Hohe Treibstoffkosten und ein zunehmendes Umweltbewusstsein haben zu einer Wandlung des Automobilmarktes beigetragen und intensive Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet energieeffizienter Fahrzeuge und alternativer Treibstoffe initiiert. Im Vergleich zu Fahrzeugen in konventioneller Bauweise mit alleinigem Verbrennungsmotor ermöglicht die Batterie- oder Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie die Konstruktion von effizienten Hybridelektrofahrzeugen oder voll elektrischen Antriebssträngen und trägt so zur Reduktion des Kohlendioxid-Ausstoßes bei. Hybrid- sowie Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen über elektrische Energiespeicher wie Batterien oder Superkondensatoren, die bei Bedarf zusätzliche Antriebsenergie zur Verfügung stellen oder Bremsenergie aufnehmen können. Die heute in Vollhybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzten elektrischen Energiespeicher weisen Betriebsspannungen im Bereich von 150V bis 450V auf und werden durch nichtpotentialgetrennte bidirektionale Gleichspannungswandler mit Leistungen im Bereich von 50 kW bis 120 kW an den Gleichspannungszwischenkreis des Antriebs angebunden. Die technischen Herausforderungen, die sich für eine derartige leistungselektronische Baugruppe stellen, sind eine äußerst kompakte und leichte Bauweise sowie ein höchstmöglicher Wirkungsgrad, der auch im Teillastbereich gegeben sein muss. Gleichzeitig sind die Komplexität und die Realisierungskosten ein entscheidendes Kriterium für einzusetzende Wandlerstruktur. Der Schwerpunkt der Dissertation liegt daher in der Konzeption und Analyse von Gleichspannungswandler-Schaltungstopologien, welche einen Betrieb mit überlappendem Ein- und Ausgangsspannungsbereich ermöglichen sowie der Erforschung neuartiger Schaltungs- und Ansteuerkonzepte zur Reduktion der Halbleiterverluste bei gleichzeitiger signifikanter Erhöhung der Leistungsdichte. Hierzu werden vorwiegend Methoden betrachtet, die zu einem entlasteten Schalten der Leistungshalbleiter führen und ein neuartiges Ansteuerkonzept geschaffen, welches eine Umschaltung der Leistungshalbleiter eines bidirektionalen Gleichspannungswandlers bei Spannung Null sicherstellt. Diese Methode nutzt die parasitären Eigenschaften der eingesetzten MOSFET-Schalter und kommt ohne zusätzliche Entlastungsnetzwerke aus, so dass eine einfache und kosteneffektive Realisierung erzielt wird. Die Arbeit beinhaltet eine Optimierung der neuartigen Modulationsmethode mit dem Ziel bestmöglicher Wandlereffizienz bei gleichzeitiger Sicherstellung des Nullspannungsschaltens und unter Beachtung der Regelbarkeit des Wandlers sowie die experimentelle Verifikation des Verfahrens. Für einen Vergleich mit bekannten Wandlerkonzepten und für die weitere Optimierung des Wandlers hinsichtlich Effizienz und Leistungsdichte erfolgt eine detaillierte analytische Berechnung der Spannungsund Strombeanspruchungen und Verlustleistungen der Leistungshalbleiter, der Hochfrequenzverluste der magnetischen Komponenten sowie Herleitung von Volumenmodellen der Halbleiter, der passiven Komponenten, des Kühlsystems und der Steuer-, Mess- und Regeleinrichtungen. Der Vergleich zwischen den betrachteten Schaltungskonzepten beinhaltet eine Bestimmung der erforderlichen Chipflächen der Halbleiterbauelemente zur Einhaltung der spezifizierten minimalen Effizienz, eine Gegenüberstellung der Wirkungsgrade bei gleicher eingesetzter Chipfläche und eine Gegenüberstellung der Leistungsdichten bei gleicher Effizienz. Da die Performance-Indizes wie Leistungsdichte und Wirkungsgrad in der Realität einander entgegen laufen, kann lediglich eine Kompromisslösung umgesetzt werden. Sich auszeichnende Lösungen sind mitunter das effizienteste oder das volumenoptimale Design. Für den realisierten resonanten Wandler werden diese Lösungen sowie deren Kompromisse basierend auf den Modellen durch geeignete Optimierungsstrategien rechnerisch ermittelt und der Pareto-Rand des Wandlers aufgezeigt.
The high oil prize as well as the growing environmental awareness have accounted for a change in the automotive market and are reason for the intense research in the area of energy-efficient cars and alternative fuels. In comparison to conventional cars that are solely equipped with a combustion engine, batteries and fuel cells are enabling technologies for efficient hybrid cars or purely electric cars that could contribute to the reduction of the greenhouse gas emissions. Hybrid and fuel cell cars use an electric energy storage unit, such as a battery or a super capacitor, that can provide additional traction power or can recuperate breaking energy. The electric energy storage systems that are utilized in today's full hybrids cars and fuel cell cars use an operating voltage in the range of 150V to 450V and are interfaced to the dc-link of the drive train by non-isolated bidirectional dc-dc converters with a power rating of 50 kW to 120 kW. Major technological challenges that are linked to such power electronic building blocks, are an extremely compact and lightweight construction as well as the highest possible efficiency that should also be achieved for part load operation. At the same time, complexity and costs are important criteria for the choice of a suitable converter topology. Therefore, the focus of the PhD thesis is the conception and analysis of dc-dc converter topologies that operate with overlapping input and output voltage ranges and research in novel circuit topologies and modulation strategies that on the one hand reduce the semiconductor losses and allow to increase the power density. For this purpose primarily methods are considered that provide soft switching conditions for the power semiconductor devices and a novel modulation strategy is developed that ensures zero voltage switching of the switches of a bi-directional dc-dc converter. The method, thereto, makes use of the parasitic properties of the applied MOSFET switches and operates without additional snubbers or auxiliary circuits, such that a simple and cost-effective realization is achieved. The work contains an optimization of the novel modulation strategy for the highest possible converter efficiency while maintaining zero voltage switching conditions and controllability of the converter. Experiments verify the operational principle. For a comparison to known converter principles and the further optimization of the converter in terms of efficiency and power density, a detailed analytical modelling of the voltage and current stresses and the losses of the semiconductors and the high frequency losses of the magnetic components is given along with volume models of the semiconductors, the passive components, the cooling system and the circuitry required for measurements and control of the converter. The comparison of the considered converter concepts contains the determination of the chip area of the semiconductor devices that is required to ensure a specified minimum efficiency of a converter, the calculation of the efficiency of the converters for the same total chip area and the calculation of the power density for the same converter efficiency. As the performance indices of the converter, such as power density and efficiency, are contradicting each other in reality, a compromise between these quantities must be chosen. Solutions of particular importance are the most efficient and the most compact design. These solutions as well as their compromises are calculated for the realized quasi-resonant converter based on the analytical models and appropriate optimization methods and the efficiency and power density Pareto front of the converter is identified. The work contains modelling of the current load of a differential mode filter suitable for a dc-dc converter consisting of multiple parallel connected converter units and the dimensioning of the filter to comply with the specified maximum voltage ripple. Moreover, the optimum phase count to achieve the maximum possible overall power density of the multi-phase converter is determined. The multi-phase converter concept, furthermore, is advantageous in part load operation of the converter, where a higher efficiency is achieved by partial operation of the phases. An applicable control strategy and a control strategy that minimizes the sub-harmonic content in the spectrum of the output current of the multi-phase converter is given that is induced by tolerances between the inductors of the phases. The theoretical considerations are verified with a fully functional laboratory prototype of a bi-directional, quasi-resonant dc-dc converter, consisting of three paralleled phases, that shows a power density of 30 kW/liter and a maximum efficiency of 99.3 %.
Hochkompakter bidirektionaler DC-DC-Wandler für Hybridfahrzeuge
2012
401 Seiten, Bilder, Tabellen, 158 Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Hochkompakter bidirektionaler DC-DC-Wandler für Hybridfahrzeuge
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