Entwicklungsschritte beim Aufbau eines kompletten Motorenprüfstands

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Elektrotechnisches Institut (ETI) - Hybridelektrische Fahrzeuge

Entwicklungsschritte beim Aufbau eines kompletten Motorenprüfstands

Christian Klöffer, David Horsch, Marc Veigel, Martin Doppelbauer

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Agenda

Motorenprüfstände am ETI/HEV

Regelung –

Simulation und Validierung

Leistungselektronik

Hardwaresteuerung

Ergebnisse und Fazit

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

Leitung: Prof. Dr.-Ing. Michael Braun Forschungsschwerpunkt:

Leistungselektronik

Regelung elektrischer Maschinen

Professur für Hybridelektrische Fahrzeuge (HEV) Leitung: Prof. Dr.-Ing. Martin Doppelbauer elektromagnetische und mechanische

Auslegung elektrischer Maschinen

gesamtheitliche Betrachtung und Optimierung des elektrischen Antriebsstranges

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Charakterisierung und Vermessung von elektrischen Traktionsmotoren

Drehmoment

Messgrößenitete isse

Elektrische Leistung Maschinenverluste

Ableitung nicht- linearer Regelparameter

Wirkungsgradoptimale Betriebsstrategien

Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

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Ableitung nichtlinearer Reglerparameter

Regler z.B. mit Flusskennfeldern statt konstanten Induktivitäten Wirkungsgradoptimale Betriebsstrategien

u.a. Berücksichtigung von Eisenverlusten gegenüber MTPA- Verfahren

Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

50 Nm

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

Bewährtes Konzept mit vier baugleichen Drehstrombrücken

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

Active-Front-End

aktive Gleichrichtung der Netzspannung und Rückspeisefähigkeit

blindstromarme Leistungsaufnahme

variable Spannung im Zwischenkreis 1 (565 bis 900 V)

U_N,L1 U_N,L2 U_N,L3 I_N,L1

I_N,L2 I_N,L3

U_Zk,1

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

U_Zk,1

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

U_Zk,1

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

DC/DC-Wandler

variables Level der Zwischenkreisspannung

je nach Prüflingsmotor im Zwischenkreis 2 (100 bis 900 V) Batteriesimulation (z.B. Entladekurve über Fahrzyklus)

I_DCDC,L1 I_DCDC,L2 I_DCDC,L3

U_Zk,2 U_Zk,1

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

U_Zk,1

U_Zk,2

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

U_Zk,1

U_Zk,2

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Motorenprüfstände

am Elektrotechnischen Institut (ETI)

Maschinenumrichter

Drehzahlregelung (meist bei Lastmaschine)

Drehmomentregelung (meist bei Prüflingsmaschine) variable Regel- und Modulationsverfahren

U_Zk

I_EM,L1 I_EM,L2 I_EM,L3

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Regelung –

Simulation und Validierung

jede Drehstrombrücke hat eine autonom ablaufende Regelung

(ausreichende Entkopplung über Zwischenkreiskapazitäten) Regelungen laufen auf einem Echtzeitrechensystem

ETI-DSP-System (institutseigene Entwicklung) dSpace-System (kommerzielle Industrielösung)

Aussteuergrade

Messgrößen Messgrößen

Aussteuergrade

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsaufbau für jede Drehstrombrücke (hier z.B. AFE)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simscape-System (T_Solver << T_Regel)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Regelung (T_Solver = T_Regel, T_Regel = T_PWM)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Modulator (T_Solver << T_Regel)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Modulator (T_Solver << T_Regel)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsergebnisse Active-Front-End (Leerlauf)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsergebnisse Active-Front-End (unter Last, ca. 75 kW)

Regelung ist schnell und stationär genau

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsergebnisse DC/DC-Wandler (unter Last, ca. 200 kW)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsergebnisse DC/DC-Wandler (unter Last, ca. 200 kW)

Regelung des Strommittelwertes

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsergebnisse Prüflingsumrichter (n_LM,soll= 1000 1/min, M_PM,soll= 75 Nm)

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Regelung –

Simulation und Validierung

Simulationsergebnisse Prüflingsumrichter (n_LM,soll= 1000 1/min, M_PM,soll= 75 Nm)

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Regelung –

Simulation und Validierung

getesteter Regelungsblock kann komplett zur Codegenerierung herangezogen werden

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28 09.07.2014 Christian Klöffer, M.Eng. – MATLAB Expo 2014, München

Regelung –

Simulation und Validierung

Generierung eines platformspezifischen C-Codes aus dem getesteten Simulinkmodell

Rechenzeit ausreichend um bei f =15 kHz

jede Periode die neuen Sollwerte zu berechnen beide Varianten erfolgreich getestet

C-Code-Generierung

[1]

[1] www.dspace.com

ETI-DSP- System

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Leistungselektronik

Anforderungen

große Stromstärken

möglichst kompakter Aufbau wassergekühlte Elektronik

Drehstrombrücken von Semikron

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Leistungselektronik

CAD-Planung des Aufbaus

SkiiP-Drehstrombrücken

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Leistungselektronik

DC/DC-Drossel

CAD-Planung des Aufbaus

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Leistungselektronik

Fertiger Aufbau

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Hardwaresteuerung

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Hardwaresteuerung

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Ergebnisse und Fazit

Abb. 1: Messung U_Zk1 Abb. 2: Messung U_Zk2

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Ergebnisse und Fazit

Vergleichsweise hohe Maximalleistung aufgrund der Wasserkühlung

Technische Daten

P_max 250 kW

n_max 18.000 U/min U_Zk1 565…800 V U_Zk2 100…800 V

I_PM,max 470 A

I_DCDC,max 1000 A

f_PWM,max 15 kHz

P_LC,max 30 kW

Abb. 1: Berechnete Maximalwerte

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Ergebnisse und Fazit

Vorteile der Toolkette

frühzeitiges Ausschließen prinzipieller Fehler

keine Gefahr der Bauteilzerstörung beim Testen der Regelung freier Zugriff auf alle Prozessdaten

(spart zusätzlich Sensorik bei der Inbetriebnahme) reibungslose C-Code-Generierung

Simulink Simscape Simulink Coder