Betriebsstrategien und Wirkungsgrade eines Inverters mit variabler Zwischenkreisspannung

Für den elektrischen Antriebsstrang in Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen ergeben sich von dem Energiespeicher bis zur elektrischen Maschine verschiedene Topologien. Grundsätzlich ist zwischen einem Energiespeicher, der die Gleichspannung U_Sp zur Verfügung stellt, und einer Drehstrom-E-Maschine ein Inverter notwendig. Je nach Art des Energiespeichers unterscheidet sich der betriebsbedingte Abfall der Speicherspannung U_Sp. Dies kann zusätzlich eine Anpassung der Zwischenkreisspannung U_ZK notwendig machen. Bei einer Brennstoffzelle verringert sich die Klemmenspannung zwischen Leerlauf und Volllast typischerweise um ca. 50%. Bei einer Batterie beträgt bei gleichen Bedingungen der Spannungsabfall etwa 20%. In ähnlicher Größenordnung liegt auch der Spannungsabfall zwischen dem vollgeladenen und dem entladenen Zustand.

Eine Reduzierung der Speicherspannung U_Sp führt unmittelbar zu einer Reduzierung der Zwischenkreisspannung U_ZK und somit zu abfallender maximaler Motorleistung. Bei einer Brennstoffzelle bedingt der starke Spannungseinbruch notwendigerweise eine Spannungsanpassung mittels DC/DC-Wandler. Bei Batterie betriebenen Fahrzeugen wird derzeit (Stand Anfang 2012) die Batterie bzw. der Motor so ausgelegt, dass er die Nennleistung auch bei niedrigem SOC der Batterie liefen kann. Dies führt jedoch dazu, dass der Motor bei höherem SOC eine ungenutzte Leistungsreserve hat.

Um dies zu umgehen, kann die Spannungsanpassung mittels DC/DC-Wandlung auch auf Batterie betriebene Fahrzeuge übertragen werden. Die Zwischenkreisspannung kann beispielsweise auf den maximalen Spannungswert des Energiespeichers stabilisiert werden. Auch eine Betriebspunkt abhängige Zwischenkreisspannung ist denkbar. Dies ermöglicht auch bei höheren Motordrehzahlen eine Abgabe des maximalen Drehmomentes. Bei kleineren Drehzahlen kann eine Absenkung der Zwischenkreisspannung zu geringeren Schaltverlusten im Inverter führen. Über eine Gesamtsimulation des elektrischen Antriebsstranges kann hierfür eine geeignete Betriebsstrategie ermittelt werden. Der (Serien-)Einsatz eines DC/DC-Wandlers im Kfz-Bereich stellt jedoch an die Komponenten der Leistungselektronik besonders hohe Anforderungen an Wirkungsgrad, Kosten und Masse.

Ein vielversprechender Ansatz, um den Kriterien gerecht zu werden, stellt der multiphasige Synchronwandler mit gekoppelten Induktivitäten dar. Hierüber ist auch eine Rekuperation von Bremsenergie möglich. Die multiphasige Auslegung ermöglicht ein Downsizing der Bauteile und führt zu geringeren Verlusten. Durch die Kopplung der Spulen kann deren Kern kleiner ausgelegt werden, da sich die magnetischen Flüsse der Gleichanteile der Spulenströme gegenseitig aufheben. Die Kopplung der Spulen erfordert jedoch eine komplexere Regelungsstrategie.