Wechselrichter: Das Herz des Elektroautos
Der Wechselrichter im Elektrofahrzeug ist ein zentrales Element des Antriebsstrangs, findet aber oft weniger Beachtung als Batterien oder E-Motoren. Laut einer NAS-Studie (2010) ist es die zweitteuerste Komponente eines PHEV, gleich nach der Batterie.
Darauf aufbauend muss es präzise konstruiert werden. Das beschreibt der vorliegende Beitrag.
Simcenter Amesim und der Vergleich mit dem menschlichen Herzen
Warum das Herz? Weil es das „Blut“ (Energie bzw. Elektrizität) durch die verschiedenen „Organe“ (Elektromotor, Akku, Bordladegerät usw.) pumpt.
Und so wie das Herz Blut durch den Körper pumpt, befördern die Transistoren und Dioden des Wechselrichters Elektronen durch elektrische Schaltkreise. Der Blutdruck entspricht der Spannung, und er muss hoch genug sein, um Ihr Gehirn mit ausreichend Blut zu versorgen.
Simcenter Amesim, die führende Systemsimulationslösung für Elektrifizierung, ermöglicht es Ihnen, verschiedene Spannungsniveaus eines E-Fahrzeugs zu vergleichen und deren Einfluss auf Stromstärke, -qualität und Antriebseffizienz zu analysieren.
Sobald der Spannungspegel festgelegt ist, lässt sich die Transistortechnologie wählen, üblicherweise IGBT oder MOSFET.
Dies kann in Simcenter Amesim auf zwei Arten erfolgen: Entweder durch Import von Datenblattinformationen oder durch Import von Leit- und Schaltkurven aus Xpedition AMS oder PartQuest Explore.
Der Vergleich diverser Transistoren und ihre Auswirkung auf die E-Auto-Reichweite ergibt sich aus den Systemsimulationen. Hier für ein Mittelklasse-Elektroauto mit 68-kWh-Akku im SFTP-US06-Fahrzyklus:
Bedeutung der Wechselrichter-Schaltfrequenz
Die Schaltfrequenz des E-Fahrzeug-Wechselrichters entspricht dem Taktschlag, und ähnlich einem Arzt mit Stethoskop kann Simcenter Amesim das NVH-Verhalten eines Wechselrichters mittels Spektralanalyse bewerten:
Hier wird die Auswirkung auf die Drehmomentschwankung der E-Maschine untersucht. Die Schaltfrequenz des E-Fahrzeug-Wechselrichters liegt bei 10 kHz, wobei die erste Oberwelle bei 20 kHz auftritt.
Auf der elektrischen Seite nennt man hochfrequente Stromschwankungen Stromrippel. Um Welligkeit im DC-Bus zu vermeiden, ist ein Zwischenkreiskondensator erforderlich. Es wird zum bevorzugten Pfad für hochfrequenten Wechselstrom.
Der Zwischenkreiskondensator dient auch zur Glättung der Gleichspannung, also zur Verringerung der Restwelligkeit.
Die Erhöhung der Schaltfrequenzen ermöglicht kleinere Zwischenkreiskondensatoren, was zu kompakteren Bauteilen und höherer Leistungsdichte des Wechselrichters führt. Hier ein Vergleich der Spannungswelligkeit bei unterschiedlichen Schaltfrequenzen mit einem Zwischenkreiskondensator von 0,005 F:
Wärmemanagement für E-Fahrzeug-Wechselrichter
Eine höhere Schaltfrequenz (BPM) führt zu vermehrter Wärmeabgabe des Herzens. Da der Wechselrichter ein komplexes Konstruktionsprodukt ist, lässt sich sein transientes thermisches Verhalten nur durch 3D-CFD oder Tests präzise erfassen. In der Tat können an bestimmten Stellen im Wechselrichter, wie etwa an der Sperrschicht eines Transistors, Hotspots auftreten. Die Temperatur kann Grenzwerte überschreiten, wodurch der Halbleiter versagen oder thermische Ermüdung erleiden kann.
Um diese Hotspots in Simcenter Amesim präzise zu ermitteln, bieten sich zwei Verfahren zur Modellreduktion an:
- Cauer/Foster-Repräsentation einzelner Transistoren, Import aus Simcenter T3STER oder Datenblatt
- Randbedingungsunabhängiges Modell reduzierter Ordnung als FMU für Wechselrichter (BCI-ROM FMU) aus Simcenter Flotherm
Die Kurven zeigen den Vergleich der Sperrschichttemperaturen von IGBTs und SiC-MOSFETs während eines SFTP-US06-Fahrzyklus. Die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC führt zu geringeren Schaltverlusten und Temperaturen. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Kühlsystemkapazität und/oder eine Erhöhung der Wechselrichter-Schaltfrequenz.
Fehleranalyse des Wechselrichters
Nachdem wir das Herzstück von E-Fahrzeugen im Normalbetrieb betrachtet haben, untersuchen wir nun mögliche Ausfälle, beispielsweise bei „Flimmern“.
Vorhofflimmern ist ein unregelmäßiger, oft beschleunigter Herzrhythmus, der das Risiko für Schlaganfälle, Herzversagen und andere kardiale Komplikationen erhöhen kann.
Bei Vorhofflimmern schlagen die beiden oberen Herzkammern (Vorhöfe) chaotisch und unregelmäßig – ohne Abstimmung mit den beiden unteren Kammern (Ventrikeln) des Herzens. Die typischen Symptome von Vorhofflimmern sind Herzrasen, Atemnot und Schwächegefühl.
Ein Wechselrichter in Elektrofahrzeugen kann Störungen aufweisen, wenn etwa ein Stromsensor auf Masse kurzgeschlossen ist oder der Drehzahlsensor einen Offset zeigt bzw. fehlerhafte Werte liefert. Das folgende Video veranschaulicht die Wärme- und Stromauswirkungen derartiger Störfälle.
Zusammengefasst ist der Wechselrichter, ähnlich dem Herzen, ein hochkomplexes Bauteil. Es bedarf Konstrukteurswissen, um die korrekte Funktionsweise des Wechselrichters eines Elektrofahrzeugs zu verstehen und zu beherrschen. Dieser Aufwand lässt sich durch fortgeschrittene Simulationsmethoden, wie sie im Simcenter-Portfolio zu finden sind, verringern.
Wenn Sie mehr über den gesamten Konstruktionsprozess des Wechselrichters erfahren und Simcenter Amesim live erleben möchten, melden Sie sich bitte für dieses On-Demand-Webinar an.
Erfahren Sie hier, wie GKN die Markteinführungszeit und Prototypen-Schleifen für elektrische Antriebe in Elektrofahrzeugen mithilfe dieses Engineering-Workflows reduziert hat.
Und falls Sie echte Herzsimulationen benötigen, können wir Ihnen ebenfalls helfen, wie diese Simcenter STAR-CCM+ Fluid-Struktur-Interaktion-Simulation einer Trikuspidalklappe zeigt.
