Systemorientierte Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte

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In dieser Arbeit wird eine Entwurfsmethodik für Fahrzeugladegeräte entwickelt, die eine ganzheitliche Analyse des gesamten Ladesystems ermöglicht. Als Ladesystem werden dabei die Bestandteile Netz, Ladegerät und die Fahrzeugbatterie aufgefasst.
Die Entwurfsmethodik orientiert sich am V-Modell eines Entwicklungsprozesses. Wesentliche Bestandteile der entwickelten Entwurfsmethodik sind eine einheitliche
Methode zur analytischen Modellbildung der Leistungselektronik sowie eine Rapid Prototyping Umgebung. Durch die Methode zur Modellbildung ist eine Analyse der Ladegeräteentwürfe sowie des Ladesystems mit sehr geringem Zeitaufwand möglich. Die Rapid Prototyping Umgebung erlaubt eine schnelle praktische Validierung der Bauelemente, Topologien und Betriebsstrategien des Ladegerätes unter realen
Bedingungen. Beide Bestandteile der Entwurfsmethodik werden in dieser Arbeit entwickelt und dienen der frühzeitigen Eigenschaftenabsicherung im Entwurfsprozess. Sie stünden in einem konventionellen Entwurfsprozess nicht zur Verfügung.
Für den Entwurf eines Fahrzeugladegerätes mit einer Nennleistung von 3,6 kW und Galliumnitrid Leistungshalbleitern wird die Entwurfsmethodik angewendet. Die Vielfalt der zur Verfügung stehenden Topologien wird auf eine aktive Vollbrücke für die
Leistungsfaktorkorrektur sowie einen CLLC-Wandler und eine Dual Active Bridge für den DC/DC-Wandler eingegrenzt. Im Anschluss werden diese Topologien im Rahmen der Entwurfsmethodik auf Komponenten- und Topologieebene modellbasiert und durch Einsatz der Rapid Prototyping Umgebung praktisch analysiert und optimiert. Für die Leistungsfaktorkorrektur wird ein Wirkungsgrad von 98% inkl. des Netzfilters gemessen. Unter den DC/DC-Wandlern erreicht die Dual Aktive Bridge mit 98,7% den höchsten Wirkungsgrad. Auf Systemebene werden insbesondere Betriebsstrategien
mit variabler Zwischenkreisspannung betrachtet. Alle Komponenten des Ladegerätes werden unter realen Bedingungen validiert. Auf den Ergebnissen dieser
Arbeit kann ein optimiertes und eigenständiges Funktionsmuster eines Fahrzeugladegerätes entwickelt werden.

In this thesis a design methodology for vehicle chargers is developed that enables a holistic analysis of the entire charging system. The grid, the charger and the vehicle battery are considered as a charging system. The design methodology is based on the V-model of a development process. Essential components of the developed design methodology are an uniform, analytical modeling method of the power electronics and a rapid prototyping environment. The modeling method allows to analyze the charger design as well as the charging system in a very short time. The rapid prototyping environment allows rapid, practical validation of the charger’s devices, topologies and operating strategies under real-world conditions. Both components of the design methodology are developed in this work and are used for early property validation in the design process. They would not be available in a conventional design process.
The design methodology is applied to the design of a vehicle charger with a rated power of 3,6 kW and Gallium nitride semiconductor devices. The variety of available topologies is narrowed down to a full active bridge for the power factor correction as well as a CLLC converter and a dual active bridge for the dc-dc converter. Subsequently, these topologies are analyzed and optimized on component and topology level based on the analytical models and by using the rapid prototyping environment for practical investigations. For the power factor correction an efficiency of 98% including the line filter is measured. Among the DC/DC converters, the dual active bridge achieves the highest efficiency of 98,7%. At the system level, operating strategies with variable dc link voltage are considered in particular. All components of the charger are validated under real-world conditions. Based on the results of this work an optimized and independent evaluation model of a vehicle charger can be developed.