Modellierung und Designoptimierung eines isolierten Mittelspannungs-DC-DC-Wandler für Ladestationen für Elektrofahrzeuge

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marco Liserre, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492987385

Die Elektrifizierung des Verkehrssektors erfordert die Entwicklung einer geeigneten Schellladeinfrastruktur mit effizienter Anbindung an das Verteilnetz. Die aktuelle Lösung basiert auf einem Verteilertransformator für die Verbindung der Ladestationen mit dem Mittelspannungs-Verteilungsnetz und beinhaltet somit eine galvanische Trennung zum Netz durch den 50Hz-Transformator und eine zweite galvanische Trennung zwischen dem Niederspannungsnetz und den einzelnen Fahrzeugen. Aufgrund der zwei isolationsstufen benötigt diese Architektur eine große Standfläche und verursacht erhebliche Verluste beim Laden der Fahrzeuge. Daher werden Lösungen benötigt, die die Umwelteinflüsse durch die Ladeinfrastruktur und die Verluste bei der Energieumwandlung reduzieren und gleichzeitig eine Skalierbarkeit der Ladepunkte bieten.Als Lösung schlägt dieses Projekt einen isolierten Mittelspannungs-DC-DC-Wandler vor, der in ein Mittelspannungsgleichstrom-Verteilnetz integriert ist. Dieses besteht aus einem Mittelspannungs-Gleichrichter zur Regelung der Gleichspannung und isolierten Mittelspannungsspannungs-DC-DC-Wandlern für den Anschluss der einzelnen Ladepunkte. Somit wird lediglich eine Isolationsstufe verwendet, anstelle von zwei, wie sie in aktuellen kommerziellen Ladestationen zu finden sind.Die Schlüsselkomponente der vorgeschlagenen Lösung ist ein Mehrwicklungs-Mittelfrequenztransformator (MFT), der nicht nur die galvanische Trennung, sondern auch mehrere Hochleistungs-Ladepunkte am selben Anschlusspunkt ermöglicht. Auf der Primärseite (Mittelspannung) wird ein einphasiger modularer Multilevelumrichter (MMC) eingesetzt und zum Anschluss der sekundärseitigen Ausgänge werden konventionelle H-Brücken verwendet. Die Topologie adressiert die strategischen Ziele des Projekts: hohe Effizienz und Leistungsdichte sowie Skalierbarkeit. Diese Ziele können jedoch nur durch eine Modellierung und Optimierung des vorgeschlagenen Hochleistungs-Mittelspannungs-DC-DC-Wandlers auf Systemebene erreicht werden.Der Modellierungs- und Design-Optimierungsprozess des vorgeschlagenen Mittelspannungs-DC-DC-Wandlers ist in drei Arbeitspakete aufgeteilt: (I) Softwareentwicklung für die Analyse auf Systemebene, (II) ƞρ-Pareto-Optimierung des Mehrwicklungs-MFT und (III) Hardware-Implementierung und Validierung. Die Software zur Analyse auf Systemebene berücksichtigt die Modulation des MMC, die Entkopplung der Leistungsflüsse zwischen den Ladepunkten, die Grenzen des weichschaltenden Betriebs, die Reduktion der MMC-Zellkondensatoren und den Wirkungsgrad des MMC. Der Entwurf der Transformator-Kerngeometrie, die Auswahl der Kern- und Isolationsmaterialien, die Wicklungstopologie, die Auswirkung der Modulation auf den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte des Mehrwicklungs-MFT sind im zweiten Arbeitspaket vorgesehen. Die abschließende experimentelle Validierung der optimalen Auslegung des DC-DC-Wandlers erfolgt unter Verwendung eines Hardware-Demonstrators in Arbeitspaket III.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Kooperationspartner: Professor Giampaolo Buticchi, Ph.D.