Systemorientierte Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte

 
Cuvillier Verlag
  • 1. Auflage
  • |
  • erschienen am 23. August 2021
  • |
  • 277 Seiten
 
E-Book | PDF ohne DRM | Systemvoraussetzungen
978-3-7369-6484-6 (ISBN)
 
In dieser Arbeit wird eine Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte entwickelt, die eine ganzheitliche Analyse des gesamten Ladesystems ermöglicht. Als Ladesystem werden dabei die Bestandteile Netz, Ladegerät und die Fahrzeugbatterie aufgefasst. Die Entwurfsmethodik orientiert sich am V-Modell eines Entwicklungsprozesses. Wesentliche Bestandteile der entwickelten Entwurfsmethodik sind eine einheitliche Methode zur analytischen Modellbildung der Leistungselektronik sowie eine Rapid Prototyping Umgebung. Durch die Methode zur Modellbildung ist eine Analyse der Ladegeräteentwürfe sowie des Ladesystems mit sehr geringem Zeitaufwand möglich. Die Rapid Prototyping Umgebung erlaubt eine schnelle praktische Validierung der Bauelemente, Topologien und Betriebsstrategien des Ladegerätes unter realen Bedingungen. Beide Bestandteile der Entwurfsmethodik werden in dieser Arbeit entwickelt und dienen der frühzeitigen Eigenschaftenabsicherung im Entwurfsprozess. Sie stünden in einem konventionellen Entwurfsprozess nicht zur Verfügung. Für den Entwurf eines Fahrzeugladegerätes mit einer Nennleistung von 3,6 kW und Galliumnitrid Leistungshalbleitern wird die Entwurfsmethodik angewendet. Die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Topologien wird auf eine aktive Vollbrücke für die Leistungsfaktorkorrektur sowie einen CLLC-Wandler und eine Dual Active Bridge für den DC/DC-Wandler eingegrenzt. Im Anschluss werden diese Topologien im Rahmen der Entwurfsmethodik auf Komponenten- und Topologieebene modellbasiert und durch Einsatz der Rapid Prototyping Umgebung praktisch analysiert und optimiert. Für die Leistungsfaktorkorrektur wird ein Wirkungsgrad von 98% inkl. des Netzfilters gemessen. Unter den DC/DC-Wandlern erreicht die Dual Aktive Bridge mit 98,7% den höchsten Wirkungsgrad. Auf Systemebene werden insbesondere Betriebsstrategien mit variabler Zwischenkreisspannung betrachtet. Alle Komponenten des Ladegerätes werden unter realen Bedingungen validiert. Auf den Ergebnissen dieser Arbeit kann ein optimiertes und eigenständiges Funktionsmuster eines Fahrzeugladegerätes entwickelt werden. In this thesis a design methodology for vehicle chargers is developed that enables a holistic analysis of the entire charging system. The grid, the charger and the vehicle battery are considered as a charging system. The design methodology is based on the V-model of a development process. Essential components of the developed design methodology are an uniform, analytical modeling method of the power electronics and a rapid prototyping environment. The modeling method allows to analyze the charger design as well as the charging system in a very short time. The rapid prototyping environment allows rapid, practical validation of the charger’s devices, topologies and operating strategies under real-world conditions. Both components of the design methodology are developed in this work and are used for early property validation in the design process. They would not be available in a conventional design process. The design methodology is applied to the design of a vehicle charger with a rated power of 3,6 kW and Gallium nitride semiconductor devices. The variety of available topologies is narrowed down to a full active bridge for the power factor correction as well as a CLLC converter and a dual active bridge for the dc-dc converter. Subsequently, these topologies are analyzed and optimized on component and topology level based on the analytical models and by using the rapid prototyping environment for practical investigations. For the power factor correction an efficiency of 98% including the line filter is measured. Among the DC/DC converters, the dual active bridge achieves the highest efficiency of 98,7%. At the system level, operating strategies with variable dc link voltage are considered in particular. All components of the charger are validated under real-world conditions. Based on the results of this work an optimized and independent evaluation model of a vehicle charger can be developed.
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  • Intro
  • Vorwort
  • Kurzfassung
  • Abstract
  • Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
  • Einleitung
  • Ladesysteme und Fahrzeugbatterien aus Systemsicht
  • Stand der Technik und Wissenschaft
  • Applikationen
  • Heutiger Stand der Entwurfsmethoden
  • Systemtopologie
  • Varianten der Systemtopologien für einphasige Ladegeräte
  • Varianten der Systemtopologien für mehrphasige Ladegeräte
  • Topologien zur Leistungsfaktorkorrektur
  • Topologien für einphasige Leistungsfaktorkorrekturen
  • Topologien für dreiphasige Leistungsfaktorkorrekturen
  • Topologien der DC/DC-Wandler
  • CLLC-Wandler
  • Dual-Active-Bridge
  • Fahrzeugbatteriemodelle
  • Impedanzspektroskopie
  • Generisches Batteriemodell
  • Modell eines Fahrzeugbatteriesystems
  • Systemorientierte Entwurfsmethodik
  • Motivation einer systemorientierten Auslegungsmethodik durch Systembetrachtungen
  • Entwicklung einer Entwurfsmethodik
  • Integration einer Rapid Prototyping Umgebung in die Entwurfsmethodik
  • Entwurfsprozess eines Ladegerätes unterstützt durch eine Rapid Prototyping Umgebung
  • Vorteile und Ziele der RP-Umgebung
  • Anforderungen an die RP-Umgebung
  • Entwurf der RP-Umgebung
  • Übergang von der RP-Umgebung zum eigenständigen Funktionsmuster
  • Methode zur Modellbildung der Leistungselektronik
  • Motivation zur Entwicklung einer Methode zur Modellbildung der Leistungselektronik
  • Methode zur Berechnung der Strom- und Spannungszeitverläufe
  • Erweiterung der Modellbildung für Systembetrachtungen
  • Anwendung der Entwurfsmethodik
  • Definition der Anforderungen
  • Vorauswahl und Eingrenzung der Systemtopologien, Topologien für die Leistungsfaktorkorrektur und DC/DC-Wandler
  • Anwendung der Methode zur Modellbildung der Leistungselektronik
  • Modellbildung des CLLC Wandlers
  • Modellbildung der Dual-Active-Bridge
  • Modellbildung der Leistungsfaktorkorrektur
  • Modellbildung des Netzfilters
  • Modellbildung der Batterie und des Ausgangsfilters
  • Initiale Auslegung und Dimensionierung der Leistungselektronik
  • Initiale Auslegung und Dimensionierung des CLLC-Wandlers
  • Initiale Auslegung und Dimensionierung der DAB
  • Initiale Auslegung und Dimensionierung der Leistungsfaktorkorrektur
  • Initiale Auslegung des Netzfilters und Auswahl einer Netznachbildung
  • Topologie- und Komponentenanalyse
  • Analyse des CLLC-Wandlers
  • Analyse der DAB
  • Analyse der Leistungsfaktorkorrektur
  • Optimierungspotential durch Systemanalyse
  • Betriebsstrategie des Ladegerätes: Wahl der Zwischenkreisspannung
  • Auswirkungen der Leistungspulsation: Wahl der Zwischenkreiskapazität und der Reglerdynamik des DC/DC-Wandlers
  • Netzfilter: Gleich- und Gegentaktströme
  • Zusammenwirken des DC/DC-Wandlers, des Ausgangsfilters und der Batterie
  • Anforderungen an das Ausgangsfilter
  • Zusammenfassung: Vorbereitung zur praktischen Evaluation der Entwürfe
  • Praktische Umsetzung und Evaluation der Entwurfsmethodik
  • Potential der Wide-Bandgap Leistungshalbleiter und schaltungstechnische Aspekte bei der Applikation
  • Möglichkeiten zur Steigerung der Leistungsdichte
  • Induktivitätsarmer Aufbau der Kommutierungsmasche
  • EMV, hohe Strom- und Spannungssteilheiten
  • Magnetische Bauelemente
  • Entwicklung und Aufbau eines GaN Vollbrückenmoduls
  • Praktische Komponenten-, Topologie- und Systemanalyse
  • Messung der parasitären Ausgangskapazität in situ
  • Messungen des CLLC-Wandlers mit initialer Auslegung
  • Messungen des CLLC-Wandlers mit optimierter Auslegung
  • Messungen der DAB
  • Messungen der Leistungsfaktorkorrektur
  • Evaluation und Vorbereitung zum Aufbau des Funktionsmusters
  • Zusammenfassung und Ausblick
  • Anhang
  • RP-Umgebung
  • Steuerung der RP-Umgebung
  • Bestückungsoptionen der RP-Umgebung
  • PWM-Signale für die Steuerung der RP-Umgebung
  • Informations- und Energiefluss in der RP-Umgebung
  • Lösungen und Lösungsweg zum Modell des CLLC-Wandlers
  • Lösungen der CLLC-Wandler Schaltzustände
  • Definition des Gleichungssystems zum P0 Schaltzustand
  • Definition des Gleichungssystems zum 0P0 Schaltzustand
  • Lösungen der DAB Schaltzustände
  • P Schaltzustand
  • N Schaltzustand
  • Pc Schaltzustand
  • Nc Schaltzustand
  • Matrizen für das Gleichungssystem des Modells der Leistungsfaktorkorrektur
  • Verlustmodelle der Leistungshalbleiter und magnetischen Bauelemente
  • Verlustmodellbildung der Leistungshalbleiter
  • Verlustmodellbildung der magnetischen Bauelemente
  • Schaltverhalten der GaN-Halbbrücke
  • Aufbau der magnetischen Bauelemente
  • Magnetische Bauelemente für den CLLC-Wandler
  • Magnetische Bauelemente für die DAB
  • Magnetische Bauelemente für die Leistungsfaktorkorrektur
  • Aufbau des Ein- und Ausgangsfilters
  • Messungen zum CLLC-Wandler
  • Messungen zum CLLC-Wandler mit initialer Auslegung
  • Messungen zum CLLC-Wandler mit optimierter Auslegung
  • Tabellenverzeichnis
  • Abbildungsverzeichnis
  • Literaturverzeichnis

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