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Alle drei Phasen unter Kontrolle

IAV entwickelt ein universell einsetzbares Controllerboard für Wechselrichter mit voller Schieflastfähigkeit

Im Initiativprojekt „Kazan“ arbeitet IAV an einem leistungsvariablen universellen Wechselrichter mit Schieflastfähigkeit – zum Beispiel für die bidirektionale Verbindung von Bord- und 230 Volt-Niederspannungsnetzen. Ein wesentlicher Bestandteil ist ein Controllerboard zur Ansteuerung der Komponenten des Umrichtersystems. Dank seiner hohen Leistungsfähigkeit ermöglicht es präzise und schnelle Regeleingriffe, beispielsweise für das Ausregeln unterschiedlicher Lasten auf den drei Phasen.

Der Übergang zwischen verschiedenen Stromnetzen wird im Umfeld der E-Mobilität und der erneuerbaren Energien immer wichtiger. Zum Beispiel beim Aufladen der Hochvoltbatterie im E-Auto an der heimischen Steckdose: Ein Wechselrichter muss die 230 Volt Wechselspannung in eine Gleichspannung (von oft 400 Volt) umwandeln. Zudem sollen die Batterien in den Fahrzeugen künftig auch als Zwischenspeicher für gerade nicht benötigten Ökostrom dienen und ihn bei Bedarf wieder ins öffentliche Stromnetz einspeisen – in diesem Fall muss der Wechselrichter in umgekehrter Richtung arbeiten und aus der Gleichspannung im Fahrzeug 230 Volt Wechselspannung erzeugen. Ganz ähnliche Aufgaben stellen sich bei den erneuerbaren Energien, wo elektrische Energie von Photovoltaik-Anlagen zu Solar-Batterien oder ins Hausnetz fließt.

Universelle Wechselrichterplattform

Die Eigenentwicklung von IAV besteht unter anderem aus einem Netzteil, verschiedenen Invertern und einem Controllerboard. Die modulare Wechselrichterplattform lässt sich an die Spannungsklasse (Tausch einer Baugruppe) und die geforderte Leistung (Parallelschaltung mehrerer Geräte) anpassen. Sie ermöglicht unter anderem die Realisierung von Ladegeräten und Antriebsumrichtern. „Die Plattform eignet sich nicht nur für die Verbindung von E-Fahrzeugen mit externen Netzen“, berichtet Dr. Andreas von Daake, Entwicklungsingenieur für Steuergeräte bei IAV. „Wir können sie zum Beispiel auch einsetzen, um den IAV-Energiecontainer mit einem Elektrolyseur zu verbinden.“

Zentraler Bestandteil ist das Controllerboard für die Ansteuerung der einzelnen Komponenten des Umrichtersystems, darunter Wechselrichter, AC-Netzfilter und Buck-/Boost-Konverter. Es basiert auf einem leistungsstarken, mit 300 MHz getakteten AURIX TC299 Dreikern-Mikrocontroller von Infineon, der mit seinen zehn Delta-Sigma-Analog-Digital-Konvertern zusätzlich zu den Successive-Approcimatin-Analog-Digital-Konvertern die präzise Messung aller relevanten Signale erlaubt. „Das ist besonders für die hochauflösenden Regeleingriffe zur Ansteuerung der IGBT-Leistungstransistoren erforderlich, die mit 90 kHz getaktet und geregelt werden“, so von Daake.

Eine Vielzahl von Schnittstellen ermöglicht beispielsweise den Anschluss an Fahrzeug-Bordnetze (via CAN oder FlexRay) und die Parallelschaltung mehrerer Boards (via Ethernet). Großen Wert legen die Entwickler auf die Sicherheit, die Protokollierung von Fehlern und das ausführliche Datenlogging, für das ein eigenes SRAM zur Verfügung steht (es zeichnet die Mess- und Stellgrößen der letzten 20 Sekunden auf).

Voller Zugriff auf die Controller-Software

„Wir haben uns beim Controllerboard für eine eigene Entwicklung entschieden, weil wir dadurch vollen Zugriff auf die Software haben und sie ohne Einschränkungen an unsere Anforderungen anpassen können“, berichtet von Daake. „Das ist bei den anspruchsvollen regelungstechnischen Aufgaben sehr wichtig.“ So gehört die volle Schieflastfähigkeit zu den Regelaufgaben des Controllerboards – ein Feature, das auf dem Markt verfügbare Geräte nicht bieten und das im Zusammenhang mit Photovoltaik-Anlagen wichtig ist. Dank seiner Schieflastfähigkeit kann das Controllerboard beliebige Ungleichgewichte auf den drei Phasen ohne kostspielige Netzeingriffe ausregeln.

Das Controllerboard wird ab Oktober 2017 einsatzfähig sein, der gesamte Baukasten soll Ende 2019 zur Verfügung stehen und dann als IAV-Produkt angeboten werden.

Technische Daten des Controller-Boards

  • Mikrocontroller:
    Infineon TriCore AURIX TC299 (32 Bit, 300 MHz, 3 Kerne)
  • Schnittstellen:
    4 x CAN, CAN-FD (bis 5 Mbit/s, wake-up-fähig, galvanisch getrennt), Ethernet, LIN, 2 x SPI, SD-Karte, 2 x I2C, EBU, USB
  • JTAG, DAP, HSCT
  • 10 analoge Eingänge
    (4 Eingänge DC, 6 Eingänge AC)
  • Treiberansteuerung:
    3 x 3-Level-Modul (Inverter)
    2 x 2-Level-Modul (Buck-Boost-Converter)
    6 x 2-Level-Modul (Resonant Converter)
  • Speicher für Fehler sowie Mess- und Stellgrößen

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