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Elektrotechnik/Elektronik, CAE (Computer Aided Engineering), … · 2017. 10. 26. · WBK 17_05...

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Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 107 (2017) H. 5 381 Titelthema – Aufsatz Dipl.-Ing. Sven Bolte, M. Sc. Carsten Henkenius, Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker Fachgebiet für Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) – Universität Paderborn Warburger Str. 100, D-33095 Paderborn Tel. +49 (0)5251 / 60-2159, - 5487 oder -2209 Fax +49 (0)5251 / 60-3443 E-Mail: {bolte, henkenius, boecker}@lea.uni-paderborn.de Internet: wwwlea.uni-paderborn.de M. Sc. Alexander Zibart, Prof. Dr.-Ing. Eugeny Kenig Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (FVT) Universität Paderborn Warburger Str. 100, D-33095 Paderborn Tel. +49 (0)5251 / 60-2160 oder - 2408 Fax +49 (0)5251 / 60-2183 E-Mail: {alexander.zibart, eugeny.kenig}@uni-paderborn.de Internet: http://mb.uni-paderborn.de/fluidverfahrenstechnik Dr.-Ing. Heiko Figge Delta Energy Systems (Germany) GmbH Coester Weg 45, D-59494 Soest Tel. +49 (0)2921 / 987451, Fax +49 (0)2921 / 987397 E-Mail: [email protected] Internet: deltaww.com Danksagung Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Clusterquerschnitts- projektes „Energieeffizienz in intelligenten technischen Systemen“ und des Clusterinnovationsprojektes „Effiziente selbsteinstellende Lader für Elektrofahrzeuge“. Diese beiden Forschungs- und Entwicklungsprojekte werden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Spitzenclusters „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ (it’s OWL) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegen bei den Autoren. Für On-Board-Ladegeräte sind brückenlose netzfreundliche Gleich- richter in Kombination mit einem Resonanzkonverter empfehlens- wert. Auf diese Weise lassen sich Verluste minimieren und es wird eine hohe Leistungsdichte erreicht. Darüber hinaus wurde der Kühlungskreislauf des Ladegeräts durch CFD (Computational Fluid Dynamics, rechnergestützte Flüssigkeitsdynamik)-Simulationen des Kühlkanals optimiert, um einen bestmöglichen Wärmeübergang bei geringem Druckabfall zu erzielen. 1 Einleitung On-Board-Ladegeräte sind wichtige Komponenten elektri- scher Fahrzeuge. Um kurze Ladezeiten zu erreichen, wird das Ladegerät üblicherweise mit maximaler Leistung betrieben, bis die Ladeschlussspannung der Batterie erreicht ist. Aufgrund des begrenzten Einbauraums in einem Kraftfahrzeug ist eine kom- pakte Bauform, also eine hohe Leistungsdichte obligatorisch. Neben dem Reduzieren der Verluste kann die Leistungsdichte durch aktive Kühlung gesteigert werden, weshalb eine Wasser- kühlung mit optimiertem Wärmeübergang verwendet wird. Für den weltweiten Einsatz muss das Ladegerät einen weiten Eingangsspannungsbereich akzeptieren und die Oberschwin- gungsgrenzwerte nach Normen wie der EN61000-3-2 einhalten, die den Erhalt einer hohen Netzqualität sicherstellen. Daher wird ein PFC (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrek- tur)-Gleichrichter benötigt [1], der sich durch geringe Ober- schwingungen und einen guten Leistungsfaktor auszeichnet. Mit einem PFC-Gleichrichter in sogenannter brückenloser To- tem-Pole-Struktur lassen sich die Durchlassverluste aufgrund einer verkleinerten Anzahl an Halbleitern im Strompfad redu- zieren [2]. Als Halbleiter-Schalter kommen in anderen Anwen- dungen favorisierte Silizium-MOSFETs trotz ihres geringen Durchlasswiderstandes leider nicht in Frage, da das Rückstrom- verhalten der Inversdiode beim Abschaltvorgang den Einsatz im Totem-Pole-PFC-Gleichrichter unmöglich macht, falls der Gleichrichter mit lückfreiem Strom betrieben wird. Daher wer- den im beschriebenen Ladegerät trotz etwas ungünstigerem Durchlassverhalten schnelle IGBTs (insulated-gate bipolar tran- sistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) als Schal- ter eingesetzt. Der PFC-Gleichrichter speist den gleichgerichteten Strom in einen Zwischenkreiskondensator mit konstanter Spannung, während die Spannung der Batterie abhängig vom Ladegrad während des Ladens langsam steigt. Somit muss das Span- Elektrotechnik/Elektronik, CAE (Computer Aided Engineering), Energieeffizienz Wassergekühltes On-Board-Ladegerät mit optimiertem Kühlkanal S. Bolte, A. Zibart, C. Henkenius, J. Böcker, E. Kenig, H. Figge Water-cooled on-board charger with optimized cooling channel Bridgeless boost rectifiers and resonant converters facilitate on- board chargers with minimized losses. Besides efficiency, also high power density is obligatory. Therefore, water cooling is used for maximized heat transfer. In order to achieve low pressure loss, the profile of the cooling channel is optimized by means of computa- tional fluid dynamics.
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Copyright Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf wt Werkstattstechnik online Jahrgang 107 (2017) H. 5 381

Titelthema – Aufsatz

Dipl.-Ing. Sven Bolte, M. Sc. Carsten Henkenius, Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker Fachgebiet für Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) – Universität Paderborn Warburger Str. 100, D-33095 Paderborn Tel. +49 (0)5251 / 60-2159, - 5487 oder -2209 Fax +49 (0)5251 / 60-3443 E-Mail: {bolte, henkenius, boecker}@lea.uni-paderborn.de Internet: wwwlea.uni-paderborn.de

M. Sc. Alexander Zibart, Prof. Dr.-Ing. Eugeny Kenig Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (FVT) Universität Paderborn Warburger Str. 100, D-33095 Paderborn Tel. +49 (0)5251 / 60-2160 oder - 2408 Fax +49 (0)5251 / 60-2183 E-Mail: {alexander.zibart, eugeny.kenig}@uni-paderborn.de Internet: http://mb.uni-paderborn.de/fluidverfahrenstechnik

Dr.-Ing. Heiko Figge Delta Energy Systems (Germany) GmbH Coester Weg 45, D-59494 Soest Tel. +49 (0)2921 / 987451, Fax +49 (0)2921 / 987397 E-Mail: [email protected] Internet: deltaww.com

Danksagung Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Clusterquerschnitts -projektes „Energieeffizienz in intelligenten technischen Systemen“ und des Clusterinnovationsprojektes „Effiziente selbsteinstellende Lader für Elektrofahrzeuge“. Diese beiden Forschungs- und Entwicklungsprojekte werden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Spitzenclusters „Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe“ (it’s OWL) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegen bei den Autoren.

Für On-Board-Ladegeräte sind brückenlose netzfreundliche Gleich -richter in Kombination mit einem Resonanzkonverter empfehlens-wert. Auf diese Weise lassen sich Verluste minimieren und es wird eine hohe Leistungsdichte erreicht. Darüber hinaus wurde der Kühlungskreislauf des Ladegeräts durch CFD (Computational Fluid Dynamics, rechnergestützte Flüssigkeitsdynamik)-Simulationen des Kühlkanals optimiert, um einen bestmöglichen Wärmeübergang bei geringem Druckabfall zu erzielen.

1 Einleitung

On-Board-Ladegeräte sind wichtige Komponenten elektri-scher Fahrzeuge. Um kurze Ladezeiten zu erreichen, wird das Ladegerät üblicherweise mit maximaler Leistung betrieben, bis die Ladeschlussspannung der Batterie erreicht ist. Aufgrund des begrenzten Einbauraums in einem Kraftfahrzeug ist eine kom-pakte Bauform, also eine hohe Leistungsdichte obligatorisch. Neben dem Reduzieren der Verluste kann die Leistungsdichte durch aktive Kühlung gesteigert werden, weshalb eine Wasser-kühlung mit optimiertem Wärmeübergang verwendet wird.

Für den weltweiten Einsatz muss das Ladegerät einen weiten Eingangsspannungsbereich akzeptieren und die Oberschwin-gungsgrenzwerte nach Normen wie der EN61000-3-2 einhalten, die den Erhalt einer hohen Netzqualität sicherstellen. Daher wird ein PFC (Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrek-tur)-Gleichrichter benötigt [1], der sich durch geringe Ober-schwingungen und einen guten Leistungsfaktor auszeichnet. Mit einem PFC-Gleichrichter in sogenannter brückenloser To-tem-Pole-Struktur lassen sich die Durchlassverluste aufgrund einer verkleinerten Anzahl an Halbleitern im Strompfad redu-zieren [2]. Als Halbleiter-Schalter kommen in anderen Anwen-dungen favorisierte Silizium-MOSFETs trotz ihres geringen Durchlasswiderstandes leider nicht in Frage, da das Rückstrom-verhalten der Inversdiode beim Abschaltvorgang den Einsatz im Totem-Pole-PFC-Gleichrichter unmöglich macht, falls der Gleichrichter mit lückfreiem Strom betrieben wird. Daher wer-den im beschriebenen Ladegerät trotz etwas ungünstigerem Durchlassverhalten schnelle IGBTs (insulated-gate bipolar tran-sistor, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) als Schal-ter eingesetzt.

Der PFC-Gleichrichter speist den gleichgerichteten Strom in einen Zwischenkreiskondensator mit konstanter Spannung, während die Spannung der Batterie abhängig vom Ladegrad während des Ladens langsam steigt. Somit muss das Span-

Elektrotechnik/Elektronik, CAE (Computer Aided Engineering), Energieeffizienz

Wassergekühltes On-Board-Ladegerät mit optimiertem KühlkanalS. Bolte, A. Zibart, C. Henkenius, J. Böcker, E. Kenig, H. Figge

Water-cooled on-board charger with optimized cooling channel

Bridgeless boost rectifiers and resonant converters facilitate on- board chargers with minimized losses. Besides efficiency, also high power density is obligatory. Therefore, water cooling is used for maximized heat transfer. In order to achieve low pressure loss, the profile of the cooling channel is optimized by means of computa -tional fluid dynamics.

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nungsverhältnis durch einen weiteren DC-DC-Konverter ange-passt werden (Bild 1). Außerdem wird aus Sicherheitsgründen eine Potentialtrennung benötigt. Ein sogenannter LLC-Reso-nanzkonverter erfüllt diese Anforderungen mittels eines bei cir-ca 200 kHz betriebenen Transformators und erlaubt zusätzlich ein weiches Schalten der Halbleiter in einem weiten Arbeitsbe-reich: Dank Einschalten bei Nullspannung können in diesem Konverter großflächige MOSFETs mit kleinem Kanalwiderstand eingesetzt werden, was zur Reduzierung der Durchlassverluste beiträgt. Bild 1 zeigt die elektrische Struktur des On-Board-La-degerätes.

Um die Wärmeübertragung zwischen den Komponenten und dem Kühlwasser zu maximieren, ist das Aluminiumgehäuse mit einem Kühlkanal ausgestattet. Dieses Konzept ist unter der Be-zeichnung Liquid Cold Plate [3] bekannt. Bei einem Gehäusevo-lumen von 7 l werden 10 kW Ausgangsleistung erzielt; das ent-spricht einer Leistungsdichte von 1,4 kW/l. Die wichtigsten Wärmequellen im Ladegerät sind die Netzgleichrichterdioden,

die Drosselspulen des PFC-Gleichrichters, die Halbleiter-Schal-ter der Konverter mit den Dioden im Ausgangsgleichrichter und der Transformator des Resonanzkonverters (Bild 2).

2 Bestimmen der Verluste im Ladegerät

Für die Bestimmung der Verluste im Ladegerät wurde ein Berechnungsmodell entwickelt, das zwischen vier Verlustarten unterscheidet: Durchlass- und Schaltverluste in den Leistungs-halbleitern sowie Kern- und Wicklungsverluste in den magneti-schen Komponenten. Während die Durchlassverluste in den Leistungshalbleitern aus Datenblattangeben bestimmt werden können, ist es erforderlich, die Schaltverluste unter den indivi-duellen Bedingungen der Schaltung zu vermessen. Zu den Ein-flussgrößen zählen Schalterspannung und -strom, die Tempera-tur sowie die Kommutierungsinduktivität der Schaltmasche. Die Schaltverluste wurden mit dem Doppelpulsversuch in allen rele-vanten Arbeitspunkten vermessen. Für die Berechnung der

Bild 1. Elektrische Struktur des Ladegeräts mit Wasserkühlung LEA, Universität Paderborn

Bild 2. Mechanische Struktur des Ladegeräts mit Wasserkühlung LEA, Universität Paderborn, Delta Energy Systems GmbH

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Schaltverluste ist es erforderlich, den Strom durch die Halblei-ter-Schalter bei jedem Schaltvorgang zu bestimmen, um sie an-schließend über eine komplette Periode der Netzspannung auf-zusummieren (Bild 3).

Die frequenzabhängigen Wicklungswiderstände der PFC-Drosseln und des Transformators wurden mit einem Impedanz-messgerät aufgenommen. Anhand der Spektren der Komponen-tenströme können die Wicklungsverluste berechnet werden. Zum Ermitteln der Kernverluste muss der zeitliche Verlauf der magnetischen Flussdichte zunächst in rampenförmige Ab-schnitte zerlegt werden. Diese Abschnitte entsprechen Subzy-klen in der Magnetisierungskurve des Kernmaterials. Die Kern-verluste werden dann mit der erweiterten Steinmetzgleichung [4] berechnet. In Tabelle 1 sind die berechneten Verluste für einen Betrieb an der Netzspannung Vin = 230 V bei Volllast Pout = 10 kW angegeben. Der Wirkungsgrad erreicht in diesem Arbeitspunkt h = 96,5 %.

3 Optimierung der Wärmeübertragung

Elektrofahrzeuge stellen dynamische Systeme dar, sodass zur Steigerung der Reichweite eine Reduzierung der Fahrzeugmasse angestrebt wird. Zudem ist der verfügbare Bauraum in Elektro-fahrzeugen deutlich limitiert, da ein Großteil des verfügbaren Raums von der Batterie eingenommen wird. Aus diesem Grund wird hinsichtlich des Designs von On-Board-Ladegeräten eine möglichst kompakte und leichte Konstruktion angestrebt, was auch für das Kühlsystem gilt. Derzeit werden Kühlsysteme für

elektrotechnische Komponenten jedoch meist auf Basis von Er-fahrungswerten der Entwickler ausgelegt.

Um den zuvor genannten Anforderungen gerecht zu werden, müssen im Entwicklungsprozess jedoch genauere Berechnungs-methoden Anwendung finden, um eine optimale Auslegung des Kühlsystems zu ermöglichen. Hierzu zählen die thermische Analyse mittels Wärmequellennetzwerk (WQN), die FEA (Finite Elemente Analyse) sowie CFD (Computational Fluid Dynamics)-Berechnungen [5], welche in dieser Arbeit zur Anwendung kam. Als Kühlmethode wurde die einphasige Flüssigkeitskühlung mit erzwungener Konvektion vorgesehen, um die Verlustleistung der elektrischen Komponenten effizient abzuführen. Nach dem elektrischen Layout wurde daher ein Kühlkanal derart gestaltet, dass eine möglichst gute Ankopplung der größten Wärmequel-len gewährleistet ist, indem Wärmeleitwege kurz gehalten wer-den. Mittels CFD-Untersuchungen erfolgte zudem eine Optimie-rung der Krümmerradien, um den durch Formwiderstand hervor-gerufenen Druckverlust und damit auch die notwendige Pump-leistung zu reduzieren, wobei jedoch ein Kompromiss hinsicht-lich des benötigten Bauraums gefunden werden musste. Durch die partielle Strukturierung der Kühlkanalwand ließen sich durch die daraus folgende Intensivierung des Wärmetransports Hotspots abbauen. Um den globalen Druckabfall infolge der Wandstrukturierung gering zu halten, wurde diese nur in Berei-chen mit großem Wärmeeintrag vorgesehen. Zur Auswahl einer geeigneten Wandstrukturierung wurden mithilfe der CFD mehre-re in der Literatur vorgeschlagene Strukturierungsarten unter-sucht. Die Ergebnisse waren jedoch aufgrund des zu großen

Bild 3. Normalisierter Eingangsstrom des PFC-Gleichrichters LEA, Universität Paderborn

WBK 17_05 Tabelle.docx – Verluste bei Volllast Pout = 10 kW

Beschreibung Bauteil Wert Bauteil Nr.

(siehe Bild 5)

Netzgleichrichterdioden 40 W 1

PFC-Drosseln 2 x 20 W 2, 3

PFC-Gleichrichter IGBT 2 x 65 W 4, 5

LLC-Resonanzkonverter MOSFET 96 W 6

LLC-Resonanzkonverter Transformator

72 W 7

Ausgangsgleichrichterdioden 44 W 8

Tabelle 1. Verluste bei Volllast Pout = 10 kW

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Druckabfalls durchweg nicht zufriedenstellend. Daher wurde ei-ne neue Wandstrukturierung mit sägezahnähnlicher Gestalt entwickelt (Bild 4).

4 Ergebnisse der CFD-Untersuchungen

Alle CFD-Untersuchungen wurden mit der kommerziellen Software STAR-CCM+ von CD-adapco durchgeführt. Um den Ein-fluss der Geometrieparameter auf das thermohydraulische Ver-halten der verschiedenen untersuchten Wandstrukturierungsar-ten zeiteffizient untersuchen zu können, wurde das Simulati-onsgebiet stets auf ein periodisches Element reduziert (Bild 4). Die neuentwickelte sägezahnähnliche Strukturierung zeigte bei diesen Untersuchungen – verglichen mit der besten Strukturie-rungsart, welche in der Literatur gefunden wurde – einen um

5 % besseren Wärmeübergang bei gleichzeitig 30 % geringerem Druckverlust, weshalb sie schließlich für die Strukturierung der Kühlkanalwand ausgewählt wurde.

Im nächsten Schritt wurden gekoppelte Wärmetransportsi-mulationen (gekoppelte Simulation der Konvektion im Kühlka-nal sowie der Wärmeleitung im Wandmaterial des Ladegeräts, siehe [6]) für das gesamte Ladegerät durchgeführt. Hierbei wurde stets vom Worst-Case-Szenario ausgegangen, bei wel-chem die äußeren Wandflächen des Ladegeräts adiabat sind und somit die gesamte Verlustleistung der elektrischen Kompo-nenten über das Kühlmedium (Wasser-Glykol-Gemisch, 50/50-Massenprozentmischung) abgeführt werden muss.

Die Simulationen zeigten, dass die maximale Übertempera-tur (definiert als Differenz zwischen der maximalen auf der Ge-häuse-Innenfläche auftretenden Temperatur und der Umge-

Bild 4. Schematische Darstellung der neuentwickelten Sägezahnrippe FVT, Universität Paderborn

Bild 5. a) Vorgenommene Vereinfachungen für die CFD-Untersuchungen, b) Temperatur -verteilung im Fall einer unstrukturierten Kühlkanalwand, c) Temperaturverteilung im Fall einer partiell strukturierten Kühlkanalwand (Sägezahnform) FVT, Universität Paderborn, Delta Energy Systems GmbH

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bungstemperatur) um circa 15 % gesenkt werden kann (Bild 5), wenn die beiden zentralen Kanalschenkel mit einer sägezahnförmigen Strukturierung versehen werden.

5 Zusammenfassung

Ein wassergekühltes On-Board-Ladegerät wurde entwickelt. Aufgrund des brückenlosen, hartschaltenden PFC-Gleichrichters in Totem-Pole-Struktur und des weichschaltenden LLC-Reso-nanzkonverters wurde ein maximaler Wirkungsgrad von h = 96,5 % erreicht. Die Form des Kühlkanals wurde mithilfe von CFD-Simulationen optimiert. Die hierbei entwickelte neue

Wandstrukturierung weist im Vergleich zu bereits in der Litera-tur beschriebenen Varianten eine verbesserte thermohydrauli-sche Effizienz auf, sodass sich eine Intensivierung des Wärme-übergangs mit geringerem Druckverlust und damit geringerer Erhöhung der Pumpleistung erzielen lässt. Durch die partielle sägezahnförmige Strukturierung der Kühlkanalwand mit dieser Geometrie ließen sich lokale Hotspots beseitigen. So zeigten die CFD-Untersuchungen eine Senkung der maximalen Übertem-peratur um 15 %, falls zwei Segmente des Kühlkanals struktu-riert ausgeführt werden. Die verringerten Schaltungsverluste und die verbesserte Wärmeübertragung resultieren in einer ge-steigerten Leistungsdichte von etwa 1,4 kW/l. □

Literatur

[1] Rossetto, L.: Control Techniques for Power Factor Correction Converters. 13. Power Electronics and Motion Control (PEMC), Warschau/Polen, 1994

[2] Huber, L.; Jang, Y.; Jovanovic, M.: Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers. 23. IEEE Transactions on Power Electronics, New York/USA, 2008

[3] Schulz-Harder, J.: Review on Highly Integrated Solutions for Power Electronic Devices. 5. International Conference on Integrated Power Systems (CIPS), Nürnberg, 2008

[4] Mühlethaler, J.; Kolar, J.; Ecklebe, A: Loss modeling of inductive components employed in power electronic systems. Power Electronics and ECCE Asia (ICPE ECCE), Jeju/Südkorea, 2011

[5] Boglietti, A.; Cavagnino, A.; Staton, D.; Shanel, M.; Mueller, M.; Mejuto, C.: Evolution and Modern Approaches for Thermal Analysis of Electrical Machines. 56. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2009, pp. 871–882

[6] Perelman, T.L.: On conjugated problems of heat transfer. 3. International Journal of Heat and Mass Transfer 3 (1961), pp. 293-303


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