Betriebsverhalten und Performance fehlertoleranter Dreipunkt-Antriebswechselrichter für batterieelektrische Fahrzeuge

Titelangaben

Häring, Johannes:
Betriebsverhalten und Performance fehlertoleranter Dreipunkt-Antriebswechselrichter für batterieelektrische Fahrzeuge.
Bayreuth , 2025 . - xvii, 180, LI S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Dreipunkt-Wechselrichter sind aufgrund ihrer hohen Effizienz, der besseren Spannungsgüte gegenüber Zweipunktstrukturen und der Möglichkeit zur Verwendung von Halbleitern niedrigerer Sperrspannung in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen verbreitet. Mit Einführung der 800V Batteriespannungsebene zur Erhöhung der DC-Ladeleistung von elektrischen Fahrzeugen öffnet sich nun ein neuer Einsatzbereich. Die Anforderungen an Antriebswechselrichter unterscheiden sich jedoch insbesondere im Automobil signifikant von anderen Anwendungsgebieten, weshalb bisher keine Fahrzeuge mit klassischen Dreipunktstrukturen auf dem Markt sind. Die vorliegende Dissertation greift daher die Fragestellung auf, inwiefern sich Dreipunkt-Wechselrichter für den Einsatz in batterieelektrischen Fahrzeugen eignen. Aufgrund des derzeit weltweit zu verzeichnenden Anstiegs in der Verbreitung elektrischer Antriebe und fortlaufenden Bestrebungen zur Automatisierung von Fahrzeugen im Kontext des autonomen Fahrens wird außerdem eine steigende Bedeutung ausfallsicherer Antriebe erwartet. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit zusätzlich auf dem Aspekt der Fehlertoleranz. Als potenzielle Wechselrichtertypen werden neben der gängigen B6 Brücke die Neutral Point Clamped (NPC), die Active Neutral Point Clamped (ANPC), die T-Type und die Flying Capacitor (FC) Struktur mit jeweils unterschiedlicher Halbleiterbestückung betrachtet. Des Weiteren wird die umschaltbare Switched Open Winding (SOW) Struktur berücksichtigt, welche die derzeit einzige schaltungstechnische Besonderheit unter kommerziell verbauten Automobil-Antriebswechselrichtern darstellt. Die fehlertoleranten Eigenschaften der betrachteten Strukturen werden zunächst mit anderen Konzepten zur Steigerung der Ausfallsicherheit verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass unter allen diskutierten Ansätzen und Schaltungen die ANPC Struktur den einzigen Wechselrichtertyp darstellt, der auf jeden Halbleiterausfall reagieren kann, ohne auf teure zusätzliche Trennschalter zurückgreifen zu müssen. Dabei gilt das Prinzip der aktiven Redundanz, da alle Schalter im Normalbetrieb verwendet werden. Im Fehlerfall wird die defekte Phase permanent mit dem Neutralpunkt verbunden und die Ansteuerung entsprechend rekonfiguriert. Aufgrund dieses Vorteils wird die ANPC Struktur als vielversprechendsterWechselrichtertyp anschließend im Detail untersucht. In Abhängigkeit des Modulationsschemas ergeben sich im Betrieb Herausforderungen durch parasitäre Effekte beim Schalten oder prinzipbedingte Inhomogenitäten in der Verlustaufteilung. Hierfür werden Lösungsansätze aus der Literatur aufgegriffen sowie eigene Konzepte vorgestellt. Um die Eignung der ANPC Struktur gegenüber anderen Alternativen zu beurteilen, werden nachfolgend unterschiedlicheWechselrichtertypen bezüglich ihrer Performance im Betrieb und der zugehörigen Kosten für das Antriebssystem verglichen. Als am besten geeignete Topologie stellt sich grundsätzlich die SOW Struktur heraus. Werden nur auf den Wechselrichter (und indirekt auf die Batterie) bezogene Kosten betrachtet, so offenbart sich zunächst zudem die B6 Brücke mit SiC-MOSFETs als kostengünstige Variante. Generell gilt jedoch, dass unter Berücksichtigung der Verluste in der elektrischen Maschine nahezu alle Dreipunkt-Wechselrichter konkurrenzfähig zur B6 Brücke sind. Entfällt ein wesentlicher Anteil der Maschinenverluste auf den Oberschwingungsgehalt der Stranggrößen, so punkten je nach Wahl der Randbedingungen insbesondere die SOW, T-Type, ANPC und NPC Struktur mit hoher Effizienz und geringen Kosten. Aufgrund der fehlertoleranten Eigenschaften des ANPC Wechselrichters folgt die Analyse des Verhaltens dieser Struktur im Fehlerbetrieb. Durch die permanente Neutralpunktverbindung und die damit einhergehende starke Belastung des Zwischenkreises stellt sich eine erhöhte Welligkeit des Neutralpunktpotenzials ein. Zudem greifen gängige Regelverfahren zur Stabilisierung des Neutralpunkts aufgrund der rekonfigurierten Ansteuerung nicht mehr. Um dennoch einen sicheren Weiterbetrieb nach dem Ausfall eines Halbleiters zu ermöglichen, werden unterschiedliche neue Verfahren zur Regelung des Neutralpunktpotenzials sowie zur Kompensation des resultierenden Spannungsfehlers vorgestellt. Da die Neutralpunktverbindung den Stellbereich des Antriebs einschränkt, werden zusätzliche Konzepte zu dessen Erweiterung eingeführt. Der transiente Übergang vom Normalbetrieb in den Fehlerbetrieb erfolgt unter Verwendung der entwickelten Strategien ohne signifikante Einschränkungen. Gleiches gilt für den stationären Fehlerbetrieb. Durch die Betrachtung verschiedener Wechselrichtertypen für den konkreten Einsatz als Antriebswechselrichter in ausfallsicheren elektrischen Fahrzeugen liefert die vorliegende Arbeit demnach eine generelle Einschätzung zur technischen und ökonomischen Eignung unterschiedlicher Konzepte. Die Ausführungen zu den fehlertoleranten Eigenschaften sowie zum Betriebsverhalten im Fehlerfall zeigen insbesondere bei Verwendung der ANPC Struktur unter Berücksichtigung der beschriebenen Verfahren die grundsätzliche Praktikabilität fehlertoleranter Antriebsstränge.

Abstract in weiterer Sprache

Three-level inverters have gained widespread market share due to their high efficiency and enhanced voltage quality relative to two-level structures. The recent introduction of the 800V battery voltage level with the purpose to increase the DC charging power of electric vehicles has introduced a new application area for these inverters. However, the requirements for traction inverters in the automotive sector differ significantly from other fields of application. Consequently, no vehicles with classic three-level structures are currently on the market. Accordingly, this thesis seeks to address the extent to which three-level inverters are suitable for use in battery electric vehicles. Due to the current global increase in the spread of electric drives and ongoing efforts to automate vehicles in the context of autonomous driving, the importance of fail-safe drives is expected to increase significantly. Thus, the present study also focuses on the aspect of fault tolerance. In addition to the common B6 bridge, the Neutral Point Clamped (NPC), Active Neutral Point Clamped (ANPC), T-Type, and Flying Capacitor (FC) structures, each with different semiconductor components, are considered as potential inverter types. Furthermore, the two-stage Switched Open Winding (SOW) structure is considered, which is currently the only special circuit technology among commercially installed automotive drive inverters. The fault-tolerant properties of the aforementioned structures are then compared with other concepts for increasing reliability. It was determined that among all the approaches and circuits discussed, the ANPC structure is the only type of inverter that can react to any semiconductor failure without requiring expensive additional disconnection elements. The principle of active redundancy is applicable, as all switches are involved in normal operation. In the event of a fault, the defective phase is permanently connected to the neutral point, and the control is reconfigured accordingly. Due to its advantageous fault-tolerance, the ANPC structure is then examined in detail as the most promising inverter type. However, operational challenges emerge, such as parasitic effects during switching or the principle-related inhomogeneous loss distribution. Hence, an analysis of solution approaches from current literature is conducted, and own concepts are presented to overcome these challenges. In order to assess the suitability of the ANPC structure compared to other alternatives, a comparison of different inverter types is presented in terms of their operating performance and the associated cost for the drive system. In principle, the SOW structure proves to be the most suitable topology. When solely considering costs associated with the inverter (and, indirectly, the battery), the B6 bridge with SiC-MOSFETs emerges as the most cost-effective option. However, when taking into account the losses in the electrical machine, the B6 bridge is outperformed by most three-level inverters. Moreover, if a substantial amount of the machine losses arises from the harmonic content, SOW, T-Type, ANPC, and NPC structures emerge as particularly efficient and cost-effective options. Nevertheless, the exact result depends a lot on the selection of boundary conditions what is also discussed in detail. Due to its fault-tolerant properties, an analysis of the behavior of the ANPC inverter in fault mode is conducted. The analysis reveals that the permanent neutral point connection, in conjunction with the high stress on the DC link, results in an augmented ripple of the neutral point potential. Conventional control techniques employed for the stabilization of the neutral point become ineffective due to the reconfigured modulation. To ensure stable and safe operation in the event of a semiconductor failure, novel methods for controlling the neutral point potential and compensating for the resulting voltage error are presented. Furthermore, the operational range of the drive is constrained by the neutral point connection, necessitating the introduction of additional concepts to extend it. The transition from normal operation to fault operation is facilitated by the strategies developed, which allow for a smooth transition without significant restrictions. This holds true for steady-state fault operation as well. This thesis provides a general assessment of the technical and economic suitability of different inverter concepts for use as drive inverters in fail-safe or fail-operational electric vehicles. The analysis of fault-tolerant properties and the operating behavior in the event of a fault demonstrates the fundamental practicability of fault-tolerant powertrains, particularly when using the ANPC structure and taking into account the procedures described.