Im Rahmen der vergleichenden Untersuchung von Umrichtertopologien im mechatronischen Verband des Antriebsstrangs eines Hybridfahrzeuges entstanden parametrisierbare Modelle der Umrichter, seiner Komponenten und der elektrischen Maschine. In der vorgestellten Untersuchungsmethode werden diese in eine Fahrzyklussimulation eingebettet, um Aussagen des analytischen Variantenvergleichs ohne Betriebpunktvorgabe am durch die Fahrt entstehenden Lastprofil zu prüfen. H-Zellen-Multilevel-Umrichter auf MOSFET-Basis haben sich als verlustärmste Topologie herausgestellt. Bei doppelseitiger Chipkühlung können so große Stromdichten im Chip zugelassen werden, dass in einem Batteriespannungsbereich über 200V der klassische Zwei-Level-Umrichter auf IGBT-Basis im Fahrzyklus mit der geringsten Chipfläche auskommt. Der Einfluss der Maschinenauslegung, des Sicherheitskonzeptes und der Aufbau und Verbindungstechnik im Umrichter werden durch eine Parametervariation untersucht. Diese Untersuchung zeigt, dass die bisherige Leistungsbegrenzung für luftgekühlte Umrichter durch die Multileveltopologie aufgehoben werden kann. Eine Kondensatorbelastungsanalyse zeigt, welche Topologie mit dem geringsten Kondensatorbedarf auskommt. Für Spannungen bis 200V sind H-Zellen-Umrichter den klassischen 2-Level- Umrichtern überlegen. Alle Multileveltopologien profitieren von dem Einsatz der MOSFET-Schalter. Diese ermöglichen bei Herabsetzen der Stromdichte im Chip viel kleinere Verluste als die IGBT-Technologie. Die Absenkung der mittleren Verluste muss dabei nicht mit einer Zunahme der Zuverlässigkeit einhergehen. Teure Umrichter erhöhten Wirkungsgrades zahlen sich zur Kraftstoffverbrauchsreduktion alleine nicht aus, da die Betriebsstrategie des Hybrides und das damit verbundene Verbrauchspotential im Downsizing des Verbrennungsmotors überwiegt, wie die Fahrzyklussimulation zeigt. Zukünftige Fahrzeuge hoher Reichweiten in der rein-elektrischen Fahrt müssen Wirkungsgradeinbußen mit kostenintensiver zusätzlicher Batteriekapazität kompensieren. Hier werden die Multilevelumrichter auf MOSFET-Basis ein weites Anwendungsfeld finden.

A comparative analysis of selected topologies for voltage source inverters as part of the automotive drive train mechatronics are carried out on the basis of parametric models of the inverter and the electric machine. The presented method uses these models in a drive cycle simulation in order to verify the applicability of model based conclusions in realistic load conditions over the component life time. H-Cell-multi-level-inverters have shown the best efficiencies, while IGBT-based 2-level-inverters allow the least chip surface in optimal cooling conditions of doublesided cooling and battery voltages above 200V. A parametric study of different machine designs, voltage limiting concepts and chip packaging and cooling assemblies have demonstrated how machine and inverter can be optimized for either efficiency or reliability. A capacitor load analysis shows the benefits of interleaved switching in multiphase systems and the disadvantages of the capacitor load in H-Cell-Booster concepts. The displayed advantages of the multi-level-inverters below 200V battery voltage are strongly related to the application of MOSFETs instead of IGBTs. Reducing current density on the chip by increasing the chip size, leads to a lower loss balance in MOSFET inverters than in IGBT inverters. Nevertheless complexity and power chip size drive these multi-level-converters to a higher cost, that may not be justified in a full-hybrid car, since less cost intensive measures with higher leverage on the fuel consumption reduction can be applied, as the drive cycle simulation in the NEDC shows. Future Plug-In or electric vehicles will profit of this technology. In these application the investment in more efficient electronic componency pays off, since inefficiencies in the drivetrain have to be compensated with more battery capacity in order to archive the same electric drive range