Entwurf eines einstufigen Ladewandlers auf Basis eines LLC-Resonanzwandlers
Creators: name: Keuck, Lukas
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: Heutige On-Board-Ladewandler sind typischerweise aus zwei Stufen aufgebaut, die über einen Spannungszwischenkreis verbunden sind. Als erste Stufe kommt ein PFC-Gleichrichter zum Einsatz, der die Anforderungen an den Netzstrom bezüglich Oberschwingungsgehalt und Leistungsfaktor sicherstellt. Für die zweite Wandler-Stufe hat sich in den vergangenen Jahren ein LLC-Resonanzwandler qualifiziert, der die Ladeleistung an die Traktionsbatterie galvanisch getrennt überträgt. Der Zwischenkreis besteht aus einer Bank von Elektrolytkondensatoren, in denen die pulsierende Eingangsleistung zwischengespeichert wird. Die Kondensatoren machen einen erheblichen Teil des Lader-Volumens aus und altern schnell, was insbesondere für Ladewandler an Bord von Elektrofahrzeugen unerwünscht ist. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, ob diese zweistufige Struktur verworfen werden kann, indem der LLC-Resonanzwandler direkt an die gleichgerichtete Netzspannung angeschlossen wird.Zum Einsatz des LLC-Resonanzwandlers als einstufiger Ladewandler ist die Schaltung für einen großen Strom- und Spannungsbereich auszulegen. Hierfür wird in der vorliegenden Arbeit eine erweiterte Zeitbereichsanalyse erarbeitet, deren hohe Modellierungsgenauigkeit im Anschluss experimentell nachgewiesen wird. Mit Hilfe dieser Zeitbereichsanalyse werden die Belastungsgrößen des Resonanzwandlers berechnet, um hiermit eine Vorauswahl der Schaltungsparameter treffen zu können. Darauf aufbauend erfolgt die Optimierung des integrierten Transformators als Schlüsselkomponente des Ladewandlers sowie dessen prototypische Realisierung. Abschließend wird mittels Prototypen die erzielbare Leistungsdichte ermittelt. Ergebnis: Verglichen mit etablierten Ladewandlern der heutigen Elektrofahrzeuge konnte durch den einstufigen Ansatz die Leistungsdichte um ca. 53% gesteigert werden.
description: Today's on-board chargers of electric vehicles typically consist of two stages which are connected via a voltage DC link. A PFC rectifier is used as the first stage which ensures that the requirements for the mains current are met with respect to harmonic content and power factor. For the second converter stage, an LLC resonant converter has qualified in recent years which transmits the charging power to the traction battery in a galvanically isolated manner. The DC link consists of a bank of electrolytic capacitors in which the pulsating input power is buffered. The capacitors occupy a large portion of the charger volume and age rapidly, which is particularly undesirable for on-board chargers in electric vehicles. In the presented work, it is investigated whether this two-stage structure can be discarded by connecting the LLC resonant converter directly to the rectified line voltage.To use the LLC resonant converter as a single-stage charger, the circuit must be designed for a wide current and voltage range. For this purpose, an extended time-domain analysis is developed in this thesis, whose high modeling accuracy is subsequently demonstrated experimentally. With the help of this time domain analysis, the stress variables of the resonant converter are calculated in order to be able to make a preselection of the circuit parameters. Based on this, the optimization of the integrated transformer as a key component of the charger is carried out as well as its prototypical realization. Finally, the achievable power density is determined by means of prototypes. Result: Compared to established on-board chargers of today's electric vehicles, the single-stage approach increased the power density by about 53%.