ansys - CAD-FEM GmbH

THEMENSCHWERPUNKT: FORSCHUNG, LEHRE, WEITERBILDUNG
Elektrische Antriebe im Teillastbetrieb:
Wirkungsgradoptimierung der Leistungselektronik
Verlustminimierung
Speziell bei Elektrofahrzeugen ist es besonders wichtig, dass der
Traktionsantrieb bei optimalem Wirkungsgrad betrieben wird,
da die Reichweite bzw. die Kosten der Batterie davon abhängen.
Nachdem der Traktionsantrieb fast ausschließlich in Teillast betrieben
wird, ist die Energieeffizienz in diesem Betriebsbereich zu
steigern. Für die Leistungselektronik kann dies erreicht werden,
indem die stromführende Chipfläche der Transistoren während des
Betriebs variiert wird. Dadurch wird die Verlustenergie in der Leistungselektronik
im realistischen Fahrzyklus um etwa 16 % reduziert.
Die Energieeffizienz elektrischer
Antriebe gewinnt zunehmend an
Bedeutung. Dies gilt nicht nur
für stationäre Anwendungen wie
Pumpen, Lüfter und Windkraftanlagen,
sondern auch für Elektrofahrzeuge. All
diese Anwendungen haben gemeinsam,
dass sie fast ausschließlich in Teillast betrieben
werden. Bei der elektrischen Maschine
kann die Energieeffizienz in Teillast
gesteigert werden, indem konzentrierte
Wicklungen anstatt verteilter Wicklungen
verwendet werden [1], [2], [3], [4]*. Dies
hat wiederum direkte Wirkungsgradvorteile
in der Leistungselektronik, da der
Phasenstrom bei gleichen Anforderungen
in der elektrischen Maschine mit konzentrierten
Wicklungen geringer ausfällt [5]*.
Außerdem kann die Leistungselektronik
auf einen geringeren maximalen Phasenstrom
ausgelegt werden, wodurch eine
weitere Steigerung des Wirkungsgrads der
Leistungselektronik erreicht wird [5], [6]*.
Um die Übersichtlichkeit zu gewährleisten,
wird im Folgenden ein Traktionsantrieb
für Elektrofahrzeuge betrachtet. Die Überlegungen
sind jedoch auf vielfältige Applikationen
übertragbar.
Aufbau der Leistungselektronik
für Traktionsantriebe
Die Leistungselektronik eines Traktionsantriebs
besteht typischerweise aus einer B6-
Brücke mit sechs IGBT-Schaltern und antiparallelen
Dioden. Jeder IGBT-Schalter
und jede Diode sind aus mehreren diskreten
Chips aufgebaut, die parallel geschaltet sind.
Über einen gemeinsamen Treiber je IGBT-
Schalter werden alle IGBT-Chips synchron
ein- und ausgeschaltet (Standardansteuerverfahren).
Die relevanten Verluste in den
Chips können in Durchlass- und Schaltverluste
gegliedert werden. Erstere entstehen,
da die Leistungshalbleiter im leitenden
Zustand über eine Diodenkennlinie
charakterisiert werden, die durch eine
Schwellspannung und einen differentiellen
Widerstand approximiert wird. Dieser differentielle
Widerstand und damit auch der
entsprechende Verlustanteil nehmen mit
steigender Anzahl an parallel geschalteten
Chips ab. Dagegen nehmen die Schaltverluste
mit steigender Anzahl an parallel geschalteten
Chips zu [6]*.
Steigerung des Wirkungsgrades
in Teillast
Diese konträre Korrelation zwischen der
Anzahl an parallel geschalteten Chips und
beiden Verlustanteilen lässt sich nutzen, um
26 CADFEM JOURNAL Infoplaner 02 | 2012
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