Strom- und Spannungsoberwellen im Hochvolt-Bordnetz von Elektrofahrzeugen

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Conrad Sagert

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Das hochfrequente Schalten leistungselektronischer Komponenten im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen ruft in dessen Hochvolt-Bordnetz signifikante Strom- und Spannungsoberwellen hervor. Neben den erhöhten Verlusten im Leitungssatz und Filtern können diese als Rippel bezeichneten Oberwellen beispielsweise zu Fehlfunktionen einzelner Komponenten wie der Batteriezellüberwachung, zu beschleunigter Alterung von Filterkondensatoren und elektrochemischen Energiespeichern sowie zur fälschlichen Auslösung von Sicherungen führen. Die zu erwartende Strom- und Spannungswelligkeit sowie deren Auswirkungen auf das Bordnetz stellen daher eine wichtige Eingangsgröße für die Auslegung elektrischer Antriebsstränge dar und müssen möglichst frühzeitig in der Entwicklungsphase ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung des Hochvolt-Bordnetzes von Elektrofahrzeugen sowie den darin hervorgerufenen Strom- und Spannungsoberwellen in einem Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 20 kHz. Als Ergebnis steht für alle Komponenten eine mathematische Beschreibung der Impedanz und der durch das Halbleiterschalten erzeugten Stromoberwellen in Abhängigkeit der relevanten Einflussfaktoren wie Arbeitspunkt, Reglereigenschaften oder Temperatur zur Verfügung. Auf Basis der Teilmodelle wird das Bordnetzmodell eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges erstellt und durch umfangreiche Simulationen und Messungen validiert. Anhand dieses Bordnetzmodells werden die relevanten, bei der Auslegung von Zwischenkreisfiltern zu berücksichtigenden Effekte im Bordnetz ermittelt und das Potential einer modellbasierten Filterauslegung aufgezeigt.