Batterie-Stützung mit DC/DC-Wandler und Doppelschichtkondensatoren für elektrische Fahrantriebe

Schröder, Jens Christian

In einem elektrisch betriebenen Fahrzeug besitzt die Batterie einen entscheidenden Einfluss auf die Kosten und auf das Bauvolumen. Daher wird eine hohe Lebensdauer der Batterie bei möglichst hoher Reichweite und kleiner Baugröße angestrebt. In dieser Arbeit werden Methoden zur Optimierung eines Systems, welches aus DC/DC-Wandler und Doppelschichtkondensatoren besteht, zur Entlastung der Traktionsbatterie in elektrisch betriebenen Fahrzeugen beschrieben. Es wird analysiert, inwieweit dieses System die Traktionsbatterie im Betrieb entlasten kann und inwieweit dadurch die Gesamteffizienz gesteigert wird. Zur Verifizierung der theoretischen Überlegungen wird ein solches System für ein Flurförderzeug-Antriebssystem ausgelegt und analysiert. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen auf der Hardware-Optimierung des verwendeten bidirektionalen DC/DC-Wandlers und seiner Komponenten sowie auf der Entwicklung einer übergeordneten Leistungsregelung im Fahrzeug zum optimalen Betrieb des Batterie-Stützungssystems. Zunächst werden die Randbedingungen für das zu entwickelnde System erarbeitet, wozu insbesondere der genutzte Spannungsbereich der Doppelschichtkondensatoren gehört. Weiterhin werden die Vorteile der Interleaved-Technik zur Anwendung in Gleichstromstellern erläutert. Mögliche Vorteile von gekoppelten Induktivitäten werden ausgearbeitet und das Verhalten des gekoppelten Systems mit dem herkömmlichen Einsatz von diskreten Induktivitäten verglichen. Zur Reduzierung der Kosten des Wandlers wird ein Verfahren präsentiert, durch dessen Einsatz es möglich ist, die Anzahl an Stromsensoren zu verringern. Anschließend wird die Entwicklung eines übergeordneten Powermanagements beschrieben, welches mit Hilfe eines Fuzzy-Reglers realisiert wird. Es wird untersucht, ob dieser Regler durch den Einsatz eines genetischen Algorithmus optimiert werden kann. Zuletzt wird das entwickelte optimierte Batterie-Stützungssystem in seiner Gesamtheit analysiert und vermessen. Der Betrieb eines Fahrzeuges mit und ohne ein solches System wird sowohl analytisch als auch messtechnisch hinsichtlich der thermischen und elektrischen Größen detailliert verglichen.

In an electrically driven vehicle the battery has a major influence on the costs and on the volume. Thus, a high lifetime of the battery, connected with a high operation range of the vehicle and low volume is desired. In this work, methods to optimize a system consisting of a dc/dc-converter and double layer capacitors to disburden the traction battery in an electric vehicle are described. It is investigated, how this system can disburden the traction battery and how the general efficiency can be improved. To verify the theoretical considerations, such a system is designed and analyzed for a lift truck propulsion system. The main focus of this work is on the hardware optimization of the bidirectional dc/dc-converter and its components and on the development of a superior powermanagement in the vehicle for optimal operation of the battery buffer system. First the marginal conditions for the system are worked out, which is mainly the used voltage area of the double layer capacitors. Additionally the advantages of the interleaved technique in dc/dc-converters are explained. Possible advantages of coupled inductors are worked out and the system behaviour of the coupled system is compared with the conventional application of discrete inductors. To reduce the dc/dc-converter’s costs a method to reduce the number of current sensors is presented. Afterwards the design of a superimposed powermanagement is described which is realized by a fuzzy-controller. It is investigated if this controller can be further optimized with a genetic algorithm. At last, the buffer system is analyzed in its entirety und the vehicle operation is compared with and without the additional buffer system. The operation of a vehicle with and without such a system is compared concerning thermal and electrical parameters both analytically and with measurements.

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Schröder, Jens Christian: Batterie-Stützung mit DC/DC-Wandler und Doppelschichtkondensatoren für elektrische Fahrantriebe.

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