Modellierung HV-Bordnetz

Beschreibung

Moderne Elektro- und Hybridfahrzeuge benötigen zur Versorgung von E-Motor und weiteren elektrischen Verbrauchern ein leistungsstarkes Bordnetzwerk. Alle Quellen und Verbraucher werden dazu an einen Gleichspannungs-Zwischenkreis angeschlossen und teilen eine gemeinsame Versorgungsspannung. Um die Leitungsverluste und Kabelquerschnitte zu minimieren, kommen dabei üblicherweise Spannungen von mehreren 100 Volt zum Einsatz, daher auch die Bezeichnung als Hochvolt-Bordnetzwerk.

Bordnetzkonfiguration
Mögliche Bordnetzkonfiguration eines Brennstoffzellen-Hybrid-Fahrzeugs

Bedingt durch die immer weiter steigende Komplexität und Leistungsfähigkeit der elektrischen Antriebsstränge rückt die Interaktion der verschiedenen Komponenten im Hochvolt-Bordnetz zunehmend in den Fokus. Zwar wird das Zusammenspiel aller Komponenten im Rahmen von Gesamtfahrzeugsimulationen im Detail studiert, dies umfasst für gewöhnlich aber nur vergleichs- weise langsame dynamische Vorgänge mit Zeitkonstanten von mindestens 500ms, wie bspw. Längsdynamik, Batterieladezustand oder Komponenten- bzw. Kühlwassertemperaturen.

Neben diesen vergleichsweise langsamen Dynamiken treten im Bordnetz zusätzlich extrem schnelle Strom- und Spannungsänderungen mit Amplituden von mehreren Volt bzw. mehreren Dutzend Ampere auf. Diese werden durch das Schalten von Strömen und Spannungen in der Leistungselektronik, also insbesondere durch den Antriebsumrichter verursacht und betreffen einen Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis über 1 MHz.

Zeitkonstanten
Zeitkonstanten im Bordnetz

Im Rahmen dieses Projekts wird derzeit ein modulares Simulationsmodell des Bordnetzwerks erstellt um das Zusammenspiel aller Komponenten in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis einigen Dutzend Kilohertz abzubilden und zu untersuchen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der mathematischen Modellierung der von der Leistungselektronik verursachten Strom- und Spannungsschwankungen im Bordnetz, da diese bisher rein messtechnisch für bestehende Antriebsstränge erfasst werden können. Ausgehend von diesen Modellen soll dann die Auswirkung von Strom- und Spannungswelligkeit auf das Bordnetz in Form von zusätzlichen Verlusten bzw. Belastung von Filtern, analysiert werden.

Publikationen
Konferenzbeiträge
  • C. Sagert, M. Walter & O. Sawodny, “DC/DC Converter Control for Voltage Ripple Reduction in Electric Vehicles”, IEEE Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Banff, Kanada, 2016
  • C. Sagert, F. Bender & O. Sawodny, “Electrical drive train modeling for model predictive control of DC-DC converters in fuel cell vehicles”, American Control Conference (ACC), Chicago, IL, USA, 2015, pp. 4333-4338, doi:10.1109/ACC.2015.7172010
  • C. Sagert, M. Walter, S. Fandel & O. Sawodny, “Sizing Electrical DC Link Capacitors in Complex Electriv Powertrains”, IFAC Workshop on Engine and Powertrain Control, Simulation and Modeling, Columbus, USA, 2015, pp. 230-236, doi:10.1016/j.ifacol.2015.10.033
 Förderung
Dieses Projekt wird durch das Promotionskolleg Hybrid, einer Kooperation des Landes Baden-Württemberg, der Universität Stuttgart, Hochschule Esslingen sowie der Daimler AG und Bosch, gefördert.

 

Bearbeiter Dipl.-Ing. Conrad Sagert
Projektpartner Daimler AG
Projektstatus Laufend seit Mai 2016.