Modellierung hoch ausgenutzter induktiver Ladesysteme mit starker magnetischer Kopplung

Von:

Christian Roth

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Im Rahmen dieser Arbeit wird die Modellierung hoch ausgenutzter induktiver Ladesysteme behandelt, bei denen eine starke magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite besteht. Insbesondere die hohen Anforderungen bezüglich Leistungsdichte erfordern möglichst detaillierte Berechnungsmodelle für den Entwurf. Einerseits ist zur Maximierung der Leistungsdichte eine hohe elektrische Betriebsfrequenz erforderlich, um die Abmessungen des Magnetkreises zu reduzieren. Andererseits steigen mit zunehmender Frequenz die Verluste in Wicklung und Eisenkern, was wiederum den Kühlaufwand erhöht. Um einen optimalen Kompromiss zu finden, werden adäquate Modellierungsmethoden vorgestellt, die gleichzeitig effizient bezüglich Rechenzeit sind. Diese gliedern sich insgesamt in drei Teilbereiche: Im ersten dieser Teilbereiche wird die Modellierung von Wicklungen thematisiert. Der Fokus liegt dabei auf der Berechnung von Wirbelstromverlusten, insbesondere auch in HF-Litzen. Der zweite Teilbereich handelt von der Modellierung des Eisenkerns zur magnetischen Flussführung. Dabei kommt ein nichtlineares Reluktanznetzwerk zum Einsatz, welches mithilfe einer Kombination aus analytischen und numerischen Berechnungen parametrisiert wird. Die thermische Modellierung wird im dritten Teilbereich behandelt. Inhaltlich wird ein thermisches Kompaktmodell eingeführt, die thermische Leitfähigkeit von HF-Litzen untersucht und ein Kühlkonzept mit Kühlkörpern aus Graphit vorgestellt. Die aufgestellten Modelle für die verschiedenen physikalischen Domänen werden vollständig miteinander gekoppelt und im Rahmen einer numerischen Optimierung wird ein konkreter Entwurf für ein Modul des betrachteten Ladesystems ermittelt.