Forschungsplattform Multilevel-Inverter

Kernthemen:

• Modulare Forschungsplattform zur Untersuchung und Weiterentwicklung von batterieintegrierten Mehrstufenstromrichter, insbesondere auf Basis der Parallel Enhanced Commutation Integrated Nested (PECIN) Mikrotopologie
• Geeignet für den Netzbetrieb und elektrische Antriebe
• Umfangreiche integrierte Mess- und Analyseinfrastruktur für ganzheitliche Systembewertung 

Kurzbeschreibung:

Unsere Forschungsplattform für batterieintegrierte Mehrstufenstromrichter (Multilevel-Inverter, MLI) ist eine modulare und flexibel erweiterbare Testumgebung zur Untersuchung und Weiterentwicklung neuer Stromrichtertechnologien. Die Forschungsplattform erlaubt uns, batterieintegrierte MLI sowohl im Betrieb am Stromnetz als auch im elektrischen Antriebsstrang unter realistischen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Im Mittelpunkt steht die Untersuchung batterieintegrierter MLI auf Basis der PECIN-Mikrotopologie.

Im Unterschied zu konventionellen Zweipunkt-Stromrichtern basiert das Konzept auf einer modularen kaskadierten MLI-Architektur, bei der einzelne Batteriezellen oder Zellgruppen als unabhängige Spannungsquellen genutzt werden. Durch deren gezielte Zu- und Abschaltung mithilfe von Leistungstransistoren entsteht eine stufenförmige Ausgangsspannung mit einer Vielzahl diskreter Spannungsniveaus. Das ermöglicht eine deutlich bessere Annäherung der Ausgangsspannung an die von der Last erwartete Wellenform (typischerweise sinusförmig) und führt potenziell zu reduzierten Verlusten im Stromrichter sowie der elektrischen Maschine und damit zu einer verbesserten Energieeffizienz.

Ein zentraler Aspekt der Forschungsplattform ist die von uns in diesem Anwendungsbereich eingeführte Mikrotopologie PECIN. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie alle für batterieintegrierte MLI relevanten Schaltzustände unterstützt (offen, seriell, anti-seriell, überbrückt, parallel), aber trotzdem die Anzahl serieller Leistungstransistoren minimiert und somit Durchlassverluste reduziert. Gleichzeitig kann sie mit einer geringen Anzahl von Transistoren realisiert werden und bietet eine hohe Flexibilität in der Steuerung der Ausgangsspannung.

Die flexible Forschungsplattform eröffnet uns in der Forschung diverse Möglichkeiten: Im Bereich der elektrischen Antriebe werden Untersuchungen an einem Back-to-Back-Maschinenprüfstand mit austauschbaren elektrischen Maschinen durchgeführt (Asynchronmaschine, permanenterregte Synchronmaschine, etc.). Eine gekoppelte Lastmaschine ermöglicht die realitätsnahe Abbildung von Betriebszuständen und Fahrzyklen. Für den Netzbetrieb, beispielsweise im Rahmen von Ladevorgängen oder Vehicle-to-Grid-Anwendungen, wird ein leistungsfähiger Netzemulator eingesetzt, der als steuerbare AC- oder DC-Quelle unterschiedliche Netzbedingungen bereitstellen kann.

Ein besonderes Merkmal unserer Forschungsplattform ist das umfangreiche integrierte Datenerfassungssystem zur detaillierten Analyse elektrischer und mechanischer Größen. Erfasst werden unter anderem Phasenströme und -spannungen, Antriebsdrehzahl und -drehmoment sowie sämtliche Zellspannungen und -ströme. Dadurch wird eine ganzheitliche Analyse ermöglicht, die alle relevanten Komponenten (Batterie, Stromrichter, elektrische Maschine) umfasst und ein tiefgehendes Verständnis des Gesamtsystems erlaubt.

Relevante Literatur: