Systemorientierte Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte
Konstantin Siebke
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.
