Architekturdesign eines Leistungswechselrichters
Kunde
Eines der führenden europäischen Tier-1-Unternehmen der Automobilbranche.
Herausforderung
Der Kunde wandte sich an uns, um die Architektur eines Leistungswechselrichters für eine 48-V-Mild-Hybrid-Elektrofahrzeug-Anwendung (MHEV) zu entwickeln. Wir konnten die Spezifikation der elektrischen Maschine analysieren und die Architektur der Leistungsstufe vorschlagen, einschließlich der Berechnung der Leistungsverluste und der Simulation der Performance bei verschiedenen Fahrprofilen.
Lösung
1. Definition der Architektur
Wir analysierten verschiedene Patente und fertige Designlösungen auf Kundenseite, um die Architektur des Leistungswechselrichters auszuwählen und zu dokumentieren. Darauf aufbauend wurde das PLECS-Modell des Wechselrichters erstellt.
2. Komponentenauswahl
Anschließend analysierten wir die Bauteilbasis für die ausgewählte Architektur und berücksichtigten dabei sowohl die am Markt verfügbaren Komponenten als auch die neuesten Komponenten, die noch nicht auf dem Markt erhältlich waren. Diese Informationen erhielten wir von unseren Partnern, den globalen Technologieanbietern.
3. PLECS-Simulation
Im nächsten Schritt entwickelten unsere Ingenieure PLECS-Modelle auf Basis der ausgewählten Komponenten. Mithilfe der erstellten Modelle berechneten wir die Wärmeabgabe der Leistungseinheit während des Betriebs unter verschiedenen Lasten. Die Lastprofile wurden aus der Motorspezifikation abgeleitet und in PLECS simuliert.
4. Simulink-Simulation
Auf Basis der Wärmeabgabewerte erstellten wir ein vorläufiges Simulink-Modell zur Simulation eines Flüssigkeitskühlsystems. Dabei wurden die Oberfläche der Kühlkammer und die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels berücksichtigt. Auf diese Weise schätzten wir den Temperaturanstieg der Leistungsstufe mit ausreichender Genauigkeit ab.
5. Analyse aller Fahrprofile und BOM-Optimierung
Mithilfe unseres PLECS- und Simulink-Modells simulierten wir die bereitgestellten Fahrprofile mit verschiedenen Leistungsmodulen und unterschiedlicher Anzahl von Zwischenkreiskondensatoren. Auf Grundlage der Ergebnisse zum Temperaturanstieg optimierten wir die Anzahl der parallel benötigten Komponenten, um die 16-kW-Last der elektrischen Maschine zu bewältigen. Dadurch wurde eine optimale Übertemperaturbelastung für unsere Leistungsmodule sichergestellt.
Außerdem wurde die Anzahl der Zwischenkreiskondensatoren nicht nur im Hinblick auf die erforderlichen Temperaturen, sondern auch auf die simulierten Werte des Rippelstroms optimiert.
Geschäftlicher Nutzen
Unser Kunde erhielt eine vorläufige Komponentenliste und die Architektur des Leistungswechselrichters.
Die wichtigsten Vorteile des Projekts:
- Enge Zusammenarbeit mit einem technischen Berater auf Kundenseite.
- Präzise Modellierung des Kühlsystems mit Simulink- und PLECS-Modell.
- Arbeit mit den neuesten Komponenten, die direkt von den Herstellern bezogen wurden.
Verwandte Kompetenz: 48-V-DC/DC-Stromversorgungssysteme für Fahrzeuge
Die gleiche 48-V-Architektur, die diesem Wechselrichterprojekt zugrunde liegt, benötigt einen DC/DC-Wandler zur Versorgung der 12-/24-V-Nebenverbraucher. Denn 12 V bleiben weiterhin erforderlich. Die Dual-Voltage-Architektur (48 V ↔ 12/24 V) ist ein dauerhafter Bestandteil der Fahrzeugarchitektur. Daher benötigt jede 48-V-Plattform eine speziell entwickelte Schnittstelle, die auf ihr individuelles thermisches Verhalten, ihr Lastprofil und die Integration in das Steuergerät (ECU) abgestimmt ist. Standardlösungen passen nur selten.
Ein bidirektionaler Leistungsfluss zwischen 48 V und 12 V gewährleistet die Ausfallsicherheit sicherheitskritischer 12-V-Verbraucher (elektrische Servolenkung (EPS), Bremsanlage), ermöglicht Starthilfe über 12 V und den Notlaufbetrieb sowie den Ausgleich zwischen zwei Batterien mit Pufferung von Lastspitzen.
Für OEMs, Tier-1-Zulieferer und EV-Start-ups, die 48-V- und Niedervolt-Plattformen entwickeln, konzipiert Promwad das System als Ganzes:
- Individuelle DC/DC-Topologie — abgestimmt auf Ihre Effizienz-, Wärme- und Lastanforderungen, einschließlich des bidirektionalen Leistungsflusses zwischen 12 V und 48 V.
- Automotive-taugliche Hardware — Hochstrom-Leiterplatten und ein EMV-gerechtes Layout werden bereits ab dem ersten Schaltplan berücksichtigt, statt erst nach einem fehlgeschlagenen Test nachgebessert zu werden.
- Embedded-Firmware und Diagnose — Steuerung, On-Board-Diagnose und ECU-Integration über CAN/LIN.
- Validierung und Konformität — Unterstützung bei der funktionalen Sicherheit gemäß ISO 26262, Qualifizierung nach LV 148 / ISO 21780, Tests und Prototypenentwicklung.
Dieselbe simulationsgestützte Präzision, die in diesem Projekt zum Einsatz kommt (PLECS, Simulink sowie thermische Analysen und Fahrprofilanalysen), wird auf die gesamte 48-V-Leistungswandlungskette angewendet.
