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 von Hochleistungsspannungswandlern für Kraftfahrzeuge

Dipl.-Ing. (FH) Michael Stadler
Dipl.-Ing. (FH) Sebastian Utz
Tel.: 0841-9348-647
sebastian.utz@haw-ingolstadt.de

Erste Aktivitäten zur Optimierung von Hochleistungsspannungswandlern wurden bereits 2004 an der 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.

Diese Technologie wurde in den letzten zwei Jahren in Zusammenarbeit mit der Automobilzulieferindustrie erfolgreich umgesetzt und bereits in unterschiedlichen Fahrzeugen erprobt. Derzeitige Forschungsaktivitäten im Bereich automobiler Hochleistungsspannungswandler werden von der Flextronics Automotive GmbH & Co. KG unterstützt. Diese Aktivitäten befassen sich mit der Optimierung der Aufbautechnologie und der weiteren Reduzierung von Volumens und Verlustleistung durch Anwendung innovativer Regelungstechnik und Optimierung des Schaltverhaltens der eingesetzten Halbleiter.

2) Spannungsstabilisierung durch innovativen „floatenden“ Wandler

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Hackner
Tel.: 0841-9348-399
thomas.hackner@haw-ingolstadt.de

In diesem Projekt 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. 2. 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 Sperrspannungen 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. Die erarbeitete Technologie wird in Zusammenarbeit mit der AUDI AG und der Automobilzulieferindustrie für den Serieneinsatz im Fahrzeug vorbereitet.

3) Integrierter Wandler zur Ansteuerung von Drehfeldmaschinen

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Hackner
Tel.: 0841-9348-399
thomas.hackner@haw-ingolstadt.de

Die dynamische Entkopplung der Leistungsabgabe des elektrischen Energienetzes von der Leistungsaufnahme eines ausgewählten Verbrauchers steht hier im Vordergrund. Dadurch kann die Entstehung pulsförmiger 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 Leistungsentkopplung optimal und minimiert damit die Größe des notwendigen Energiespeichers. Abb. 3 zeigt das Schaltbild des integrierten Wandlers mit Drehfeldmaschine.
Ziel des im Januar 2008 mit der AUDI AG gestarteten Forschungsprojekts „Optimierung des integrierten Wandlers zur Ansteuerung von Drehfeldmaschinen am Beispiel der elektrischen Lenkunterstützung“ ist die Entwicklung von Konzepten für ein dynamisches Energiemanagement mit dem integrierten Wandler als Schlüsselkomponente zur Ansteuerung von Drehfeldmaschinen.

Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse der bisherigen Arbeiten sind sehr vielversprechend und zeigen die Vorteile dieser Technologie. Neben der Vermeidung einer pulsförmigen Stromaufnahme erreicht diese Technologie weitere Vorteile wie zum Beispiel eine höhere Zwischenkreisspannung des Wechselrichters und die Möglichkeit zur Realisierung einer redundanten Stromversorgung. Als Drehfeldmaschinen wurden sowohl Asynchron- als auch Synchronmaschinen betrachtet. Im weiteren Projektverlauf werden die erarbeiteten Technologien optimiert und es erfolgt die Implementierung und Erprobung im Kraftfahrzeug.

4) LED Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge

Dipl.-Ing. (FH) Werner Thomas
Tel. 0841 9348-738
werner.thomas@haw-ingolstadt.de

Moderne Beleuchtungssysteme in Kraftfahrzeugen werden verstärkt durch den Einsatz von Leuchtdioden (LEDs) realisiert. Aufgrund der Wirkungsgradsteigerung sogenannter Hochleistungs-Leuchtdioden bieten sich immer mehr Einsatzmöglichkeiten im Automobil.

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 Kraftfahrzeugs deutlich und bietet damit weitere Vorteile für den Einsatz im Kraftfahrzeug.

Um die Möglichkeiten der LED-Technologie im Kraftfahrzeug vollständig nutzen zu können, werden unterschiedliche Methoden der elektrischen Ansteuerung und Kontaktierung der räumlich verteilten Leuchtdioden untersucht und optimiert. Hierbei sollen Wege gefunden werden, eine ideale Integration der Beleuchtung in das Fahrzeugdesign zu ermöglichen. Abb. 4 zeigt die Explosionsansicht einer typischen automobilen Heckleuchte.

Im Oktober 2007 wurde mit der AUDI AG das Forschungsprojekt „Innovative Ansteuerung, Energieverteilung und Kontaktierung moderner LED-Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge“ gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines Konzepts zur Ansteuerung und Kontaktierung räumlich verteilter Leuchtdioden in Beleuchtungssystemen für Kraftfahrzeuge, welches die Leistungselektronik zur Ansteuerung der LEDs, die Verteilung der Energie an die einzelnen LED-Chips und bei Systemen großer Leistung die Abführung der entstehenden Verlustleistung beinhaltet.

5) Innovative elektrische Energienetze für Kraftfahrzeuge

Dipl.-Ing. (FH) Christian Augustin
Tel.: 0841-9348-639
christian.augustin@haw-ingolstadt.de

In diesem Projekt wird das Zusammenspiel mehrerer unterschiedlicher Wandler im elektrischen Energienetz des Kraftfahrzeugs untersucht.

Im Vordergrund steht die Optimierung des Systemverhaltens im Hinblick auf die neuen Anforderungen an die modernen elektrischen Energienetze. Ziel ist die Erarbeitung möglichst effizienter Energienetzstrukturen basierend auf den bereits erarbeiteten Systemkomponenten.

5) Innovative elektrische Energienetze für Kraftfahrzeuge

Dipl.-Ing. (FH) Anna Schneider
Tel.: 0841-9348-409
anna.schneider@haw-ingolstadt.de

Durch eine Kombination aus simulationsbasierter Energieeffizienz-, Zuverlässigkeits- und Kostenanalyse werden am Beispiel eines Stromrichters für Drehfeldmaschinen Bewertungsmethoden für leistungselektronische Bauelemente und Komponenten in Kraftfahrzeugen erarbeitet. Dabei werden insbesondere Bauelemente aus dem Bereich der Hochvolt-Technologie für Elektro- und Hybridfahrzeuge untersucht, für die Anforderungen an Hardware-Design und Thermomanagement in Abhängigkeit von Einbauort und Einsatzprofil im Kraftfahrzeug abgeleitet werden. Dadurch wird eine Möglichkeit zur präventiven Produktbeeinflussung geschaffen.

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 Unterstützung der folgenden Forschungsprojekte: „Optimierung von Hochleistungswandlern für Kraftfahrzeuge“, „Integrierter Wandler zur Ansteuerung von Drehfeldmaschinen“, „LED Beleuchtungssysteme für Kraftfahrzeuge“, „Innovative elektrische Energienetze im Kraftfahrzeug“ und „Robustes und energieeffizientes Design leistungselektronischer Komponenten“.
Besonderer Dank gilt der Flextronics Automotive GmbH & Co. KG für die Fortführung und Vertiefung des Forschungsprojekts „Optimierung von Hochleistungswandlern für Kraftfahrzeuge“.