Entwicklung einer echtzeitfähigen verlustoptimalen Betriebsstrategie unter Beachtung dynamischer Betriebsbereichsbeschränkungen für elektrisch erregte Synchronmaschinen in Automotive-Traktionsantrieben

Elektrisch erregte Synchronmaschinen (EESMs) erfahren seit einigen Jahren verstärkte Aufmerksamkeit für den Einsatz als Traktionsantrieb in Elektrofahrzeugen. Grund hierfür ist, dass dieser Maschinentyp ein hohe, mit permanenterregten Synchronmaschinen (PMSMs) vergleichbare Leistungsdichte aufweist, jedoch im Gegensatz zu diesen keine seltenen Erden benötigt, sowie eine aktive Flussabsenkung im Teillastbetrieb und einen nahezu verlustfreien Leerlaufbetrieb über den ganzen Drehzahlbereich ermöglicht.

Um einen möglichst effizienten Betrieb des Antriebs zu gewährleisten, muss im Antriebssteuergerät eine Betriebsstrategie implementiert sein, welche die Drehmomentanforderung des Fahrers in Echtzeit unter Beachtung aller relevanten variablen Randbedingungen (Zwischenkreisspannung und Drehzahl) in einen möglichst verlustarmen Stromarbeitspunkt übersetzt. Die erlaubten Stromgrenzen für den Rotor und den Stator werden dabei zunächst als statisch angenommen. Einen klassischen Ansatz für PMSMs stellt hierbei die MTPA (Maximum Torque per Ampere) Strategie dar, bei welcher ein Drehmoment mit dem jeweils geringstmöglichen Statorstrom realisiert wird, sodass die ohmschen Verluste minimiert werden. Für EESMs lässt sich dieser Ansatz analog erweitern, indem jeweils der Stromarbeitspunkt gewählt wird, der die niedrigsten ohmschen Gesamtverluste (Kombination der Stator- und Rotor-Leitverluste) verursacht.

Bei anspruchsvollen Fahrzyklen im Überlastbetrieb kann es jedoch dazu kommen, dass aus thermischen Gründen eine dynamische/temporäre Beschränkung des erlaubten Rotor- und/oder Statorstrombereichs vorgenommen werden muss (Derating). Um in diesen Situationen die Performance des Antriebs nicht unnötig zu beschränken, kann es daher vorteilhaft sein, zusätzlich die dynamischen Betriebsbereichsgrenzen als variable Randbedingungen in den Optimierungsalgorithmus aufzunehmen, sodass immer das maximale, unter voller Ausnutzung der Stromgrenzen generierbare Drehmoment abgerufen werden kann.

Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Konzeption eines Algorithmus einer in Echtzeit auf einem typischen Automotive-Antriebssteuergerät ausführbaren Betriebsstrategie unter Beachtung variabler Stromgrenzen, sowie deren modellbasierte Implementierung in Simulink und die Implementierung einer Matlab-basierten Berechnung der Bedatung der Betriebsstrategie aus Motorkennfeldern. Abschließend soll eine simulative Verifikation gegen ein statisches Maschinenmodell einer EESM erfolgen, sowie die die erreichbaren Wirkungsgrade und die mögliche Performancesteigerung gegenüber einer konventionellen Betriebsstrategie (ohne Beachtung dynamischer Stromgrenzen) evaluiert werden.

Betreuer:
Jan Herold, M.Sc. / Prof. Dr.-Ing. Heiko Zatocil