Die richtige E

ANTRIEB
Die richtige E-Maschine
Optimale Ansteuerung von Asynchronmaschinen für den Einsatz als Achsantrieb
Achsantriebs-Beispiel mit Induktionsmaschine, Getriebe und Differenzial
Die Induktionsmaschine mit
Wechselrichterspeisung hat in
vielen technischen Bereichen
Anwendung gefunden. Durch ihre
Robustheit, Sicherheit, die niedrigen Herstellungskosten und
sehr gute Regelbarkeit eignet sie
sich als Antriebsmotor für Hybridund Elektrofahrzeuge. Der Beitrag
zeigt, welche Maßnahmen nötig
sind, um eine Wirkungsgrad optimierte Ansteuerung für alle Spannungslagen, unterschiedliche
Drehmomentanforderungen und
Drehzahlbereiche zu realisieren.
Die Induktionsmaschine hat im Vergleich zur
PM-erregten Synchronmaschine mehrere Vorteile für Automotive Anwendungen: Robustheit,
Temperaturbeständigkeit, großer Drehzahlbereich mit hohen Drehzahlen, keine Bremsmomente im Kurzschlussfall, kleine induzierte
Spannung bei höherer Drehzahl, keine Schleppverluste, geringe Herstellungskosten. Als Nachteile hingegen müssen der niedrigere Wirkungsgrad bei kleiner Drehzahl und die kleinere Leis-
Der Autor Dr. Marco Falco ist Leiter der Abteilung
Elektrische Antriebe bei der Hofer eds , Würzburg
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tungsdichte erwähnt werden. Für die im Antriebstrang integrierte elektrische Maschine ist die
Bauraumproblematik das zentrale Thema. Die
elektrische Maschine wird normalerweise zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe integriert, jeder zusätzliche Millimeter Bauraum
stellt in den meisten Fällen ein unlösbares Problem dar. Die größere Leistungsdichte der Synchronmaschine bringt für solche Anwendungen
entscheidende Vorteile.
Für den Achsantrieb ist die Situation ganz anders. Natürlich spielen auch im diesem Fall die
Bauraumrestriktion und die Gewichtsanforderung eine wichtige Rolle. Es müssen aber der
Gesamtantrieb und nicht nur die E-Maschine
betrachtet werden. Bei einem Achsantrieb werden immer ein Getriebe und ein Differenzial benötigt. Zusätzlich wird bei einem mit Synchronmaschine ausgestatteten Achsantrieb eine
Trennkupplung benötigt. Sie stellt sicher, dass
bei höheren Drehzahlen und beim Kurzschluss
die E-Maschine von der Antriebsachse abgetrennt wird. Eine Induktionsmaschine braucht
dagegen prinzipiell bedingt keine Trennkupplung. Betrachtet man das komplette System,
sind die Bauraumvorteile der Synchronmaschine für eine solche Anwendung völlig durch die
zusätzliche Kupplung kompensiert. Im Gegenteil kann beim Einsatz einer auch kostengünstigeren Induktionsmaschine die höhere Drehzahlbeständigkeit genutzt und mit einer größeren Übersetzung die elektrische Maschine bei
gleicher Leistung kleiner gebaut werden. Ein we-
sentlicher Vorteil beim Einsatz von Induktionsmaschinen ist ebenfalls die Sicherheit. Die PMSynchronmaschine verhält sich wie ein Generator. Bei der Verdrehung wird immer eine Spannung von den Magneten in den Statorwicklungen induziert. Daher muss die PM-Synchronmaschine bei jedem Fehlerzustand in 3-phasigen Kurzschluss gehalten werden. Dies bedeutet einen Zusatzaufwand für die Leistungselektronik. Ferner erzeugt der 3-phasige Kurzschluss
ein Bremsmoment und der zweipolige Kurzschluss ein Pendelmoment an der Antriebswelle, das in einigen Fahrsituationen sehr gefährlich sein kann. Beim Einsatz einer Induktionsmaschine wird generell keine Spannung induziert, wenn kein Magnetisierungsstrom in der
E-Maschine vorhanden ist. Damit entwickelt
sich auch kein Bremsmoment oder dauerhaftes
Pendelmoment.
Unterschied zu Industrieantrieben
Die Ansteuerung einer Induktionsmaschine für
den Einsatz als Achsantrieb unterscheidet sich
in einem Punkt deutlich von Industrieantrieben.
Der Schwerpunkt der Regelung richtet sich hier
klar auf den Wirkungsgrad im gesamten Drehzahlbereich. Typischerweise für Achsantriebe ist
die elektrische Maschine so ausgelegt, dass sie
über einen besonders ausgeprägten Feldschwächbereich verfügt. Der Grund dafür sind
die hohe Drehzahl und das Startdrehmoment.
Für die Ansteuerung der Induktionsmaschine für
Achsantriebe sind daher zwei Punkte besonders
wichtig: der optimale Wirkungsgrad und die maximale Spannungsausnutzung im Feldschwächbereich. Im Drehzahlbereich unter der Eckdrehzahl hat die Induktionsmaschine gewisse Wirkungsgradnachteile. Sie muss das Luftspaltfeld
selbst mit einem Magnetisierungsstrom generieren. Dagegen wird in einer PM-Synchronmaschine das Luftspaltfeld von Magneten ohne
einen zusätzlichen Magnetisierungsstrom erzeugt. Dadurch benötigt sie mehr Strom im unteren Drehzahlbereich. Dieser entscheidende
Wirkungsgradunterschied zwischen Induktionsund PM-Synchronmaschine muss von der Regelung so weit wie möglich minimiert werden. Regelungsverfahren spielen eine wichtige Rolle für
die Effizienz in diesem Grunddrehzahlbereich.
Beim Stillstand und maximaler Drehmomentanforderung ist die Luftspaltinduktion maximal
und das Eisen in der E-Maschine bereits gesättigt. Dagegen muss bei einer mittleren Drehmomentanforderung das Luftspaltfeld reduziert
werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen. Bei
Steuerung einer Induktionsmaschine mit vollem
Luftspaltfeld bei kleinerem Drehmoment ist der
Strombedarf höher als bei einer wirkungsgradoptimalen Ansteuerung. Darüber hinaus verursacht der erhöhte Strom höhere Kupferverluste und das starke Magnetfeld höhere Eisenverluste. Das bedeutet, dass für einen Achsantrieb
das Luftspaltfeld an das angeforderte Drehmoment angepasst werden muss. Die Abhängigkeit des Luftspaltfeldes von Drehzahl und Drehmoment kann offline berechnet und in einer Tabelle abgelegt werden. Diese Berechnung muss
für jeden Arbeitspunkt unter Minimierung der
gesamten Verluste inklusive Motor- und Umrichterverluste durchgeführt werden. Das Ergebnis
ist eine dreidimensionale Tabelle, in der die Vorgaben des Luftspaltfeldes in Abhängigkeit von
Drehzahl und gefordertem Drehmoment dargestellt werden. Die Regelung wird dieses berechnete Luftspaltfeld als Feldvorgabe benutzen, ohne diese während der Laufzeit berechnen zu müssen. Darüber hinaus ist das Luftspaltfeld auch von der Zwischenkreisspannung
abhängig. Ist diese klein, muss das Magnetfeld
schon bei kleinerer Drehzahl reduziert werden,
da sonst die induzierte Spannung über die Zwi-
schenkreisspannung hinaus steigen würde. Um
den besten Systemwirkungsgrad zu erreichen,
muss das Rotorfeld in einer Induktionsmaschine in Abhängigkeit von drei ständig variierenden Parametern geregelt werden: Drehmomentanforderung, Drehzahl (Fahrzeuggeschwindigkeit) und die Zwischenkreisspannung. Weiterhin
ist es möglich, zwei Flusstabellen in der Software zu implementieren: eine mit dem optimalen Luftspaltfeld (Efficiency Mode) und eine mit
erhöhten Luftspaltfeldwerten, um eine bessere
Dynamik zu erreichen (Dynamic Mode). In besonderen Fahrsituationen (beispielsweise Getriebesynchronisation oder Fahzeugbeschleunigung) ist eine höhere Drehmomentdynamik vorteilhaft. Dafür ist es nötig, ein höheres Magnetfeld in die E-Maschine einzuprägen, um die größere Feldzeitkonstante der Induktionsmaschine
zu umgehen. Die Umschaltung zwischen den
zwei Betriebsmodi kann per Software erfolgen.
Wichtige Rolle: Zwischenkreisspannung
Eine wichtige Rolle für die Ansteuerung einer Induktionsmaschine für den Einsatz als Achsantrieb spielt die Zwischenkreisspannung. Der
elektrische Antrieb ist direkt mit der Hochspannungsbatterie verbunden. Dadurch ist die Zwischenkreisspannung nicht konstant, sondern
abhängig von der Last und dem SOC (State Of
Charge)-Zustand. Tatsächlich ändert sie sich bis
Raumzeigermodulation und
Übersteuerung
Flusstabelle in
Abhängigkeit
der Drehzahl
und des Drehmomentes
zu 50 % – ein deutlicher Unterschied zum Industrieantrieb, bei dem die DC-Spannung durch
eine Leistungszwischenstufe auf 600 V stabilisiert wird. Damit muss die Regelung der PWM
ständig die verfügbare Zwischenkreisspannung
anpassen. Stehen genügend Spannungsreserven zur Verfügung, kann die Regelung das optimale Feld in der E-Maschine regeln. Ist die
Spannungsreserve ausgenutzt, muss die Regelung das Feld in der E-Maschine reduzieren. Ein
optimaler Wirkungsgrad für die gegebene Drehzahl und Drehmomentforderung kann nicht erreicht werden. Im Feldschwächbereich hängt
das Drehmoment quadratisch mit der verfügbaren Spannung zusammen. Deswegen ist es
wichtig, dass die verfügbare Spannung voll ausgenutzt wird. Im Idealfall können maximal 40 %
der Batteriespannung als effektiv Phasenspannung mit Raumzeigermodulation und 44 % im
Six-Step-Betrieb erreicht werden.
In der Praxis ist aufgrund der Totzeit und dem
IGBT Spannungsabfall die maximale nutzbare
Spannung niedriger. Der Spannungsabfall muss
kompensiert werden, so lange noch Spannungsreserven vorhanden sind. Bei nicht ausreichender Spannung muss Übermodulation in
Betracht gezogen werden. Bei einer PWM von
10 kHz ist der Spannungsabfall wegen der Totzeit rund 4 % von der Batteriespannung. Reale
Leistungsschalter haben im aktiven Betrieb immer einen Uce- Spannungsabfall, der zu einem
ähnlichen Effekt wie die Totzeit, einer Effektivwert-Phasenspannungsverzerrung führt.
Arbeitet das System mit der maximal vorhandenen Spannung ist es nicht möglich, die Einschaltzeit oberhalb der maximalen vorhandenen PWM zu erhöhen. Der lokale Ausgleich der
Spannungsverluste wegen der Totzeit und des
Uce-Spannungs-Abfalls lässt sich so nicht realisieren. Um in dieser Situation die Spannungsverluste doch zu kompensieren, ist es sinnvoll,
über die ideale Raumzeigermodulation in Übermodulation zu gehen. Der Punkt im Hexagon
außerhalb des Kreises kann nur mit Übersteuerung erreicht werden. Bei Verwendung der Übersteuerungsstrategie muss die dadurch eingeholte Oberwelle beachtet werden. Je näher die
Übersteuerung zum „Voll Block“ (Six Step-Operation) ist, desto höher ist der Oberschwingungsgehalt im Spannungsspektrum. Aus diesem Grund muss die Übersteuerungsstrategie
sorgfältig ausgewählt werden. Darüber hinaus
kann man mit „Pulse Dropping“ oder „Pulse Locking“ Strategien die Phasenspannung auch erhöhen.
Hofer; Telefon: 0931 359335 400;
E-Mail: [email protected]
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