Holistische Mehrzieloptimierung von dreiphasigen Leistungsumrichtern für elektrische Sportwagen

Die Transition von konventionellen verbrennungsmotorischen hin zu elektrischen Antrieben ist aktuell im vollen Gange. Im Automobilsektor fällt die Wahl des elektrischen Energiewandlers im elektrischen Antrieb meist auf einen Zweilevel Leistungsumrichter, basierend auf Silizium IGBT Schaltern. Für den Elektromotor kommt eine permanentmagneterregte Synchronmaschine zum Einsatz. In elektrischen Sportwagen hat die Integration des Leistungsumrichters eine essentielle Bedeutung, wobei der Fokus auf einem geringen Bauvolumen des Leistungsumrichters bei maximaler elektrischen Reichweite liegt.Um diesen Drahtseilakt erfolgreich zu meistern, stellt diese Arbeit einen holistischen Ansatz für die Auslegung des Leistungsumrichters vor. Mittels der Mehrzieloptimierung wird ein optimal ausgelegter Leistungsumrichter hinsichtlich der Leistungsdichte und der elektrischen Reichweite berechnet.Dafür werden zunächst Fahrzyklen für die sportliche Fahrweise als auch für die Ermittlung des Energieverbrauchs vorgestellt. Mithilfe einer Anforderungsanalyse werden Strom- und Zeitwerte ermittelt, die innerhalb der Optimierung sichherstellen, dass der Leistungsumrichter kein Derating aufweist.Neue Topologien mit SiC und GaN Leistungshalbleitern für den Automobilsektor werden vorgestellt und bewertet. Die variable Schaltfrequenz als auch eine variable DC-Spannung werden holistisch für den Leistungsumrichter und den Elektromotor bewertet und optimiert.Die Verlustmodelle werden anhand Prüfstandmessungen mit guter Genauigkeit validiert. Die Optimierungsergebnisse der vorgestellten Konzepte zeigen eine mögliche Steigerung der elektrischen Reichweite von 4.5 % bei einer Verdopplung der Leistungsdichte des Leistungsumrichters auf bis zu 118 kW/l im Vergleich zu heutigen Systemen.

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