Wirkungsgrad - Betrachtungen

Transkript

1 Vorlesung Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen Wirkungsgrad - Betrachtungen Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel (ralph.kennel@tum.de) Technische Universität München Arcisstraße München

2 Herausforderungen für unsere Zukunft : ( speziell im Hinblick auf unsere Mobilität) Speicherung elektrischer Energie Sicherheit und Zuverlässigkeit Kostenreduktion Erhöhung des Wirkungsgrads

3 Was ist eigentlich Wirkungsgrad? normalerweise wird hiermit der Quotient zwischen genutzter Energie und aufgewendeter Energie beschrieben : (Wirkungsgrad) = P N (genutzte Energie) P ein (eingespeiste Energie)

4 Was ist eigentlich Wirkungsgrad? bei stationären Einrichtungen ist das auch sinnvoll bei mobilen Einrichtungen jedoch nicht! das Fahrzeug steht abends auf dem gleichen Platz wie morgens (physikalischer Wirkungsgrad = 0) (Wirkungsgrad) = P N (genutzte Energie) P ein (eingespeiste Energie)

5 Was ist eigentlich Wirkungsgrad? bei mobilen Einrichtungen steht die transportierte Ladung im Vordergrund dem Gewicht bzw. der Masse der Einrichtung kommt stärkere Bedeutung zu! gewichtete Transportstrecke

6 Gewicht Kraftstoffverbrauch Quelle : BOSCH

7 Gewicht Kraftstoffverbrauch energetisch (z. B. bzgl. elektrischer Energie) gelten vergleichbare Verhältnisse Quelle : Ehlers, Forum "Bordnetzarchitektur", VDI Kongress, Elektronik im Kfz, 1996

8 stationär Gewicht/Masse ist irrelevant mobil (an Bord) Gewicht/Masse ist relevant Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

9 Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) stationär AC Leistungselektronik (Gleichrichter) Leistungselektronik (Gleichspannungswandler) im Fahrzeug U 0 U Bat elektrisches (Spannungs-)Netz = Spannungsquelle Gleichspannungs- Zwischenkreis normales Laden Lade-Elektronik komplett an Bord Batterie = Spannungsquelle

10 Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) stationär AC Leistungselektronik (Gleichrichter) DC Leistungselektronik (Gleichspannungswandler) im Fahrzeug U 0 U Bat elektrisches (Spannungs-)Netz = Spannungsquelle Gleichspannungs- Zwischenkreis Batterie = Spannungsquelle schnelleres Laden (genauso schnell wie Entladen) Gleichrichter stationär Gleichspannungswandler an Bord

11 Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) stationär Leistungselektronik (Gleichrichter) DC DC im Fahrzeug Leistungselektronik (Gleichspannungswandler) U 0 U Bat elektrisches (Spannungs-)Netz = Spannungsquelle Gleichspannungs- Zwischenkreis schnelles Laden Batterie = Spannungsquelle Lade-Elektronik komplett stationär

12 Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) stationär Leistungselektronik (Gleichrichter) im Fahrzeug DC Leistungselektronik (Gleichspannungswandler) U 0 U Bat in diesem Fall spielen der Wirkungsgrad sowie die (Investitions-) Kosten die wesentliche Rolle

13 Spannungszwischenkreisumrichter (VSI) stationär AC Leistungselektronik (Gleichrichter) Leistungselektronik (Gleichspannungswandler) im Fahrzeug U 0 U Bat in diesem Fall spielt neben dem Wirkungsgrad und den (Investitions-) Kosten das Gewicht eine wesentliche Rolle

14 ein Beispiel aber nicht das einzige Spannung Strom Spannung Potentialtrennung Strom Spannung ist das noch konduktiv??? Source : D. Boroyevich; VirginiaTech, USA High-Power-Density Systems: Requirements on Future Devices presented on ECPE Workshop Future Trends for Power Semiconductors, January 2012, Zurich, Switzerland

15 Charging Time Quelle : Uwe Likar - Standardisierte Kommunikation beim Gleichstromladen: Konduktive Ladetechnik nach Chademo; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

16 Vorlesung Leistungselektronik Grundlagen und Standardanwendungen 1phasiges Laden 3phasiges Laden Referenten: Prof. Dr. Ing. Hans Georg Herzog Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

17 1phasiges Laden 3phasiges Laden Gleichrichter Gleichspannungswandler U Bat Netz Zwischenspeicher Batterie das ist vor allen Dingen einer energetische Frage Gleichrichter Energie-Erhaltungssatz Gleichspannungswandler U Bat Netz Zwischenspeicher Batterie

18 1phasiges Laden Spannung t Strom (bei rein ohm schem Verhalten) t Leistung t Konsequenz : entweder wird die Batterie pulsierend geladen (Energieerhaltungssatz!) oder es muss ein Energie-Zwischenspeicher eingesetzt werden

19 1phasiges Laden Spannung Strom (bei rein ohm schem Verhalten) keine noch so trickreiche Regelung kann hieran etwas ändern!!! t t Leistung t Konsequenz : entweder wird die Batterie pulsierend geladen (Energieerhaltungssatz!) oder es muss ein Energie-Zwischenspeicher eingesetzt werden

20 3phasiges Laden Spannung Leistung Phase L1 t t Phase L2 t t Phase L3 t t insgesamt t Konsequenz : die Batterie wird kontinuierlich geladen (Energieerhaltungssatz!) es muss kein Energie-Zwischenspeicher eingesetzt werden

21 Ladeverfahren am Energieerhaltungssatz kommt niemand vorbei je kürzer die Ladezeit, desto höher die Leistung (bei vorgegebener Spannung) desto höher der Strom Quelle : Philippe Dupuy - EV charging infrastructure: Technical frame of reference; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

22 normales Laden Quelle : Philippe Dupuy - EV charging infrastructure: Technical frame of reference; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

23 Quick Charge Quelle : Philippe Dupuy - EV charging infrastructure: Technical frame of reference; VDI-Fachkonferenz Ladeinfrastruktur und technik Elektromobilität,23./ , Sindelfingen

24 Wirkungsgrad Wie lässt sich der Wirkungsgrad bei Ladeeinrichtungen erhöhen? durch Vermeidung ohm scher Widerstände und durch Reduzierung von Verlusten!!!

25 Verluste in realen Leistungshalbleitern

26 Wirkungsgrad Wie lassen sich Durchlassverluste bei Leistungshalbleitern reduzieren? durch Vermeidung von Schwellenspannungen (bei kleinen Strömen) und FET IGBT IGCT!!! durch Vermeidung von ohm schen Spannungsabfällen (bei großen Strömen) IGBT FET

27 H.-P. Nee

28 H.-P. Nee

29 Wirkungsgrad Wie lassen sich Schaltverluste bei Leistungshalbleitern reduzieren? durch Verkürzung von Schaltzeiten und FET IGBT durch weiches Schalten IGBT FET

30 Vermehrter Einsatz von Wirkungsgrad- Betrachtungen Thyristoren, GTOs und IGCTs bei hohen Strömen und niedrigen Schaltfrequenzen Vermehrter Einsatz von FETs und weichem Schalten (Netzseite, Quick-Charging, etc) bei niedrigen Strömen und hohen Schaltfrequenzen (Fahrzeugseite, Fahrbetrieb, etc)