Optimale Konfiguration batterieintegrierter Mehrstufenstromrichter

Kernthemen:

• Systematische Analyse der Einflussfaktoren auf die Auslegung modularer batterieintegrierter Mehrstufenstromrichter
• Optimierung der Schaltungstopologie auf Mikro- und Makroebene sowie der Modulkonfiguration unter Berücksichtigung diverser Zielgrößen
• Ganzheitlicher Auslegungs- und Optimierungsprozess für kosten- und effizienzoptimale batterieintegrierte Mehrstufenstromrichter

Kurzbeschreibung:

Die hier dargestellten Ergebnisse wurden im Rahmen der Dissertation von Julia Stöttner erarbeitet, die voraussichtlich Mitte 2026 veröffentlicht wird.

Batterieintegrierte Mehrstufenstromrichter (Multilevel-Inverter, MLI) gelten als eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Zweipunkt-Wechselrichtern im Antriebsstrang batterieelektrischer Fahrzeuge. Durch die Integration von Leistungselektronik direkt auf Zell- oder Modulebene kann die Batteriespannung flexibel zur Erzeugung fein abgestufter Ausgangsspannungen zur Speisung der elektrischen Maschine oder für die Ladung aus dem Stromnetz genutzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen („konzentrierten“) MLI ermöglicht dieser Ansatz eine besonders hohe Stufenzahl und bietet darüber hinaus weitere Vorteile, beispielsweise noch geringere Schaltverluste, aktives Zellbalancing sowie eine erhöhte Fehlertoleranz und Flexibilität des Batteriesystems.

Die zusätzlichen Freiheitsgrade gehen jedoch mit einer deutlich höheren Komplexität bei der Systemauslegung einher. Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung einer systematischen Methode zur Analyse, Bewertung und Optimierung batterieintegrierter MLI. Durch ein vertieftes Verständnis der relevanten Einflussfaktoren und ihrer Wechselwirkungen sollen fundierte Designentscheidungen ermöglicht und Richtlinien für die Auslegung abgeleitet werden.

Zur Schaffung dieser Grundlage wurden zunächst die wesentlichen Designparameter batterieintegrierter MLI identifiziert und systematisch klassifiziert. Anschließend wurde eine Abhängigkeitsmatrix entwickelt, welche direkte und indirekte Beziehungen zwischen den Parametern sichtbar macht. Untersucht wurden unter anderem der Einfluss von Modulzahl, Modulspannung, Schaltfrequenz, Spannungsstufung, Mikro- und Makrotopologie sowie der eingesetzten Modulationsverfahren und Betriebsstrategie. Besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Zusammenhang zwischen der erzeugbaren Spannungsgranularität, dem Oberwellengehalt der Ausgangsspannung, den entstehenden Schalt- und Durchlassverlusten sowie den resultierenden Systemkosten.

Die Abhängigkeitsmatrix zeigt, dass nahezu alle Designparameter eines batterieintegrierten MLI miteinander gekoppelt sind. Eine höhere Spannungsgranularität führt beispielsweise zu einer geringeren Verzerrung der Ausgangsspannungen und ermöglicht bei gleicher Spannungsqualität niedrigere Schaltfrequenzen. Darüber hinaus wurde deutlich, dass asymmetrische Modulkonfigurationen mit unterschiedlich großen Modulen eine vergleichbare Spannungsauflösung wie symmetrische Systeme erreichen können, obwohl deutlich weniger Module benötigt werden. Zusätzliche Freiheitsgrade ergeben sich durch Mikrotopologien mit intrinsischer Polaritätsumkehr, die eine weitere Erhöhung der nutzbaren Spannungsstufen ermöglichen.

Die Wahl der zugrunde liegenden Topologie und Modulstruktur hat einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften batterieintegrierter MLI. Trotz der Vielzahl verfügbarer Topologien existierten bislang jedoch nur wenige allgemeingültige Richtlinien, welche die Auswahl einer geeigneten Struktur für eine bestimmte Anwendung unterstützen.

Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene Mikro- und Makrotopologien systematisch untersucht und miteinander verglichen. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Analyse der neuartigen Parallel-Enhanced-Commutation-Integrated-Nested-Topologie[SD1] (PECIN). Darüber hinaus wurden symmetrische und asymmetrische Modulkonfigurationen gegenübergestellt und neue asymmetrische Ansätze mit sogenannten Puffermodulen betrachtet, die besonders stark beanspruchte Spannungsstufen gezielt entlasten können. Ergänzend wurde untersucht, wie sich Batteriezellen innerhalb eines batterieintegrierten MLI dynamisch parallel schalten lassen, um Belastungen und Verluste weiter zu reduzieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass PECIN einen besonders großen Funktionsumfang bietet. Die Topologie vereint die Möglichkeit zum individuellen Bypassen von Modulen, zur Parallelisierung von Energiespeichereinheiten sowie zur Polaritätsumkehr innerhalb einer vergleichsweise hardwareeffizienten Struktur. Gleichzeitig wird deutlich, dass asymmetrische MLI mit Puffermodulen eine hohe Spannungsauflösung auch bei geringer Modulzahl erreichen können. Topologien mit Parallelisierungsfähigkeit ermöglichen zudem eine deutliche Reduktion der Leitverluste in Batterie und Leistungsschaltern gegenüber Topologien, die dazu nicht in der Lage sind. Während sich die Cascaded-H-Bridge-Topologie (CHB) als besonders kostengünstige Lösung erwies, erzielte PECIN die besten Ergebnisse hinsichtlich der Gesamteffizienz.

Für die Bewertung batterieintegrierter MLI reicht die Betrachtung einzelner Aspekte jedoch nicht aus, denn Verbesserungen in einem Bereich gehen häufig mit Nachteilen in anderen Bereichen einher: So können beispielsweise höhere Wirkungsgrade oder eine bessere Spannungsqualität zusätzliche Hardware erfordern und damit die Kosten oder die Systemkomplexität erhöhen. Für die Entwicklung praxistauglicher Systeme ist daher eine ganzheitliche Bewertungsmethode erforderlich, die verschiedene Zielgrößen gleichzeitig berücksichtigt und ihre Wechselwirkungen transparent macht.

Zu diesem Zweck wurde ein umfassender Optimierungs- und Bewertungsprozess entwickelt. Hierzu gehört ein Kostenmodell für unterschiedliche Topologien und Modulkonfigurationen, das die Kosten der leistungselektronischen Komponenten ebenso berücksichtigt wie den Oberwellengehalt der Ausgangsspannung sowie die entstehenden Schalter- und Batterieverluste.

Darüber hinaus wurde für den Betrieb ein graphenbasierter Optimierungsansatz entwickelt, der für einen gegebenen Betriebszustand den verlustärmsten Strompfad innerhalb des batterieintegrierten MLI bestimmt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Untersuchung dynamischer Parallelverbünde von Batteriezellen. Dabei wurde das sogenannte „Randzellenproblem“ identifiziert, bei dem die äußeren Zellen eines Parallelverbunds aufgrund unterschiedlicher Pfadwiderstände stärker belastet werden als die zentralen Zellen. Zur Vermeidung dieser ungleichmäßigen Beanspruchung wurde eine geeignete Betriebsstrategie entwickelt und analysiert. Abschließend wurden die optimierten Mehrstufenstromrichterkonzepte mit einem konventionellen Zweipunkt-Wechselrichter verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Leitverluste durch den graphenbasierten Optimierungsansatz sowohl im Stromrichter als auch im Batteriesystem spürbar reduzieren lassen. Gleichzeitig konnte das Randzellenproblem wirksam begrenzt werden. Im Vergleich zu konventionellen Zweipunkt-Wechselrichtern zeichnen sich batterieintegrierte MLI durch geringere Schaltverluste, einen deutlich niedrigeren Oberwellengehalt und eine höhere Fehlertoleranz aus. Demgegenüber bleiben klassische Zweipunkt-Wechselrichter hinsichtlich der Hardwarekosten weiterhin im Vorteil.

Die Untersuchungen verdeutlichen insgesamt, dass die Auslegung batterieintegrierter MLI stark von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung abhängt und nur auf Basis einer ganzheitlichen Bewertung getroffen werden kann. Die entwickelte Bewertungsmethode liefert hierfür konkrete Designempfehlungen und unterstützt die zielgerichtete Auslegung zukünftiger elektrischer Antriebssysteme. Gegenüber konventionellen Zweipunkt-Wechselrichtern ergeben sich in vielen Bereichen Vorteile (beispielsweise Schaltverluste, Verzerrung der Ausgangsspannung), in manchen Bereichen jedoch auch Nachteile (insbesondere Kosten, Komplexität), weshalb auch hier das Ergebnis situativ interpretiert werden muss und keine eindeutige Empfehlung gegeben werden kann.

Relevante Literatur: