Wichtigste Erkenntnisse
- Die Kopplung von Antriebsumrichter, Maschine und Regelkreis liefert zuverlässigere Ergebnisse hinsichtlich Drehmoment und Gerätebelastung als die Modellierung jedes einzelnen dieser Komponenten für sich.
- Schaltfrequenz, Regelbandbreite und Spannungsreserve sind nur dann aussagekräftig, wenn man sie im Zusammenhang mit der Induktivität, der Salienz und dem Drehzahlbereich des Motors betrachtet.
- Die Modelltreue sollte sich nach der technischen Fragestellung richten, wobei Schaltdetails eher für Arbeiten im Zusammenhang mit Welligkeit, Belastung und Schutzmaßnahmen vorbehalten bleiben sollten, anstatt überall eingesetzt zu werden.
Eine genaue Modellierung des Antriebsumrichters eines Elektrofahrzeugs muss den Motor und den Regelkreis berücksichtigen, da sonst die Vorhersagen zum Drehmoment und zur Belastung der Bauteile falsch ausfallen.
Ingenieure erhalten genauere Drehmoment- und Belastungsschätzungen, wenn der Traktionsumrichter, der Motor und der Regelkreis im selben Modell zusammengefasst sind. Das ist von Bedeutung, da im Jahr 2023 fast 14 Millionen Elektroautos verkauft wurden, wodurch der Motorantrieb für die Konstruktion von Elektrofahrzeugen zu einem Problem der Serienfertigung und nicht mehr nur zu einer Nischenaufgabe wurde. Abkürzungen, die Stromwelligkeit, Spannungsgrenzen oder die Salienz des Motors verbergen, bleiben nicht lange unbedeutend. Man kann einen Elektromotorantrieb nicht allein anhand der Schaltstufe beurteilen, und man kann den Motor nicht ohne den Umrichter beurteilen, der ihn speist. Ein brauchbares Modell hält diese Komponenten miteinander gekoppelt, sodass man sehen kann, wie aus einem Drehmomentbefehl Phasenstrom wird, wie dieser Strom die Bauteile erwärmt und wo die Regelungsabstimmung beginnt, die Leistung zu beeinträchtigen. Das ist der Unterschied zwischen einer Grafik, die sauber aussieht, und einem Modell, das auch unter härteren Betriebsbedingungen Bestand hat.
Wie erzeugt ein Traktionsumrichter die Phasenspannung des Motors?
Ein Antriebsumrichter wandelt die Gleichspannung der Batterie mithilfe von sechs Leistungsschaltern, Pulsweitenmodulation und einem Zwischenkreis in drei geregelte Phasenspannungen um. Das Modulationsmuster bestimmt die Durchschnittsspannung. Die Induktivität des Motors glättet den Strom. Dieser Stromvektor erzeugt das Drehmoment.
Stellen Sie sich einen 400-V-Akku vor, der einen Permanentmagnetmotor mit 3000 U/min versorgt. Der Regler fordert Strom für die q-Achse an, und die Brücke legt an jede Phase kurze positive und negative Spannungsimpulse an. Die Induktivität des Motors filtert diese Impulse zu einem nahezu sinusförmigen Strom. Deshalb sehen die Phasenspannungswellenformen gezackt aus, während die Drehmomentkurve dennoch glatt aussehen kann.
Ihr Modell benötigt diese Unebenheiten, wenn das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, Geräuschentwicklung oder die Erwärmung des Bauteils eine Rolle spielen. Die Totzeit verschiebt die effektive Spannung. Der Spannungsabfall am Bauteil schmälert die Spannung, die tatsächlich am Motor anliegt. Wenn Sie diese Effekte außer Acht lassen, erscheint der simulierte Motor leichter zu steuern als die Hardware, die Sie zu prognostizieren versuchen.
Die Maschinendynamik bestimmt die elektrische Belastung der Wechselrichterkomponenten
Die elektrische Belastung von Wechselrichtern wird sowohl durch die Maschine als auch durch die Brücke bestimmt. Wicklungsinduktivität, Gegen-EMK, Ausprägung und Drehzahl bestimmen die Stromwelligkeit und die Spitzenspannung. Ein und derselbe Traktionswechselrichter verhält sich sehr unterschiedlich, wenn er verschiedene Motoren versorgt.
Ein Permanentmagnetmotor mit niedriger Induktivität kann nach jeder Schaltflanke einen starken Stromanstieg verursachen. Eine Induktionsmaschine mit ähnlicher Leistung verteilt diesen Strom in der Regel über einen längeren Zeitraum. Die Rückspeisung nahe der Höchstgeschwindigkeit stellt einen weiteren Sonderfall dar, da die Gegen-EMK der Maschine die Phasenspannung in Richtung der Gleichstrom-Verbindungsspannungsgrenze drückt. Eine schwierigere Kommutierung und höhere Spitzenbelastungen treten genau dort auf, wo ein vereinfachtes Modell einen ruhigen Verlauf vermuten lässt.
Diese Kopplung ist für Verlustschätzungen und die sichere Betriebsreserve von Bedeutung. Dieselbe Brücke kann bei einem Gerät harmlos wirken, bei einem anderen hingegen eine übermäßige Belastung darstellen. Wenn man den Wechselrichter ohne das Gerät untersucht, übersieht man, an welcher Stelle Überstromspitzen, Diodenrücklauf oder Spannungssättigung auftreten. Die Belastung der Bauteile ist ein Systemergebnis und nicht nur eine Folge des Schaltvorgangs.
Ein Modell eines Antriebswechselrichters für Elektrofahrzeuge beginnt mit seiner Schaltbrücke
Ein nützliches Modell für einen EV-Antriebswechselrichter beginnt mit den Komponenten, die das Schaltverhalten tatsächlich bestimmen. Zu diesen Komponenten gehören die Gleichstromquelle, der Zwischenkreiskondensator, der Buswiderstand und die Businduktivität, sechs Halbleiterbauelemente, gültige Strompfade, Gate-Befehle und die Strommessung. Sie entscheiden darüber, welche Spannung den Motor erreicht und welche Belastung auf die Bauelemente zurückwirkt.
Ein 800-V-Brückenmodell mit idealen Schaltern kann das durchschnittliche Drehmoment recht gut vorhersagen. Es zeigt jedoch nicht den Überschwingen-Effekt, der auftritt, wenn die Businduktivität und die Ausgangskapazität der Bauelemente miteinander wechselwirken. Eine Stufe mit Silizium-IGBTs erfordert zudem die Rückspeisung der Dioden. Eine Stufe mit Siliziumkarbid-Bauelementen erfordert Angaben zur Ausgangskapazität und zur Totzeit am gleichen Arbeitspunkt.
Sie benötigen nicht alle parasitären Parameter aus dem ersten Durchlauf, sondern nur diejenigen, die für Ihre Fragestellung relevant sind. Für thermische Berechnungen sind Angaben zu Schaltverlusten erforderlich. Für die Verfeinerung bei niedrigen Geschwindigkeiten sind Totzeiten und Spannungsabfälle der Bauelemente erforderlich. Für Fehleranalysen werden Strompfade benötigt, die auch dann gültig bleiben, wenn ein Gate-Befehl fehlt.
„Dieselbe Brücke kann bei der einen Maschine sanft wirken und bei einer anderen aggressiv.“
Modelle mit Motorantrieb erfordern auf die Steuerung abgestimmte Maschinengleichungen
Ein Modell für den Antrieb mit Elektromotor funktioniert nur, wenn die Maschinengleichungen und das Regelungsverfahren auf denselben physikalischen Annahmen beruhen. Die feldorientierte Regelung für eine Permanentmagnetmaschine erfordert konsistente Zustände der d- und q-Achse. Die Regelung eines Asynchronmotors erfordert eine Rotorflussdynamik, die der Regler tatsächlich erfassen kann.
Ein Modell mit oberflächenmontierten Permanentmagneten verhält sich oft vorbildlich, wenn die Stromverstärkungen aus einem Lehrbuchbeispiel übernommen werden. Überträgt man dieselben Verstärkungen auf eine Maschine mit innenliegenden Magneten und starker Salienz, kommt es zu einem Drehmomentüberschwingen, da sich das Regelobjekt unterscheidet. Der Winkelabweichungsfehler des Sensors stellt eine weitere Falle dar. Ein Versatz von 5 Grad dreht den Sollstrom in die falsche Achse und verringert das Drehmoment, während die Verluste steigen.
SPS SOFTWARE ist hier von Nutzen, da Sie die Zustände der Schaltbrücke, des Reglers und der Maschine in einem bearbeitbaren Modell übersichtlich darstellen können, anstatt sie über geschlossene Blöcke zu verteilen. Das erleichtert es, nachzuvollziehen, warum eine Verstärkung, die für sich genommen in Ordnung schien, versagt, sobald die Umrichtergrenzen und die Maschinenzustände miteinander interagieren. Sie können die Annahmen direkt überprüfen, anstatt zu raten, in welchem Block sie verborgen sind.
Die Regelbandbreite legt fest, wie sich das Drehmoment nach einem Befehl aufbaut
Das Drehmomentverhalten hängt stärker von der Bandbreite des Stromregelkreises, der Abtastverzögerung, der verfügbaren Phasenspannung und der Maschineninduktivität ab als von einem bloßen Schaltwert. Der Umrichter beeinflusst das Drehmoment, da er begrenzt, wie schnell der Strom den Sollwert erreichen kann. Diese Begrenzung wird deutlich, wenn Gegen-EMK und Spannungssättigung den Regelkreis unter Druck setzen.
Führen Sie bei einem 400-V-Antrieb bei niedriger Drehzahl einen Schritt von 0 Nm auf 150 Nm durch. Der Regler erreicht das Ziel in der Regel schnell, da ausreichend Spannungsreserve vorhanden ist, um den Strom nach oben zu treiben. Führen Sie denselben Schritt nahe der Grunddrehzahl durch, stößt der Sollwert an die Grenze des Gleichstromzwischenspeichers. Der Strom steigt langsamer an und die Drehmomentkurve verläuft selbst bei identischen Verstärkungswerten abgerundeter.
Aus diesem Grund können Testergebnisse Teams überraschen, die ihre Anlagen ausschließlich im Stillstand abgestimmt haben. Ein schneller Stromregler kann fehlenden Spannungsspielraum nicht ausgleichen. Zusätzliche Bandbreite kann zudem Störgeräusche oder Welligkeit verstärken, wenn die Induktivität der Maschine gering ist. Bei der Beurteilung des Drehmomentgefühls ist der Betriebspunkt ebenso wichtig wie die Reglereinstellungen.
Welche Schaltfrequenz eignet sich für ein bestimmtes Traktionsumrichtermodell?
Die für einen Antriebsumrichter geeignete Schaltfrequenz ist jene, bei der Stromwelligkeit, Schaltverluste, Regelgenauigkeit und akustische Grenzwerte für eine bestimmte Maschine und einen bestimmten Drehzahlbereich im Gleichgewicht stehen. Die meisten Antriebe für Elektrofahrzeuge liegen im Bereich zwischen einigen Kilohertz und den unteren Zehnern von Kilohertz. Ein gutes Modell testet diesen Bereich, anstatt Vermutungen anzustellen.
Eine 8-kHz-Brücke in Kombination mit einem Motor mit höherer Induktivität kann die Welligkeit in Grenzen halten und die Verluste gering halten. Ein Permanentmagnetmotor mit niedriger Induktivität erfordert oft eine höhere Frequenz oder eine höhere Phasenspannung, um die gleiche Drehmomentgleichmäßigkeit zu erreichen. Veröffentlichte Testberichte zu Siliziumkarbid-Antriebswechselrichtern für Kraftfahrzeuge weisen Spitzenwirkungsgrade von über 98 % aus, sodass bereits eine geringe Frequenzverschiebung die thermische Reserve aufbrauchen kann. Das lässt wenig Spielraum für eine Frequenzwahl, die allein aus Gewohnheit getroffen wird.
Die Wahl der Frequenz beeinflusst auch, was Sie simulieren müssen. Bei niedrigeren Frequenzen lassen sich Welligkeit und akustische Anteile leichter erkennen. Bei höheren Frequenzen müssen Sie verstärkt auf Schaltverluste und den Temperaturanstieg der Bauteile achten. Sie können erst dann den besten Kompromiss finden, wenn Motor und Umrichter im selben Modell berücksichtigt werden.
Die Simulationsgenauigkeit sollte der gestellten Fragestellung entsprechen
Die Details der Simulation sollten auf die technische Fragestellung abgestimmt sein, da eine falsche Genauigkeitsstufe in einem Fall Zeitverschwendung bedeutet und in einem anderen Fall die Antwort verschleiert. Mittelwertmodelle eignen sich gut für Energieflussanalysen und allgemeine Steuerungsprüfungen. Für Untersuchungen zu Welligkeit, Belastung, Totzeit und Schutzmaßnahmen sind Schaltmodelle erforderlich.
Für eine Reichweitenanalyse auf Fahrzeugebene sind nicht alle Schaltflanken erforderlich. Bei einer Drehmomentsprunganalyse bei niedriger Drehzahl ist dies in der Regel jedoch der Fall. Die Tabelle ermöglicht eine schnelle Überprüfung, ob die Modelldetails mit dem gewünschten Ergebnis übereinstimmen. Durch diese Vorgehensweise lässt sich die Simulationszeit unter Kontrolle halten, ohne dabei die physikalischen Zusammenhänge außer Acht zu lassen, die das Ergebnis bestimmen.
| Falls Sie diese Frage beantworten müssen | Verwenden Sie diesen Detaillierungsgrad des Modells |
| Wie viel Batterieleistung verbraucht der Antrieb über einen langen Betriebszyklus hinweg? | Verwenden Sie einen durchschnittlichen Wechselrichter mit Drehzahl- und Drehmomentverlustkurven, damit auch lange Fahrten überschaubar bleiben und der allgemeine Energieverlauf klar erkennbar ist. |
| Warum sich das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen beim Anfahren ruckartig anfühlt | Verwenden Sie explizite Schaltelemente, Totzeit und Phaseninduktivität, da das Welligkeitsmuster die Drehmomentpulsation und den hörbaren Anteil beeinflusst. |
| Wie starke Beschleunigung Halbleiterbauelemente erhitzt | Berücksichtigen Sie Leitungsverluste, Schaltverluste und parasitäre Effekte im Gleichstromzwischenkreis, damit die Wärmeimpulse mit der Kommutierungsbelastung übereinstimmen, der die Hardware ausgesetzt sein wird. |
| Warum die Stromregelung bei Annäherung an die Grunddrehzahl nachlässt | Stellen Sie sicher, dass der Regler, die Spannungsgrenzwerte und die Gegen-EMK der Maschine so aufeinander abgestimmt sind, dass die Sättigung an derselben Stelle auftritt wie im Antrieb. |
| Was passiert nach einem nicht befolgten Torbefehl oder einem Fehlerereignis? | Modellieren Sie gültige Freilaufwege und die Erfassung, da der Maschinenstrom auch nach dem Wegfall des Befehls weiterfließt und die Schutzlogik darauf reagieren muss. |
Wenn es um die Belastung des Bauteils geht, sieht ein vereinfachtes Durchschnittsmodell zwar ansprechend aus, führt Sie aber dennoch in die Irre. Wenn es um die Zyklenergiekosten geht, kostet ein vollständiges Schaltmodell Zeit und bringt kaum einen Mehrwert. Bei guter Modelltreue geht es nicht um ein Maximum an Details. Bei guter Modelltreue geht es darum, genau die Details beizubehalten, die für das Ergebnis entscheidend sind.
„Man kann erst dann erkennen, welche Variante die bessere ist, wenn Motor und Wechselrichter im selben Modell verbaut sind.“
Häufige Einstellungsfehler verfälschen die vorhergesagte Drehmomentkurve
Das Drehmomentverhalten sieht in der Simulation besser aus als auf der Hardware, wenn kleine Einstellungsfehler die Verbindung zwischen der Physik des Umrichters, den Maschinenzuständen und den Regelgrenzen unterbrechen. Die schlimmsten Fehler sind einfach, wiederholbar und vermeidbar. Das macht sie gefährlich, denn die Diagramme sehen bis zum ersten harten Betriebspunkt immer noch einwandfrei aus.
Die meisten schlechten Ergebnisse sind auf eine kleine Anzahl von Einstellungsgewohnheiten zurückzuführen. Hinter jeder davon verbirgt sich eine andere physikalische Grenze. Saubere Wellenformen bedeuten nicht, dass das Modell zuverlässig ist. Diese Überprüfungen decken falsches Vertrauen frühzeitig auf.
- Der Einsatz idealer Schalter bei Totzeit und Gerätespannungsabfall beeinflusst den Strom bei niedrigen Drehzahlen.
- Kombination eines Modells für einen Permanentmagnetmotor mit Regelungsgleichungen, die auf einen anderen Motortyp abgestimmt sind.
- Die Stromregelkreise im Stillstand abstimmen und sich auf die Verstärkungswerte nahe der Grunddrehzahl verlassen.
- Festlegung einer Schaltfrequenz, bevor die Welligkeit und die Verluste über den gesamten Drehzahlbereich hinweg überprüft werden.
- Nur das Drehmoment wird überprüft, während der Gerätestrom, die Welligkeit im Zwischenkreis und die thermische Belastung außer Acht gelassen werden.
Ein Modell gewinnt an Glaubwürdigkeit, wenn das Weglassen von Details bewusst erfolgt und klar dokumentiert wird. Das ist der Maßstab, den Sie bei jeder Untersuchung von Traktionsumrichtern oder Elektromotorantrieben anlegen sollten. SPS SOFTWARE passt zu dieser Arbeitsweise, da Sie den Umrichter, die Steuerung und die Maschine an einem Ort untersuchen und neben der Belastung des Geräts auch das Drehmomentverhalten beurteilen können. Klare Modelle beseitigen zwar keine Kompromisse, zeigen Ihnen aber, woher diese Kompromisse stammen.
