Effizienzvergleich zwischen batterieintegrierten Mehrstufenstromrichtern und konventionellen Zweipunkt-Stromrichtern

Kernthemen:

• Erprobung batterieintegrierter Mehrstufenstromrichter zur Effizienzsteigerung des Antriebsstrangs von Elektrofahrzeugen
• Vergleich mit konventionellem Antriebsstrang auf Basis eines Zweipunkt-Stromrichters
• Experimentelle Untersuchung unter realistischen Betriebsbedingungen

Kurzbeschreibung:

Die Effizienz des elektrischen Antriebs ist entscheidend für den Energiebedarf, die Reichweite und die Ladegeschwindigkeit von Elektrofahrzeugen. Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die eingesetzte Stromrichtertechnik. In Elektrofahrzeugen kommen bisher überwiegend Zweipunkt-Stromrichter zum Einsatz. Diese wandeln die Gleichspannung der Batterie mittels Pulsweitenmodulation in eine rechteckige Wechselspannung mit lediglich zwei Spannungsniveaus um. Dabei wird die vollständige Batteriespannung geschaltet, was hohe Anforderungen an die Leistungstransistoren stellt und gleichzeitig zu hohen Schalt- und Durchlassverlusten führt. Zudem entsteht durch die begrenzte Anzahl von Spannungsstufen keine sinusförmige Ausgangsspannung, wie sie von der elektrischen Maschine erwartet wird, was zusätzliche Verluste in der elektrischen Maschine verursacht.

Hier setzen Mehrstufenstromrichter (Multilevel-Inverter, MLI) an: Sie können die Ausgangsspannung aus mehr als zwei diskreten Spannungsstufen erzeugen. Diese erlaubt eine bessere Annäherung an eine sinusförmige Ausgangsspannung, wodurch Oberwellen reduziert und die damit verbundenen Verluste in der elektrischen Maschine verringert werden. Gleichzeitig ist die Spannungsänderungen pro einzelnem Schaltvorgang geringer, was die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der Leistungstransistoren reduziert und zudem den Einsatz effizienterer Technologien ermöglicht.

Für den Einsatz in Elektrofahrzeugen sind ab einer gewissen Zahl erforderlicher Schaltstufen insbesondere batterieintegrierte MLI von Interesse. Durch die Integration zusätzlicher Leistungselektronik in die Batterie wird das gezielte Zu- und Abschalten einzelner Zellen ermöglicht, was zu einer fein abgestuften Ausgangsspannung führt.

Obwohl batterieintegrierte MLI theoretisch großes Potenzial zur Effizienzsteigerung des elektrischen Antriebs bieten, fehlt bislang eine umfassende experimentelle Bewertung unter realistischen Bedingungen. Das möchten wir ändern und untersuchen daher die tatsächlich erreichbaren Effizienzvorteile durch den Einsatz batterieintegrierter MLI mithilfe unserer Forschungsplattform für batterieintegrierte MLI, die sowohl ein konventionelles Batteriesystem mit Zweipunkt-Stromrichter als auch einen batterieintegrierten MLI mit der PECIN-Mikrotopologie umfasst. Beide Stromrichter treiben dieselbe, in einen Back-to-back-Prüfstand integrierte, elektrische Maschine an, sodass ein direkter Vergleich der Systemeffizienz möglich ist.

Der Effizienzvergleich erfolgt anhand standardisierter Fahrzyklen sowie durch die gezielte Untersuchung charakteristischer Drehmoment-Drehzahl-Betriebspunkte. Die umfangreiche Messtechnik der Forschungsplattform erlaubt uns zudem die detaillierte Analyse der Verlustanteile aller Antriebskomponenten (Batterie, Stromrichter, elektrische Maschine).

Unser Ziel ist, das Effizienzpotenzial von batterieintegrierten MLI realistisch einzuordnen. Wir erwarten, dass die gewonnenen Erkenntnisse einen wichtigen Beitrag zur Bewertung zukünftiger Antriebskonzepte für Elektrofahrzeuge leisten. Langfristig können so energieeffizientere Antriebe entwickelt werden, die zur Erhöhung der Fahrzeugreichweite sowie zur Reduktion des Energieverbrauchs beitragen.