In Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben (auch in Hybridfahrzeugen) kommen für die unterschiedlichen Verbraucher mehrere Spannungsebenen zur Anwendung. Vor allem für Verbraucher höherer Leistung wie Klimaanlage, elektrischer Fahrmotor oder Startergenerator ist es vorteilhaft, eine höhere Spannung als die etablierten 12/14 V an Bord des Fahrzeugs zu verwenden. Gleichstromsteller sind dabei erforderlich, um Energie zwischen den einzelnen Spannungsebenen auszutauschen. An diese DC-DC Wandler werden hohe Anforderungen gestellt. Aufgrund der eingeschränkten Platzverhältnisse ist neben dem Wirkungsgrad das Bauvolumen beziehungsweise die Leistungsdichte ein wichtiges Kriterium.
Im LEA-Studentenprojekt aus dem Sommersemester 2018 wurde für diese Anwendung ein hochkompakter, bidirektionaler DC-DC Wandler für die Spannungsebenen 12 V und 48 V für bis zu 1 kW Leistung entworfen und aufgebaut. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Baugröße gelegt. Zur Anwendung kommen dabei modernste Gallium-Nitrid Transistoren, welche sich besonders gut für hohe Schaltfrequenzen eignen und somit eine erhebliche Reduktion des Bauvolumens ermöglichen.
Der aufgebaute Konverter besteht aus vier einzelnen Leistungszweigen, die parallel geschaltet sind und phasenversetzt angesteuert werden. Dadurch reduziert sich die Strombelastung am Ein- und Ausgang, sodass kleinere Kondensatoren eingesetzt werden können. Durch das Abschalten einzelner Leistungszweige im Teillastbereich bleibt der Wirkungsgrad über weite Teile des Leistungsbereichs nahezu konstant.
Das Bauvolumen des Gesamtsystems konnte letztlich auf 0,521 dm³ reduziert werden, was einer Leistungsdichte von 2.1 kW/dm³ entspricht. Zum Vergleich: Typische Konverter, die aktuell in der Fahrzeugindustrie eingesetztes Produkt weisen eine Leistungsdichte von 1,1 kW/m³ auf. Im Vergleich dazu wurde die Leistungsdichte um etwa 72 % erhöht. Ähnliche Konverter, die in Forschungsliteratur beschrieben werden, konnten bisher eine Leistungsdichte von lediglich 1,5 kW/m³ erreichen. Die Bauvolumen-Reduktion führte hierbei zu einer unwesentlichen Veränderung der Verlustleistung. Der Spitzen-Wirkungsgrad des entworfenen Konverters liegt bei über 95 %.
LEA gratuliert den Teilnehmern Hosemann, Korthauer, Urbaneck, Donfack, Gröne, Bohlmann, Gohlke, Mahmud und Singh!
Fragen zum LEA-Studentenprojekt beantwortet: <link>Lukas Keuck.
