Mehrkriterielle Optimierungsmethodik zur Erhöhung der Integrationsdichte leistungselektronischer Systeme

Schilling, Marco GND

Ein aktueller Trend im Bereich der Mechatronik im Fahrzeug ist die Integration von elektrischen und mechanischen Komponenten auf engstem Bauraum. Dadurch entstehen neue Herausforderungen (z.B. sehr hohe Umgebungstemperaturen, begrenzte Baugröße, etc.). Die Kombination von elektronischen, mechanischen und thermischen Systemen macht die Betrachtung des Gesamtsystemverhaltens notwendig. So können Verkopplungen der Teilsysteme untersucht und die Systemgrenzen ermittelt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines Entwurfswerkzeugs zur Gesamtsystembetrachtung und schließlich auch zur mehrkriteriellen Optimierung der Systeme hinsichtlich der definierten Gütegrößen. Als zu untersuchende Applikationen wurde sowohl ein elektrisches Antriebssystem als auch ein 12V / 48V Bordnetzwandler festgelegt. In einer vorangestellten Studie der Technologiestandards werden verschiedene Topologien und Technologien aufgezeigt und die Optimierungspotentiale erarbeitet. Darauf basierend werden Festlegungen und Einschränkungen für die weiteren Untersuchungen vorgenommen. Auf Basis der vorangestellten Festlegungen wird ein Simulationswerkzeug erarbeitet, mit welchem vergleichende Untersuchungen verschiedener Systemauslegungen hinsichtlich elektrischer und thermischer Belastung und Wirtschaftlichkeit der Hauptkomponenten durchgeführt werden können. Für die untersuchten Systeme wird eine herstellerunabhängige Datenbasis und entsprechende Verfahren zur Bestimmung der notwendigen Bauelementeparameter erarbeitet. Aufbauend auf dem Simulationswerkzeug wird ein vierstufiger Prozess entwickelt, mit welchem eine Systemoptimierung hinsichtlich verschiedener Gütegrößen in einem überschaubaren Aufwand und einer transparenten Methodik durchgeführt werden kann. Zum Abschluss der vorliegenden Arbeit werden drei verschiedene Fallbeispiele aufgezeigt. In den Fallbeispielen werden konkrete integrierte leistungselektronische Umrichter und DC-DC-Wandler hinsichtlich Effizienz bzw. Leistungsdichte optimiert und eine wirtschaftliche Betrachtung durchgeführt. Im Ergebnis stehen weiterhin auch allgemeine Aussagen und Designkriterien zur Nutzung neuer Bauelementetechnologien (SiC, GaN). Um die Nutzerbandbreite zu erhöhen, empfiehlt es sich, das Werkzeug in einer fortführenden Arbeit hinsichtlich weiterer Topologien zu ergänzen. Auch der Einsatz in der akademischen Forschung und Lehre bietet sich durch die transparente Vorgehensweise an. Eine Erweiterung hinsichtlich der Optimierung der Betriebsstrategie von Antrieben und Konvertern ist ebenfalls denkbar.

One actual trend in the field of automotive mechatronic systems is the system integration of electrical and mechanical components. New challenges are arising from high ambient temperatures and defined and limited installation space, caused by this fact. Due to the combination of electrical, mechanical and thermal systems, the consideration of the overall system behavior is necessary. This is the only way to identify system couplings and fathom the system limits. The main goal of this thesis is the development of an overall system design and multi-objective optimization tool for the named performance indices. The investigated applications are an electrical drive train system, as well as a multistage 12V / 48V wiring system dc-dc-converter. Different topologies and technologies were researched and optimization potentials were developed in a preceding state-of-the-art analysis. Specifications and restrictions are defined based on this study. In a next step, the simulation and optimization tool for comparative component and topology studies is developed, based on the previous investigations and specifications. The models are developed with the focus on the main components of the power electronics, their electric stresses, the commutation loop design, the balance of losses, the efficiency, the thermal design, the system space and the system costs. Based on the simulation tool, a four step multi-objective optimization process for a transparent optimization with a manageable effort was developed. To demonstrate the usability of the developed toolchain, three different use cases are presented finally. The use cases are concrete optimization problems for integrated dc-ac-inverters and dc-dc-converters with the focus on efficiency, power density and economy. Further results are general design rules and results regarding the usability of new semiconductor devices, e.g. SiC and GaN. For future research it is recommended to extend the software tool for further converter topologies. The user bandwidth can be increased and the toolchain can be used for a wide variety of topology comparisons. Further fields of usage can be academic teaching and research as well as the optimization of the operating strategy of drive train systems.

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Schilling, Marco: Mehrkriterielle Optimierungsmethodik zur Erhöhung der Integrationsdichte leistungselektronischer Systeme. Ilmenau 2019.

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