Verlustoptimale Regelung elektrisch erregter Synchronmaschinen ohne Lagegeber in Automotive-Traktionsantrieben

Projektziel

Entwicklung einer verlustoptimalen Drehmoment-Betriebsstrategie für elektrisch erregte Synchronmaschinen (EESM) im Traktionsumfeld, sowie eines performanten geberlosen Stromregelalgorithmus zu deren Umsetzung.

Aufgrund der hohen Kosten für Hochvoltbatterien in elektrischen Fahrzeugen ist die Effizienzsteigerung des elektrischen Antriebsstrangs einer der maßgeblichen Entwicklungstreiber im Bereich der Elektromobilität. Neben verschiedenen Entwicklungstrends im Bereich der Frequenzumrichter stellt auch die Auswahl der elektrischen Maschine einen Freiheitsgrad zur Optimierung des Gesamtsystems dar.

Da die derzeit dominierenden permanenterregten Synchronmaschinen (PMSM) besonders bei höheren Drehzahlen aufgrund der Notwendigkeit zur Feldschwächung zunehmend außerhalb ihres Optimalbereichs betrieben werden, geht der Entwicklungstrend hin zum Einsatz von EESMs, die auch bei hohen Drehzahlen im Teillastbereich noch mit höchster Effizienz betrieben werden können. Voraussetzung hierzu ist jedoch eine verlustoptimale Betriebsstrategie, die den elektrischen Arbeitspunkt in Echtzeit so wählt, dass das vom Fahrer geforderte Drehmoment unter Berücksichtigung sämtlicher relevanter Systemzustände (u.a. Geschwindigkeit und Zwischenkreisspannung) mit minimalen Systemverlusten umgesetzt wird.

Die anschließende Realisierung des optimalen Stromarbeitspunkts stellt bei EESMs jedoch eine größere Herausforderung dar als bei PMSMs, da diese durch die sättigungsbedingten Nichtlinearitäten, sowie der starken magnetischen Kopplung zwischen Stator- und Rotorstromkreis ein nichtlineares Mehrgrößensystem darstellen. Um den im Automotive Bereich üblichen hohen Dynamikanforderungen gerecht zu werden, sind daher erweiterte Konzepte zur Reglerentkopplung und –Linearisierung, sowie zur intelligenten Sollwertführung notwendig.

Neben dem Effizienzvorteil gegenüber PMSMs zeichnen sich EESMs weiterhin dadurch aus, dass die für die feldorientierte Regelung notwendige Rotorlage auch bei niedrigen Drehzahlen sättigungsunabhängig aus elektrischen Größen ermittelt, und somit auf einen Positionssensor verzichtet werden kann. Die dabei verwendeten Detektions- und Beobachteralgorithmen müssen im Zusammenspiel mit der feldorientierten Stromregelung jedoch robust gegenüber den hochdynamischen Arbeitspunktwechseln sein, die aufgrund der verlustoptimalen Betriebsstrategie auftreten.

Die Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden bearbeitet das Forschungsprojekt im Rahmen einer kooperativen Promotion mit der Technischen Universität Darmstadt.

Projektlaufzeit

Juli 2022 bis August 2026 (50 Monate)