4 Leistungselektronik Intro

In diesem Kapitel werden die notwendigen Bauteile zur Umwandlung der Spannungen bei den entsprechenden Betriebszuständen beschrieben.

Folgende Betriebszustände werden dabei unterschieden:

  • Rein elektrisches Fahren: Umwandlung von DC der Hochvoltbatterie in eine 3-Phasen-AC durch den Inverter.
  • Rekuperieren (generatorisches Laden): Umwandlung von 3-Phasen-AC in DC für die Hochvoltbatterie durch den Konverter.
  • Aufladen: Umwandlung von Wechselstrom aus dem Hausnetz (230V bzw. 380V) in einen Gleichstrom zum Laden der Hochvoltbatterie. Über einen DC/DC-Wandler wird zusätzlich die Batterie des Bordnetzes geladen. (DC/DC-Wandler: siehe Modul: Batterietechnik)

4.1 Fahrbetrieb 1

Inverter (Wechselrichter) wandeln HV-Gleichspannung in eine Drei-Phasen-Wechselspannung zum Antrieb der Drehstrommotoren um. Dabei erreichen sie Wirkungsgrade von 98%.https://moodle-files.alp.dillingen.de/kfz/bilder/modul03A/inverter_600.png

Erzeugung der Wechselspannung

Sechs Hochleistungs-Bipolar-Transistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs isolated-gate bipolar transistor) dienen der Spannungsumwandlung im Inverter. Mittels PWM-Signal werden die Transistoren angesteuert.

Die dabei entstehenden variablen Ein- u. Ausschaltzeiten der Transistoren dienen der Erzeugung des sinusförmigen Wechselstroms. Am Anfang und am Ende einer Sinus-Halbwelle ist das Tastverhältnis sehr gering. Am Scheitelpunkt muss das Tastverhältnis innerhalb dieser Halbwelle am Höchsten sein.

Merke:
Je kleiner das Tastverhältnis, desto kleiner der daraus resultierende Strom und desto steiler der Stromanstieg (und umgekehrt).

 

4.2 Fahrbetrieb II

Das bedeutet, dass bei geringerer Lastanforderung an den Elektromotor der resultierende Strom geringer werden soll. Das Tastverhältnis innerhalb einer Halbwelle wird somit geringer (siehe Bild). Wird maximale Last angefordert, ist das Tastverhältnis am Scheitelpunkt 100%. Der daraus resultierende Wechselstrom ist am Höchsten.

Die Vorteile solcher IGBTs liegen in dem guten Durchlassverhalten, der hohen Sperrspannung, der Robustheit und der nahezu leistungslosen Ansteuerung. Sie können Ströme bis zu 3600 A und einen Spannungsbereich bis 6,5 kV bei einer maximalen Frequenz von 200 kHz schalten. Sie sind also für hohe Leistungen und hohe Frequenzen geeignet. Nachteilig sind die großen Schaltverluste, besonders beim Abschalten (Stromschweif). Neue IGBTs schalten wesentlich präziser, wodurch dieser Nachteil abgeschwächt wird.Mit Hilfe einer H-Brücke aus IGBTs wird die negative Halbwelle der Wechselspannung erzeugt (jeweils im Bild mit Pfeilen einzeichnen). Die Spule wird somit in entgegengesetzter Richtung bestromt. Für die Erzeugung eines sinusförmigen Wechselstroms in einer Spule sind vier IGBTs nötig.Der durch Pulsweitenmodulation erzeugte sinusförmige Strom wird durch hochfrequente Störungen überlagert. Es werden Frequenzen außerhalb des menschlichen Hörbereichs verwendet:

Die Drehzahl des Elektromotors wird über die Frequenz des Wechselstromes verändert. Bei steigender Frequhttps://moodle-files.alp.dillingen.de/kfz/bilder/modul03A/pwm02_600.pngenz wird die absolute Schaltzeit bei gleichem Tastverhältnis kürzer. Die Kurve des induzierten Stromes steigt deshalb steiler an. Das Tastverhältnis innerhalb einer Halbwelle bleibt jedoch gleich. Für die IGBTs heißt dies, dass sie in kürzeren Zeitabschnitten aufgrund der höheren Frequenz die gleiche Anzahl an Schaltvorgängen vollziehen müssen  Die Amplitude des Wechselstroms bleibt bei gleicher Last konstant, die Periodendauer nimmt hingegen bei zunehmender Drehzahl ab.

Im Vergleich zum ersten Bild zeigt das zweite Bild die doppelte Frequenz (Drehzahl).

4.3 Rekuperieren

Ähnlich wie beim Drehstromgenerator wird die dreiphasige Wechselspannung durch eine Sechspuls-Brückenschaltung in eine Gleichspannung umgewandelt.

Bei der Rekuperation wird die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt und in der HV-Batterie gespeichert. Durch den generatorischen Betrieb der E-Maschine wird das Fahrzeug abgebremst.https://moodle-files.alp.dillingen.de/kfz/bilder/modul03A/gleichrichten_600.png

 Mitsubishi z.B. unterscheidet drei Rekuperationsstufen:

  • Drive D – normale Rekuperation
  • Brake B – starke Rekuperation, z.B. bei Bergabfahrten
  • Comfort C – geringe Rekuperation für höheren Fahrkomfort

 Bei den unterschiedlichen Rekuperationsstufen wird immer ein genau einprogrammierter Strom zurückgewonnen. Dies geschieht, sobald der Fahrer vom Gas geht. Je nach gewählter Rekuperationsstufe wird mit unterschiedlichen Stromstärken gebremst. Im Diagramm (ohne Bremse) wird bei Stufe B mit dem höchsten Strom gebremst, was eine stärkere Verzögerung verursacht. Im Modus C (Stadtverkehr) ist der Rekuperationsstrom geringer, damit ein dauerndes Nicken des Fahrzeugs beim Verzögern und Beschleunigen verringert wird.

Wird zusätzlich das Bremspedal betätigt, misst ein Bremsdrucksensor den Bremsdruck in der Leitung und gibt dieses Signal an das Steuergerät. Zunächst werden nur die Beläge angelegt und die Bremsung erfolgt durch Rekuperation mit nahezu verdoppelter Stromstärke. Noch höhere Verzögerungswerte werden über die hydraulische Bremsanlage erreicht.

 https://moodle-files.alp.dillingen.de/kfz/bilder/modul03A/dreistufen_600.png