Systemorientierte Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte.

Format:

Book

Author/Creator:

Siebke, Konstantin.

Language:

German

Subjects (All):

Battery charging stations (Electric vehicles).

Electric vehicles.

Physical Description:

1 online resource (277 pages)

Edition:

1st ed.

Place of Publication:

Göttingen : Cuvillier Verlag, 2021.

Summary:

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 einheitlicheMethode 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 realenBedingungen. 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 dieLeistungsfaktorkorrektur 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 Betriebsstrategienmit variabler Zwischenkreisspannung betrachtet. Alle Komponenten des Ladegerätes werden unter realen Bedingungen validiert. Auf den Ergebnissen dieserArbeit 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.

Contents:

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.

Notes:

Description based on publisher supplied metadata and other sources.

Part of the metadata in this record was created by AI, based on the text of the resource.

ISBN:

9783736964846

3736964846

OCLC:

1266905029