Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der Traktionsumrichterprüfung

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1 Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der Traktionsumrichterprüfung Inverter Test by SET Power Systems Norbert Schmalhofer Tel

2 Inhalt Die Herausforderung Die Anwendungen Einsatzfelder / Vorteile gegenüber Dyno Technologie / Modellierungsgenauigkeit Typische Anlagen Konfiguration Automatisierung SET Power Systems GmbH Seite 2

3 Die Herausforderung SET Power Systems GmbH Seite 3

4 Antriebstrangentwicklung Kurze Entwicklungszeiten: Parallele Entwicklungsprozesse - nicht alle Komponenten verfügbar Möglichst breite Prüfabdeckung: Verfügbare Prüflinge decken die Fertigungstoleranzbänder nicht ab Begrenzte Kosten: Nur endlicher Prüfaufwand möglich Komplexe Eigenschaften: Optimierungsstrategie modellieren über erweitere Prüfmöglichkeiten Einhaltung von Standards SET Power Systems GmbH Seite 4

5 Der Begriff E-Maschinenemulation, ein virtueller Elektromotor: Real Time Real Power Real Precision SET Power Systems GmbH Seite 5

6 Das Werkzeug SET Power Systems GmbH Seite 6

7 Inverter Schnittstelle Von der Lastmaschine zum EME Der Elektromotor Emulator (EME) als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle derzeitige Lösung Prüfling (UUT) Originalmotor Lastmotor Lastregelung Power Stage Inverter Sensor Interface SET Power Systems GmbH Seite 7

8 Inverter Schnittstelle Von der Lastmaschine zum EME Der Elektromotor Emulator (EME) als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle Prüfling (UUT) Elektromotor Emulator Last Simulation Power Stage Phase Emulation Motor Model Sensor Interface Sensor Emulation SET Power Systems GmbH Seite 8

9 Von der Lastmaschine zum EME Funktionale Voraussetzungen 4-Quadranten-Betrieb potentialfrei R elektr. einstellbar L (Ld, Lq) elektr. einstellbar Nichtlinearitäten darstellbar Fehlerstimulation Phase Emulation Motor Model Emulierter Rotorlagesensor (Vogt, Tamagawa, Hall, Encoder ) potentialfrei relative Position einstellbar Fehlerstimulation Sensor Emulation SET Power Systems GmbH Seite 9

10 Von der Lastmaschine zum EME Funktionale Voraussetzungen Phase Emulation Motor Model Echtzeitmodelle versch. Maschinentypen Anbindung an FEM (JMAG) Spezielle Funktionen (z.b. Parameter Freeze) versch. Plattformen (z.b. sbrio, NI-PXI) Einfaches Interface Sensor Emulation SET Power Systems GmbH Seite 10

11 Von der Lastmaschine zum EME Ergebnis Modellierung in Echtzeit Wirkkette mit voller Leistung SET Power Systems GmbH Seite 11

12 Erster E-Motor Emulator der SET Applikation A380 Outflow-Valve (2003): 4 x Outflow-Valve an der Rumpfunterseite zur Regelung des Kabinendrucks SET Power Systems GmbH Seite 12

13 E-Motorenprüfstand Einsatzgebiet Flexibilität Genauigkeit der Maschine Dynamik (Drehzahl, Drehmoment) Fehlerstimulation Sicherheitsaspekte Wartung Platzbedarf / Betriebsumgebung Invest / Betriebskosten Optimiert für E-Maschinen-Test Umbau erforderlich exemplarabhängig, temperaturabhängig schlecht kaum möglich rotierende Teile mechanischer Verschleiß relativ hoch mittel / hoch SET Power Systems GmbH Seite 13

14 Inverterprüfstand Einsatzgebiet Flexibilität Genauigkeit der Maschine Dynamik (Drehzahl, Drehmoment) Fehlerstimulation Sicherheitsaspekte Wartung Platzbedarf / Betriebsumgebung Invest / Betriebskosten Optimiert für Inverter-Test neuer Motor per Knopfdruck datenabhängig, numerisch korrekt ohne Drift sehr gut umfangreiche Möglichkeiten kein mechanisches Gefährdungspotential keine erforderlich geringe Ansprüche mittel / gering SET Power Systems GmbH Seite 14

15 Anwendungen Optimierung Antriebsregler Fehlerstimulation E-Maschine Simulierte Lasten am Antriebsstrang n [min-1] M [Nm] - Stromregler - Moment/Drehzahl - Wirkungsgrad - Motorphasen - Lagegeber - Toleranzen t [s] t [s] Künstliche Referenzwerte Inverter - Regelung Inverter (UUT) Gate - Ansteuerung E-Motoremulator (EME) Re Le M, n Schnittstelle Drehmoment [Nm] Drehzahl [min-1] [km/h] Geschwindigkeit Referenzwerte realer Fahrzyklen Reale Welt Virtuelle Welt Mechanical set values Enviromental set values Artemis - Rural AVL InMotion Driving Maneuvers Driver Model Powertrain Model Referenzdaten aus dem RT Fahrzeug Modell Virtual Vehicle SET Power Systems GmbH Seite 15

16 Produkte SET Power Systems GmbH Seite 16

17 Gerätekategorieen Plug-in Hybrid Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid I [A] > 300 kw 400 ~ 10/15 kw < 1 kw U [V] SET Power Systems GmbH Seite 17

18 Anwendungen HV Elektrischer Antriebsstrang SET Power Systems GmbH Seite 18

19 Anwendungen LV Parkbremse, Servolenkung, Benzin-/Ölpumpe SET Power Systems GmbH Seite 19

20 Anwendungsfelder Entwicklung Design Hardware Software Regelung Verifikation HW/SW Integration Systemtests Qualifizierung Produktion EOL QS QS Fehleranalyse Reparatur OEM Tier 1 Service Provider SET Power Systems GmbH Seite 20 20

21 Eigenschaften im Detail SET Power Systems GmbH Seite 21

22 Eigenschaften im Detail Transformiertes Motormodell Reibungsund Lasteingabe SET Power Systems GmbH Seite 22

23 Eigenschaften im Detail Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW Phasenstrom Rotor stellen Unsynchronisiertes Anfahren Synchronisation Stromreduktion (Drehzahl erreicht) SET Power Systems GmbH Seite 23

24 Eigenschaften im Detail Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW - Darstellung interner Größen mittels Modellmonitor (Software-Oszi) Rotorwinkel Iq Stromlimit eingestellt Phasenstrom SET Power Systems GmbH Seite 24

25 offline 1. Parametrierbare Grundmodelle SET Power Systems Modelle PMSM [d-q, Fluss ] FSM ASM DC Basis Motormodell Spezifische Modellparameter E-Motor Emulation AC DC AC Systemsteuerung Testparameter - Last - Moment - Reibung - Trägheit - Steuerinterface SET Power Systems GmbH Seite 25

26 offline offline 2. Modell-Konvertierung Motor Modell aus Tool Chain (FEM ) Konvertierung der Tool Chain-Daten in ein ladefähiges Motor Modell: - Basis Motormodell - Spezifische Modellparameter DC Basis Motormodell Spezifische Modellparameter E-Motor Emulation AC DC AC Systemsteuerung Testparameter - Last - Moment - Reibung - Trägheit - Steuerinterface SET Power Systems GmbH Seite 26

27 online online 3. Zusätzliche Echtzeithardware Modell- Daten aus Simulation Simulink Daten offline Konvertierung des Simulink Modells in ein ladefähiges Motor Modell Echtzeit-Hardware mit High Speed Link DC Basis Motormodell Spezifische Modellparameter E-Motor Emulation AC DC AC Systemsteuerung Testparameter - Last - Moment - Reibung - Trägheit - Steuerinterface SET Power Systems GmbH Seite 27

28 Anwendungen SET Power Systems GmbH Seite 28

29 Genauigkeit der Motor-Nachbildung Qualität des E-Motormodells: - Ld/Lq-Modell - Flussmodell - Transformierte Modelle Qualität der E-Motordaten Update-Rate (Rechengeschwindigkeit) Modell Schaltfrequenz der Leistungselektronik Qualität der internen Messtechnik Detailgenauigkeit des Hardware-Aufbaus SET Power Systems GmbH Seite 29

30 Eigenschaften im Detail Realisierung der Modellierungsgenauigkeit PMSM Ld/Lq Modell: feste Ld/Lq-Werte, einfache Parametrierung, für Standardanwendungen Flussbasiertes Modell: hochpräzise Maschinenabbildung, aufwendigere Parametrierung (Messung od. FEM) Umschaltung SET Power Systems GmbH Seite 30

31 Eigenschaften im Detail Einfache Eingabe von L-Werten: - Abbildung nichtlinearer Verläufe möglich SET Power Systems GmbH Seite 31

32 Highlights High Speed High Dynamik High Precision SET Power Systems GmbH Seite 32

33 Highlights Exakte Emulation bis über 5kHz Grundwelle (Id/Iq), Feldschwächung High Speed High Dynamik Testen von Kompensationsalgorithmen für mechanische Schwingungen bis hin zur Kompensation von akustischen Emissionen High Precision Standardmodell, Flußmodell, Nichtlinearitäten und Harmonische SET Power Systems GmbH Seite 33

34 Beispiel Entwicklung von Reglern zur Kompensation von Schwingungen im Antriebsstrang SET Power Systems GmbH Seite 34

35 Beispiel Entwicklung von Reglern zum einprägen spezifischer Eigenschaften SET Power Systems GmbH Seite 35

36 Beispiel Entwicklung von Reglern Optimierung von Regelstrategieen (z.b. für den Wirkungsgrad) 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 SET Power Systems GmbH Seite 36

37 Beispiel Fehlerstimulation Unwucht-Simulation Phasenschäden Lagerschäden Drehzahlgrenzen Lagesensorfehler Antriebsstrangverhalten, Momentenmodulation Lebensdauerverhalten Temperatursensor SET Power Systems GmbH Seite 37

38 Vergleichsuntersuchung Messtechnischer Vergleich EME gegenüber Lastmaschine EME Abbildungs- Genauigkeit? Dynamometer Motordaten Motor UUT EME UUT Motor Dynamo Regler SET Power Systems GmbH Seite 38

39 Vergleichsuntersuchung Performance - Messungen SET Power Systems GmbH Seite 39

40 Vergleichsuntersuchung Wissenschaftliche Arbeit: SET Power Systems GmbH Seite 40

41 Prüfstand SET Power Systems GmbH Seite 41

42 Gesamtprüfstand Batterie- Emulator EME E-Motor Emulator E-Motor Emulator (EME) Batterie- Emulator e-motor Model Betriebszustände, Design, Temperatur, Alter, Fehler etc. Motor phasen Rotorposition, Temperatur Inverter Inverter (UUT) SET Power Systems GmbH Seite 42

43 U V W 1 1 AC-Contactor Loop Emergency Stop 2 PSU II [Battery Emulation] mains rectifier Emergency Shut Down (Safety Relay) Emergency Shut Down (Safety Relay) mains rectifier Aktiv Aktiv PSU I [Power Supply - EME] 2 NotHalt_Start Buck Converter Buck Converter NotHalt_Start Insulation monitoring Insulation monitoring DC-Contactor PSU_UUT_Bereit PSU_UUT_FernEin PSU_EME_Betrieb PSU_EME_FernEin DC-Contactor 3 Voltage indicator 3 U Voltage indicator U 4 DC-KB DC_KS DCU_DC_EME 4 SUF [Specimen Fixture] DCU_DC_UUT Voltage indicator U Türkontakt Safety Control System (SCS) 5 EME EME_FernEin EME Control EME [E-Machine Emulator] 5 UUT Panel EME_Bereit EME-PA Mode of operation AC-KB EME_PD_Aktiv AC_KS TCP/IP 7 CAN CAN CAN TCP/IP /NS Emergency Loop CAN Interface TCP/IP Interface System Automation [option] 8 Relevant Safety Components 8 Seite: 4/6 A B C D E F Gesamtprüfstand Übersicht Automatisierung und Auswertung Netzversorgung AC DC E-Maschinen-Emulator (EME) Switch Rack (SR) [Option] Phasen Pos. Sensor Temp. Batterie-Emulation AC DC Level 1..3 Batt.Emul. + - Prüflings-Inverter (UUT) Sicherheits- und Überwachungssystem Specimen Fixture (SUF) Kühlmediums- Konditionierung Kühlmedium (von der Rückkühlung) Mains ExtNotHalt ExtNotHalt NotHalt_ NotHalt_ DCU_DC_UUT_Zündung UUT_Überspannung Türkontakt Panel_Aktiv Panel_Betrieb Anlage_EIN Anlage_AUS Prüfling_VERBINDEN Prüfling_TRENNEN Lampe_EIN Lampe_AUS Lampe_VERBUNDEN Lampe_GETRENNT Lampe_GEERDET EME_Überspannung DCU_DC_EME_Zündung Ampel_GEERDET Ampel_VERBUNDEN Ampel_BETRIEB SET Power Systems GmbH Seite 43

44 U V W 1 1 AC-Contactor Loop Emergency Stop 2 PSU II [Battery Emulation] mains rectifier Emergency Shut Down (Safety Relay) Emergency Shut Down (Safety Relay) mains rectifier Aktiv Aktiv PSU I [Power Supply - EME] 2 NotHalt_Start Buck Converter Buck Converter NotHalt_Start Insulation monitoring Insulation monitoring DC-Contactor PSU_UUT_Bereit PSU_UUT_FernEin PSU_EME_Betrieb PSU_EME_FernEin DC-Contactor 3 Voltage indicator 3 U Voltage indicator U 4 DC-KB DC_KS DCU_DC_EME 4 SUF [Specimen Fixture] DCU_DC_UUT Voltage indicator U Türkontakt Safety Control System (SCS) 5 EME EME_FernEin EME Control EME [E-Machine Emulator] 5 UUT Panel EME_Bereit EME-PA Mode of operation AC-KB EME_PD_Aktiv AC_KS TCP/IP 7 CAN CAN CAN TCP/IP /NS Emergency Loop CAN Interface TCP/IP Interface System Automation [option] 8 Relevant Safety Components 8 Seite: 4/6 A B C D E F Gesamtprüfstand Energiebilanz Automatisierung und Auswertung Pv Netzversorgung AC DC E-Maschinen-Emulator (EME) Switch Rack (SR) [Option] Batterie-Emulation AC DC Level 1..3 Batt.Emul. M + - Phasen Pos. Sensor Prüflings-Inverter (UUT) Sicherheits- und Überwachungssystem Temp. Specimen Fixture (SUF) Kühlmediums- Konditionierung Kühlmedium (von der Rückkühlung) Mains ExtNotHalt ExtNotHalt NotHalt_ NotHalt_ DCU_DC_UUT_Zündung UUT_Überspannung Türkontakt Panel_Aktiv Panel_Betrieb Anlage_EIN Anlage_AUS Prüfling_VERBINDEN Prüfling_TRENNEN Lampe_EIN Lampe_AUS Lampe_VERBUNDEN Lampe_GETRENNT Lampe_GEERDET EME_Überspannung DCU_DC_EME_Zündung Ampel_GEERDET Ampel_VERBUNDEN Ampel_BETRIEB SET Power Systems GmbH Seite 44

45 U V W 1 1 AC-Contactor Loop Emergency Stop 2 PSU II [Battery Emulation] mains rectifier Emergency Shut Down (Safety Relay) Emergency Shut Down (Safety Relay) mains rectifier Aktiv Aktiv PSU I [Power Supply - EME] 2 NotHalt_Start Buck Converter Buck Converter NotHalt_Start Insulation monitoring Insulation monitoring DC-Contactor PSU_UUT_Bereit PSU_UUT_FernEin PSU_EME_Betrieb PSU_EME_FernEin DC-Contactor 3 Voltage indicator 3 U Voltage indicator U 4 DC-KB DC_KS DCU_DC_EME 4 SUF [Specimen Fixture] DCU_DC_UUT Voltage indicator U Türkontakt Safety Control System (SCS) 5 EME EME_FernEin EME Control EME [E-Machine Emulator] 5 UUT Panel EME_Bereit EME-PA Mode of operation AC-KB EME_PD_Aktiv AC_KS TCP/IP 7 CAN CAN CAN TCP/IP /NS Emergency Loop CAN Interface TCP/IP Interface System Automation [option] 8 Relevant Safety Components 8 Seite: 4/6 A B C D E F Gesamtprüfstand Energiebilanz Automatisierung und Auswertung Pv Netzversorgung AC DC E-Maschinen-Emulator (EME) Switch Rack (SR) [Option] Batterie-Emulation AC DC Level 1..3 Batt.Emul. G + - Phasen Pos. Sensor Prüflings-Inverter (UUT) Sicherheits- und Überwachungssystem Temp. Specimen Fixture (SUF) Kühlmediums- Konditionierung Kühlmedium (von der Rückkühlung) Mains ExtNotHalt ExtNotHalt NotHalt_ NotHalt_ DCU_DC_UUT_Zündung UUT_Überspannung Türkontakt Panel_Aktiv Panel_Betrieb Anlage_EIN Anlage_AUS Prüfling_VERBINDEN Prüfling_TRENNEN Lampe_EIN Lampe_AUS Lampe_VERBUNDEN Lampe_GETRENNT Lampe_GEERDET EME_Überspannung DCU_DC_EME_Zündung Ampel_GEERDET Ampel_VERBUNDEN Ampel_BETRIEB SET Power Systems GmbH Seite 45

46 Gesamtprüfstand 48 V PowerTrain Systemleistung bis zu 32 kw Motoremulation bis zu 450 ARMS Batterieemulation integriert Kompakter Aufbau SET Power Systems GmbH Seite 46

47 Automatisierung Sicherheitskontrollsystem (SCS) Stromversorgung EME (PSU I) W/W-Wärmetauscher Motoremulation (EME) Prüflingsaufnahme (SUF) Kühlwasserkonditionierung Batterieemulator (PSU II) Gesamtprüfstand HV SET Power Systems GmbH Seite 47

48 Prüfstands-Automatisierung Automatisierte Prüfläufe mit Datenerfassung Numerische / graphische Auswertungen und Vergleiche Laden von Modellen und Parametern Integration in die Fahrzeugwelt SET Power Systems GmbH Seite 48

49 Hil Integration Einfache Schnittstellen Real Time Real Power Real Precision SET Power Systems GmbH Seite 49

50 Game Changer! Inverter-Prüfsysteme Für Hersteller und Anwender Hohe Testqualität gesichert Flexibel durch die virtuelle Maschine Absolut reales Verhalten Ohne jegliche mechanische Begrenzung Exakte Maschinen-Nachbildung, sogar originaler als der reale E-Motor. SET Power Systems GmbH Seite 50

51 Danke für Ihr Interesse Real Time Real Power Real Precision Inverter Test by SET Power Systems SET Power Systems GmbH Seite 51