Topologieuntersuchungen elektromobiler Fahrantriebe mit dualen Energiespeichern

Transkript

1 Topologieuntersuchungen elektromobiler Fahrantriebe mit dualen Energiespeichern SMWK-Forschungsförderung an Fachhochschulen Gemeinsames Forschungsprojekt der Fakultäten Elektrotechnik und Kraftfahrzeugtechnik Prof. Dr.-Ing. Mirko Bodach Professor für Elektrische Energietechnik / Regenerative Energien, Fakultät Elektrotechnik, Westsächsische Hochschule Zwickau Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Pohl Professor für Elektrische Maschinen und Antriebe, Fakultät Elektrotechnik, Westsächsische Hochschule Zwickau Prof. Dr.-Ing. Peter Stücke Strömungstechnik/ Verbrennungsmotoren, Fakultät Kraftfahrzeugtechnik, Westsächsische Hochschule Zwickau Professur für Leistungselektronik / Elektrische Anlagen und Antriebe, Fakultät Elektrotechnik, Westsächsische Hochschule Zwickau Projektleiter: Zwickau,

2 Gliederung Ziele des Projektes Schaltungstopologien Wechselrichter, DC/DC-Wandler Thermische Untersuchungen leistungselektronischer Komponenten Aufbau einer modellhaften Anordnung Simulation des dualen Energiespeichers Systemoptimierung am Versuchsträger 2

3 Ziele des Projektes 3

4 Ziele des Projektes Leistungselektronik Schaltungstopologien für: Wechselrichter DC/DC-Wandler neue Bauelemente (SiC) Optimierung Kühlkörper Dualer Energiespeicher Untersuchungen zu modernen Akku-Systemen und Supercaps Lebensdauererhöhung des Akku-Systems Kühlung und Klimatisierung der Energiespeicher Optimierung des Kühlkreislaufes des Fahrzeuges Kühlung der Motoren, der Leistungselektronik und Speicher Untersuchungen zum dezentralen Einbau im Fahrzeug 4

5 Ziele des Projektes Theoretische Simulation mit Portunus Praktische Untersuchungen an einer modellhaften Anordnung Überprüfung am realen Versuchsträger Aufbau eines Versuchsstandes der Elektromobilität im Labormaßstab Drehmomentmesswelle Elektrische Maschine (realer Fahrzyklen) Elektrische Maschine (Nachbildung Rekuperationsanteil) des Fahrzyklus 3~,AC Simulation mit Portunus Maschinenansteuerung mittels unterschiedlicher Wechselrichtertopologien durch Wechselrichter Nr. 1 und Nr. 2 Rekuperationsansatz Maschinenansteuerung der elektrischen Maschine (Rekuperation) durch Umrichter Umrichter 3~,AC Netzanschluss Supercap-Module und vorgeschalteter DC/DC-Wandler Wechselrichter Nr. 1 Wechselrichter Nr. 2 Traktionsbatterie oder elektronische Quelle zur Speisung des Systems Signalwandlung Controller-Board Generierung der Software-Schnittstellen zur Ansteuerung des Systems Umsetzung des Systems Elektrofahrzeug und enthaltener Komponenten für duale Weitere Anschaffungen und Entwicklungen für den Aufbau des Versuchstandes Praktische Untersuchungen an einer modellhaften Anordnung Überprüfung am realen Versuchsträger 5

6 Schaltungstopologien Wechselrichter DC/DC-Wandler 6

7 Wechselrichtertopologien Energiespeicher 1 DC/DC- Wandler V1 D1 V3 D3 V5 D5 Rs Ls Up Informationselektronik U ZK A B C ia ib ic PSM V2 D2 V4 D4 V6 D6 Energiespeicher 2 DC/DC- Wandler PWR Wechselrichter SM 7

8 Wechselrichtertopologien Realer IGBT Problem: Mit steigender Schaltfrequenzen steigen auch die Schaltverluste Größere Kühlkörper erforderlich 8

9 Wechselrichtertopologien U ZK V1 D1 V3 D3 V5 D5 A B C V2 D2 V4 D4 V6 D6 ia ib ic Rs Ls Up Einfluss der Pulsfrequenz auf den Strom N des Ausgangssignal PWR Wechselrichter SM Simulation mit 5 khz Pulsfrequenz Simulation mit 24 khz Pulsfrequenz 9

10 Wechselrichtertopologien Systemanforderungen Wechselrichter Hoher Wirkungsgrad Minimales Gewicht Minimale Baugröße Eingangsspannungsbereich entsprechend Traktionsspeicher Bidirektionalität erforderlich Eigenschaften des Systems: Verlustarme Umformung der Gleichspannung aus dem Traktionsspeicher in maschinenkonforme Wechselspannung erschwerte Anforderungen in Bezug auf Umgebung [mechanische Beanspruchung durch Schock, Vibration, Temperaturwechsel (-45 C bis +85 C)] 10

11 Simulation Wechselrichter und PMSM in Portunus 11

12 Simulation Wechselrichter und PMSM in Portunus Drehzahlvorgabe Belastungskennlinie 12

13 Simulation Wechselrichter und PMSM in Portunus Drehzahl 10 I q 100 I d Drehmoment Sim-Link Vorgabe einer Drehzahlrampe und eines Momentenverlaufs Resultat der Reglereinstellung: geringe Drehzahlschwankungen, Reduzierung der d-komponente auf Minimum 13

14 Simulation DC/DC-Wandler Untersuchungen im Projekt: Bidirektionaler Leistungsfluss (motorischer und generatorischer Betrieb der elektrischen Maschine) zur Aufnahme der Rekuperationsenergie und Pufferung von Leistungsspitzen (Anbindung dualer Energiespeicher) Unidirektionaler Leistungsfluss zur Speisung des Bordnetzes Bidirektionaler Vollbrückengegentaktwandler 14

15 Thermische Untersuchungen leistungselektronischer Komponenten 15

16 Thermische Untersuchungen mit SiC-Bauelementen Aktueller Anbieter von SiC-Bauelementen: CREE Untersuchung der Fremdkühlung mit Luft CMF10120D- Silicon Carbide Power MOSFET SiC-Bauelemente: Dioden und MOSFETs ESB des unidirektionalen Hoch-/ Tiefsetzstellers C4D20120A Silicon Carbide Schottky Diode 16

17 Eigenschaften von SiC - Bauelementen SiC Silizium-Carbid Nahezu zehnfache Durchbruchfeldstärke Dreifache Wärmeleitfähigkeit Etwa auf ein 1 3 reduzierte Eigenleitfähigkeit Höhere Betriebstemperaturen möglich und höhere Sperrspannungen Geringe Schaltverluste dadurch sehr hohe Schaltfrequenzen Grenze für Halbleiter aus Silizium liegt bei 98% Wirkungsgrad Steigerung des Wirkungsgrades auf 99% mit SiC Bauelementen Optimierung des Kühlkörpers Gewichtseinsparung 17

18 Übersicht zu den Kühlungsvarianten Optimierung thermischer Pfad zur Optimierung Lebensdauer und Systemkosten Durch höhere Ströme und Spannungen steigt Verlustleistung damit resultierend Temperaturerhöhung 18

19 Übersicht zu den Kühlungsvarianten Verwendung von luftund wassergekühlten Varianten 1,2 1 0,8 F 0,6 0,4 0,2 0 Reduktionsfaktor F = f( Luftgeschwindigkeit) Reduktionsfaktor F Luftgeschwindigkeit in m/s R thku,f = F R thku Luftstrom durch den Kühlkörper 19

20 Übersicht zu den Kühlungsvarianten GGGG Zulauf Treiberplatine zur GGG Ansteuerung der SiC-Bauelemente GGGG GGGG Verschaltung der SiC-Bauelemente zu einem Hoch- /Tiefsetzsteller und Steuerung über Treiberplatine Rücklauf Bild 1: Kühlkörperanschlussumsetzung PC mit RS 232-Schnittstelle und Lab View zur Ansteuerung des Kaltwasserersatzgerätes Test der Varianten Luft- und Wasserkühlung mit Bauelementen auf SiC-Basis und auf Si-Basis Aufbau von Tiefsetzsteller und Dualwechselrichterin Verbindung mit Wasserkühlung 20

21 Aufbau eines Dualwechselrichter-Versuchsstandes mit Wasserkühlung Aufbau eines Dualwechselrichter in Verbindung mit Wasserkühlung 21

22 Aufbau einer modellhaften Anordnung 22

23 Praktische Untersuchungen an einer modellhaften Anordnung Aufbau eines Versuchsstandes der Elektromobilität im Labormaßstab Drehmomentmesswelle Elektrische Maschine (realer Fahrzyklen) Elektrische Maschine (Nachbildung Rekuperationsanteil) des Fahrzyklus 3~,AC 3~,AC Erarbeitung eines Konzeptes für den Laboraufbau Versuchsstand Elektrofahrzeug Aufbau eines Versuchstandes im kleinen und großen Maßstab Supercap-Module und vorgeschalteter DC/DC-Wandler Maschinenansteuerung mittels unterschiedlicher Wechselrichtertopologien durch Wechselrichter Nr. 1 und Nr. 2 Traktionsbatterie oder elektronische Quelle zur Speisung des Systems Signalwandlung Rekuperationsansatz Wechselrichter Nr. 1 Maschinenansteuerung der elektrischen Maschine (Rekuperation) durch Umrichter Wechselrichter Nr. 2 Umrichter Netzanschluss Controller-Board Generierung der Software-Schnittstellen zur Ansteuerung des Systems Weitere Anschaffungen und Entwicklungen für den Aufbau des Versuchstandes 23

24 Steuerung der modellhaften Anordnung über dspase- System Schnittstelle zur Hardware Programmierung über Matlab- Simulink auf Host- PC Host- PC enthält Schnittstelle 24

25 Geschwindigkeit [km/h] Topologieuntersuchungen elektromobiler Fahrantriebe Implementierung von Fahrzyklen 140 NEFZ x ECE 15 EUCD Zeit [s] Einbindung von Fahrzyklen, wie beispielsweise den NEFZ Prüfung der Parametereinstellungen der FOR oder anderer Regelungen 25

26 Simulation des dualen Energiespeichers 26

27 Simulation des dualen Energiespeichers Einbindung von hartumrechnenden Modellen für die DC/DC-Wandler Einbindung von Fahrzyklen in die Simulation ist möglich Simulationsmodell in Portunus 27

28 Geschwindigkeit [km/h] Topologieuntersuchungen elektromobiler Fahrantriebe Simulation des dualen Energiespeichers 100 FTP Zeit [s] Einbindung des Fahrzyklus FTP 75 in die Simulationsumgebung 28

29 Simulation des dualen Energiespeichers Batteriespannung Stadtwagen, 15 Runden FTP75 (266km) 29

30 Systemoptimierung am Versuchsträger 30

31 Systemoptimierung am Versuchsträger Eingangsgrößen VDDC IGBT I Frequenzumrichter Batterie 3~ IGBT II DSK DC/DC-Wandler PCM Grundstruktur für die Anbindung des dualen Energiespeichers im Fahrzeug 31

32 Systemoptimierung am Versuchsträger Reichweitensteigerung durch Anpassung der Kühlung des Fahrzeugs Erhöhung der Zuverlässigkeit durch angepasste Kühlvariante (geringere Bauteilbelastung Converter alt, Masse in kg Converter neu, Masse in kg Prozentualer Anteil Kühlplatte(n) 2,76 0,56-79,70% Gegenplatte(n) 0,96 0,12-87,50% Anschlussblock 0,09 0,16 +33,00% Gehäuse 1,78 0,56-68,50% Platinen 4,80 4,82-0,40% Gesamt 10,39 6,22-40,20% 32

33 Systemoptimierung am Versuchsträger Untersuchungen zum dezentralen Einbau dualer Energiespeicher Konstruktive Machbarkeitsstudie für die Einbauposition des dualen Energiespeicher mit zusätzlichem Komponentenaufwand 33