Einstufiger Ladegleichrichter auf Basis eines LLC-Resonanzwandlers
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Heutige On-Board-Ladewandler sind typischerweise aus zwei Stufen aufgebaut, die über einen Spannungszwischenkreis verbunden sind. Als erste Stufe kommt ein PFC-Gleichrichter zum Einsatz, der die Anforderungen an den Netzstrom bezüglich Oberschwingungsgehalt und Leistungsfaktor sicherstellt. Für die zweite Wandler-Stufe hat sich in den vergangenen Jahren ein LLC-Resonanzwandler qualifiziert, der die Ladeleistung an die Traktionsbatterie galvanisch getrennt überträgt und die Spannungsanpassung bewerkstelligt. Der Zwischenkreis besteht aus einer Bank von Elektrolytkondensatoren, in denen die pulsierende Eingangsleistung zwischengespeichert wird. Die Kondensatoren tragen jedoch erheblich zum Bauvolumen des Laders bei und altern schnell, was insbesondere für Ladewandler an Bord von Elektrofahrzeugen unerwünscht ist. Im vorliegenden Projekt wurde untersucht, ob diese zweistufige Struktur verworfen werden kann, indem der LLC-Resonanzwandler direkt an die gleichgerichtete Netzspannung angeschlossen wird. Zum Einsatz des LLC-Resonanzwandlers als einstufiger Ladewandler ist die Schaltung für einen großen Strom- und Spannungsbereich auszulegen. Als Grundlage wurde zunächst eine erweiterte Zeitbereichsanalyse erarbeitet, deren hohe Modellierungsgenauigkeit experimentell nachgewiesen wurde. Mit Hilfe dieser Zeitbereichsanalyse wurden die Belastungsgrößen des Resonanzwandlers berechnet, um hiermit eine Vorauswahl der Schaltungsparameter treffen zu können. Darauf aufbauend erfolgte eine systematische Optimierung des integrierten Transformators als Schlüsselkomponente des Ladewandlers sowie dessen prototypische Realisierung. Um den entworfenen einstufigen Ladewandler am öffentlichen Versorgungsnetz zu betreiben, bedarf es einer Regelung mit hoher Dynamik und Robustheit, wofür sich konventionelle Regelungsansätze nicht gut eignen. Daher wurde eine neuartige Kaskaden-Hystereseregelung für den LLC-Resonanzwandler entworfen, die sowohl die erforderliche Dynamik als auch Robustheit gegenüber Bauteilstreuungen aufweist. Abschließend wurde an einem Prototypen die erzielbare Leistungsdichte ermittelt. Verglichen mit etablierten Ladewandlern der heutigen Elektrofahrzeuge konnte durch den einstufigen Ansatz die Leistungsdichte um ca. 53% gesteigert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Frequency- and Mode-Adaptive Control of DC-DC Converter for Efficency Improvement, PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2016, pp. 1-8
L. Keuck, F. Almai, S. Bolte, N. Froehleke and J. Böcker
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A Comparative Study on Si-SJ-MOSFETs vs. GaN-HEMTs Used for LLC-Single-Stage Battery Charger, PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2017, pp. 1- 8
L. Keuck, P. Hosemann, B. Strothmann and J. Böcker
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Adaptive Frequency Control of DC-DC-Converters for Maximum Efficiency Using Artificial Neural Network, PCIM Europe 2018; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2018, pp. 1- 8
L. Keuck, A. Munir, F. Schafmeister and J. Böcker
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Switching Loss Characterization of Wide Band-Gap Devices by an Indirect Identification Methodology. In: Proc. 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE-ECCE Europe). EPE; 2018:1-10
L. Keuck, N. Jabbar, F. Schafmeister, J. Böcker
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Computer-Aided Design and Optimization of an Integrated Transformer with Distributed Air Gap and Leakage Path for an LLC Resonant Converter. 2019 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) (2019, 3), 1415-1422. American Geophysical Union (AGU).
Keuck, L.; Schafmeister, F. & Bocker, J.
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Computer-Aided Design and Optimization of an Integrated Transformer with Distributed Air Gap and Leakage Path for LLC Resonant Converter, PCIM Europe 2019; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2019, pp. 1-8.
L. Keuck; F. Schafmeister; J. Böcker; H. Jungwirth & M. Schmidhuber
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Robust Hysteresis Control for Full-Bridge LLC Resonant Converters Using an Isolated Measurement Scheme, PCIM Europe 2022; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2022, pp. 1-6.
L. Keuck; F. Schafmeister & J. Böcker
