterschiedliche Anwendungen in Hybrid- Elektro- und Kraftfahrzeugen.

In einem ersten Forschungsprojekt wurde die leistungselektronische Ansteuerung für eine elektrische Lenkunterstützung optimiert. Die dynamische Entkoppelung der Leistungsabgabe des elektrischen Energienetzes von der Leistungsaufnahme eines ausgewählten Verbrauchers stand bei diesem Projekt im Vordergrund. Dadurch kann die Entstehung plusförmiger Ströme im elektrischen Energienetz vermieden werden und die Batterie wird entlastet. Am Beispiel der elektrischen Lenkunterstützung wurden unterschiedliche Methoden systematisch untersucht und bewertet. Die Ergebnisse führten zur Entwicklung einer innovativen Ansteuerungsmethode für Drehfeldmaschinen, bei der der Wechselrichter gleichzeitig als Aufwärtswandler verwendet wird, um dadurch eine höhere und variable Zwischenkreisspannung zu erzeugen. Dieser "integrierte Wandler" nutzt den Energieinhalt des Zwischenkreiskondensators für die Leistungsentkoppelung optimal und minimiert damit die Größe des Notwendigen Energiespeichers. Abb. 2 zeigt das Schaltbild des integrierten Wandlers mit Drehfeldmaschine. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse der Arbeiten zeigen die Vorteile dieser Technologie: Neben der Vermeidung einer plusförmigen Stromaufnahme erreicht diese Technologie zum Beispiel auch eine höhere Zwischenkreisspannung des Wechselrichters und die Möglichkeit zur Realisierung einer redundanten Stromversorgung und damit eine größere Betriebssicherheit bei Ausfall der Energienetzspannung. Als Drehfeldmaschienen wurden sowohl Asynchron- als auch Synchronmaschinen betrachtet.

In den nachfolgenden Projekten steht die Ansteuerung von Drehfeldmaschinen für Traktionsantriebe in Hybrid- und Elektrofahrzeugen im Vordergrund.

3) Innovative Aufbautechnologie automobiler Leistungselektronik

Ziel der Forschung in diesem Bereich ist die Entwicklung und Optimierung von innovativer Aufbautechnologie automobiler Leistungselektronik, zur Verbesserung der Systemeigenschaften und zur Reduzierung der Systemkosten. 

In einem ersten Forschungsprojekt wurde ein Konzept zur Ansteuerung und Kontaktierung räumlich verteilter Leuchtdioden (LED) in dreidimensionalen Beleuchtungssystemen für Kraftfahrzeuge entwickelt, welches die Leistungselektronik zur Ansteuerung der LEDs, die Verteilung der Energie an die einzelen LED-Chips und bei Systemen großer Leistung die Abführung der entstehenden Verlustleistung beinhaltet. Der geringe Bauraumbedarf von Leuchtdioden liefert neue gestalterische Freiheiten im Design der Kraftfahrzeugbeleuchtung. Für eine LED-Leuchte kann hierbei eine Vielzahl einzelner LEDs miteinander verschaltet und in das Fahrzeugdesign integriert werden. Darüber hinaus erreichen Leuchtdioden eine extrem hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Die Lebensdauer übersteigt die Betriebsstunden eines Kraftfahrzeuges deutlich und bietet damit weitere Vorteile für den Einsatz im Kraftfahrzeug. Um die Möglichkeiten der LED-Technologie im Kraftfahrzeug vollständig nutzen zu können, wurden unterschiedliche Methoden der elektrischen Ansteuerung und Kontaktierung der räumlich verteilten Leutdioden untersucht und optimiert. Abb. 3 zeigt die Explosionsansicht einer typischen automobilen Heckleuchte.

In nachfolgenden Projekten steht die Aufbautechnologie von Hochleistungselektronik moderner Hybrid- und Elektrofahrzeuge im Vordergrund.

4) Optimierung elektrischer Energienetze in Kraftfahrzeugen

Die Anforderungen an die elektrischen Energienetze in Kraftfahrzeugen werden sich auch weiterhin durch neue, zum Teil sicherheitsrelevante Verbraucher erhöhen. Durch diese Entwicklung wird die benötigte mittlere elektrische Leistung weiter steigen und das Spektrum der Verbraucher wird hinsichtlich mittlerer Leistung, Spitzenleistung und Einschaltdauer weiter gespreizt. Wechselnde Leistungsanforderungen erschweren den stabilen Betrieb des Energienetzes und führen zu immer komplexeren Energienetzzuständen. Diese Entwicklung erfordert neue Energiesysteme die dem wachsenden Kostendruck gerecht werden und bei immer höherer Funktionalität zuverlässig arbeiten. Durch den Einsatz innovativer Leistungselektonik kann das Energienetz in seiner Architektur und Effektivität neu festgelegt werden. Die Leistungselektronik ist daher eine Schlüsseltechnologie zur Optimierung der Energiesysteme.

Ziel der Forschung in diesem Bereich ist die Optimierung der elektrischen Energienetze in Elektro-, Hybrid-, und Kraftfahrzeugen durch den Einsatz moderner Leistungselektronik. Die Spannungsstabilität und die Effizienz bei der Energieübertragung stehen dabei im Vordergrund. Durch eine Kombination aus simulationsbasierter Energeieffizienz-, Zuverlässigkeits- und Kostenanalyse werden Bewertungsmethoden für leistungselektronische Bauelemente und Komponenten in Kraftfahrzeugen erarbeitet. Dadurch wird eine Möglichkeit zur präventiven Produktbeeinflussung geschaffen.

In einem ersten Forschungsprojekt wurde ein Wandler speziell für die Stabilisierung der Energienetzspannung sensibler Verbraucher optimiert. Der "floatende" Wandler besteht aus einer Vollbrücke mit einem Doppelschichtkondensator als Energiespeicher, Abb. 4. Er wird in Reihe zu den ausgewählten Verbrauchern geschaltet und hat im Gegensatz zu klassischen Wandlertopologien keinen Bezug zur Fahrzeugmasse. Dadurch ergibt sich ein besonders kostengünstiger und kleiner Wandler mit sehr großer Stromtragfähigkeit und sehr hohem Wirkungsgrad. Durch den "floatenden" Betrieb des Wandlers können Halbleiter mit sehr geringen Serrspannungen verwendet werden, Abb. 2. Der "floatende" Wandler arbeitet im Energienetz wie eine zu den Verbrauchern in Reihe geschaltete regelbare Spannungsquelle und kann daher die an den Verbrauchern anliegende Spannung konstant halten. Durch die im Doppelschichtkondensator gespeicherte Energie können kurzfristige Spannungseinbrüche und Spannungsüberhöhungen ausgeglichen werden, wie sie zum Beispiel bei Start-Stop und Rekuperation entstehen.

In nachfolgenden Forschungsprojekten werden 1) das Zusammenspiel und damit die gegenseitige Beeinflussung von unterschiedlichen leistungselektronischen Komponenten in elektrischen Energienetzen und 2) die Effizienz der Rekuperation, d.h. der Rückgewinnung von Bremsenergie, moderner Kraftfahrzeuge untersucht.

Zusammenfassung

Die Bedeutung der Leistungselektronik in modernen Kraftfahrzeugen nimmt weiter zu. Wesentliche Motivation für den Einsatz einer zunehmenden Anzahl leistungselektronischer Komponenten und Systeme sind die wachsenden Anforderungen an eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitiger Erhöhung des Fahrkomforts. Diese Entwicklung führt zu einer Dezentralisierung von Nebenaggregaten, die nicht mehr über einen Riemen direkt mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden werden, sondern mit Hilfe einzelner elektrischer Maschinen individuell angetrieben werden. Die Energie für diese Nebenaggregate wird nur dann zur Verfügung gestellt, wenn sie wirklich benötigt wird. Im vorgestellten Forschungsgebiet „Optimierung leistungselektronischer Wandler und Systeme für automobile Anwendungen“ werden für die zukünftigen automobilen elektrischen Energienetze neue Konzepte und Architekturen mit innovativen leistungselektronischen Komponenten erarbeitet und optimiert. Die vorgestellten Projekte werden in Zusammenarbeit mit der Automobil- und der -zulieferindustrie durchgeführt.

Danksagung

Besonderer Dank gilt der AUDI AG für die kontinuierliche Unterstützung der Forschung im Bereich automobile Leistungselektronik. Dank gilt in diesem Zusammenhang auch der Flextronics Automotive GmbH & Co. KG für die großzügige Unterstützung im Bereich des Forschungsprojekts "Optimierung automobiler Hochleistungswandler". Bedanken möchte ich mich an dieser Stelle auch bei allen weiteren kooperierenden Unternehmen, für die finanzielle Unterstützung einzelner Teilprojekte.

Referenzen

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• Stadler M., Utz S., Pforr J., "Filter Optimization for multi-phase DC-DC converter in automotive energy backup system", 24th IEEE APEC 2009, USA, 2009
• Stadler M., Pforr J., "Two-Phase Boost Converter for 14V/42V automotive applications using coupled tapped inductors" PCIM, Nürnberg, Germany, May 27-29, 2008
• Stadler M., Pforr J., "Zero-Voltage Switched Multi-Phase Converter utilizing Non-Linear and coupled Inductors", Proc. of 22th IEEE APEC 2007, pp. 1038 - 1042, USA, 2007