Verluste in batterieintegrierten Mehrstufenstromrichtern

Kernthemen:

• Entwicklung und experimentelle Validierung eines erweiterten analytischen Modells der Schaltverluste in Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET) in Halbbrückenkonfiguration
• Untersuchung und Reduktion der Kommutierungsinduktivität in rekonfigurierbaren Batteriesystemen sowie batterieintegrierten Mehrstufenstromrichtern
• Ganzheitlicher simulativer Effizienzvergleich zwischen einem elektrischen Antrieb mit konventionellem Stromrichter und einem Antrieb mit batterieintegriertem Mehrstufenstromrichter

Kurzbeschreibung:

Die hier dargestellten Ergebnisse wurden im Rahmen der Dissertation von Christian Hanzl erarbeitet, die voraussichtlich Anfang 2027 veröffentlicht wird.

In elektrischen Fahrzeugen erfolgt die Umwandlung der Batterie-Gleichspannung in die Wechselspannung für die elektrische Maschine heute überwiegend mittels Zweipunkt-Wechselrichtern, die auf IGBT-Technik (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) oder zunehmend auf SiC-MOSFET-Technik (Siliziumkarbid-Isolierschicht-Feldeffekttransistor) basieren. Trotz wesentlicher Fortschritte in der Leistungshalbleitertechnik entstehen im elektrischen Antriebsstrang weiterhin relevante Verluste, wobei Wechselrichter und elektrische Maschine zusammen etwa 50 % der Gesamtverluste ausmachen. Selbst durch den Einsatz moderner Halbleitertechnologien wie SiC oder Galliumnitrid (GaN) lassen sich diese Verluste nur begrenzt weiter reduzieren, da grundlegende strukturelle Nachteile konventioneller Zweipunkt-Topologien bestehen bleiben, insbesondere hohe Stufen in der Ausgangsspannung und daraus resultierende Oberschwingungen.

Vor diesem Hintergrund rücken Mehrstufenstromrichter (Multilevel-Inverter, MLI) zunehmend in den Fokus von Forschung und Entwicklung, da sie durch feinere Abstufung der Ausgangsspannung eine effizientere Energiewandlung ermöglichen und damit erlauben, die Effizienz weiter zu steigern. Ein interessanter Ansatz sind batterieintegrierte MLI auf Basis rekonfigurierbarer Batteriesysteme, die in unserer Forschungsgruppe intensiv untersucht werden. Allerdings beruhen die bislang in der wissenschaftlichen Literatur dargestellten Vorteile batterieintegrierter MLI überwiegend auf vereinfachten, simulationsbasierten Studien, deren Aussagekraft hinsichtlich realer Systeme eingeschränkt ist. Daraus ergibt sich der Bedarf für eine detaillierte, physikalisch fundiertere und systemorientierte Analyse, die sowohl einzelne Verlustmechanismen als auch deren Wechselwirkungen im Gesamtsystem berücksichtigt. Hier möchten wir mit unserer Forschung einen Beitrag leisten und herausarbeiten, ob batterieintegrierte MLI eine Verbesserung der Effizienz elektrischer Antriebe ermöglichen, und wenn ja, zu welchem Preis. 

Eine zentrale Voraussetzung für eine belastbare Bewertung ist die präzise Erfassung der im MLI entstehenden Schaltverluste. Bestehende Modelle stießen hierbei jedoch an ihre Grenzen: Sie waren entweder zu stark vereinfacht und vernachlässigten wesentliche physikalische Effekte, oder sie waren so komplex, dass ihr Einsatz in einer vollständigen Antriebssimulation, um die Gesamtverluste zu ermitteln, praktisch nicht möglich war. Insbesondere parasitäre Kommutierungsinduktivitäten, die in batterieintegrierten MLI eine deutlich größere Rolle als in Zweipunkt-Wechselrichtern einnehmen, wurden bislang häufig nicht adäquat berücksichtigt.

Vor diesem Hintergrund haben wir ein erweitertes analytisches Schaltverlustmodell für MOSFETs in Halbbrückenkonfiguration entwickelt und anhand praktischer Versuche validiert, das eine geschlossene Beschreibung der relevanten Schaltvorgänge ermöglicht. Dabei haben wir neben nichtlinearen kapazitiven Effekten insbesondere die Einflüsse parasitärer Induktivitäten systematisch in die Modellierung integriert. Gleichzeitig ist das Modell gezielt auf geringe Rechenkomplexität ausgelegt, sodass es sich für die Integration in übergeordnete Simulationen eignet. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Modell eine deutlich höhere Genauigkeit als bestehende analytische Ansätze erreicht, bei gleichzeitig geringerer Rechenkomplexität. Damit bildet es eine wichtige Grundlage für verlässliche Effizienzanalysen auf Systemebene. 

Die mithilfe des Modells gewonnenen Erkenntnisse zeigten, dass parasitäre Kommutierungsinduktivitäten einen entscheidenden Einfluss auf die Schaltverluste batterieintegrierter MLI haben. Die Induktivitäten fallen hier besonders groß aus, da die Kommutierungsschleifen im Gegensatz zu konventionellen Stromrichtern die Batteriezellen selbst einschließen, weil in der Regel keine Kondensatoren zur Entkopplung vorhanden sind, da sie nicht zwingend notwendig sind und sich zudem nur schwierig in die Aufbauten integrieren lassen. Infolgedessen wird ein signifikanter Anteil der Gesamtverluste durch die geometrisch bedingten Streuinduktivitäten des Zell- und Modulaufbaus bestimmt. Klassische Ansätze zur Reduktion parasitärer Induktivitäten aus der Stromrichtertechnik, insbesondere durch optimierte Leiterplattenkonstruktion, greifen in diesem Kontext daher nur eingeschränkt.

Zur gezielten Verringerung dieser Verluste erfolgte zunächst eine detaillierte elektromagnetische Analyse der Strompfade innerhalb batterieintegrierter MLI, sowohl konzeptionell als auch mittels Simulation. Auf dieser Grundlage wurden die dominanten Beiträge zur Kommutierungsinduktivität identifiziert. Darauf aufbauend wurde ein neuartiges Konzept zur Reduktion der parasitären Induktivität entwickelt: eine sogenannte Auxiliary-Loop. Dabei handelt es sich um eine Leiterschleife, die einen Großteil des Streuflusses gezielt erfasst, freilaufen lässt, oder sogar regeneriert, und damit die effektive Induktivität der Kommutierungsschleife reduziert.

Unsere Simulations- und Versuchsergebnisse zeigten, dass sich durch diesen Ansatz die Kommutierungsinduktivität deutlich verringern lässt, was unmittelbar zu messbaren Reduktionen der Schaltverluste führte. Gleichzeitig ist das Konzept auf verschiedene Ausführungen batterieintegrierter MLI übertragbar.

Aufbauend auf den detaillierten Untersuchungen einzelner Verlustmechanismen stellte sich schließlich die Frage nach den Auswirkungen auf die Gesamteffizient des Antriebs. In der wissenschaftlichen Literatur fanden sich hierzu teils widersprüchliche Ergebnisse, speziell hinsichtlich des Vergleichs zwischen konventionellen Zweipunkt-Stromrichtern und batterieintegrierten MLI. Ein wesentlicher Grund hierfür war die häufig fehlende Betrachtung auf Systemebene, bei der insbesondere die Wechselwirkungen zwischen Stromrichter und elektrischer Maschine nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Zudem wurden in vielen Studien relevante Verlustanteile, etwa in der Batterie oder durch thermische Effekte, vernachlässigt, was die Aussagekraft der Ergebnisse weiter einschränkte.

Um eine belastbare Bewertung zu ermöglichen, wurde daher eine detaillierte Simulation des gesamten elektrischen Antriebsstrangs durchgeführt, die Batterie, Stromrichter und elektrische Maschine gleichermaßen umfasst. Dabei wurden sowohl thermische Modelle als auch realistische Lastprofile, beispielsweise auf der Grundlage standardisierter Fahrzyklen, integriert. Im Zentrum des Vergleichs stand ein konventioneller Zweipunkt-Stromrichter im Vergleich zu einem modularen batterieintegrierten MLI mit Halbbrücken-Konfiguration auf Modulebene.

Die Ergebnisse erlaubten eine differenzierte Beurteilung der beiden Ansätze: Während batterieintegrierte MLI bei Nennleistung nicht zwangsläufig höhere Wirkungsgrade aufweisen, zeigen sich deutliche Vorteile im realen Fahrbetrieb im Teillastbereich. Diese resultieren jedoch insbesondere aus der verbesserten Nutzung der im Batteriesystem gespeicherten Energie durch die Möglichkeiten rekonfigurierbarer Batteriesysteme, da durch aktives Balancing eine vollständigere Ausnutzung einzelner Zellen ermöglicht wird, nicht zwingend durch den Betrieb als MLI. An dieser Stelle müssen wir jedoch betonen, dass sich diese Ergebnisse nur auf einen batterieintegrierten MLI mit Halbbrücken-Topologie beziehen. Bei batterieintegrierten MLI mit der von uns maßgeblich entwickelten PECIN-Topologie vermuten wir ein Ergebnis zugunsten des MLI.

Insgesamt zeigt die Arbeit, dass eine fundierte Bewertung und Weiterentwicklung batterieintegrierter MLI nur durch eine ganzheitliche Betrachtung möglich ist, vom Schaltvorgang bis zum Zusammenspiel mit der elektrischen Maschine beziehungsweise weiterer Lasten. Erst die Verknüpfung erlaubt eine belastbare Einschätzung der tatsächlichen Effizienzpotenziale. Damit leistete unsere Arbeit einen wichtigen Beitrag zur anwendungsnahen Forschung und Entwicklung, indem sie nicht nur neue technische Konzepte aufzeigt, sondern auch die methodischen Grundlagen für deren realistische Bewertung und zielgerichtete Optimierung im Gesamtsystem schaffte.

Relevante Literatur: