Entwicklungsschritte beim Aufbau eines kompletten Motorenprüfstands
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- Monika Schwarz
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1 Entwicklungsschritte beim Aufbau eines kompletten Motorenprüfstands Christian Klöffer, David Horsch, Marc Veigel, Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut (ETI) - Hybridelektrische Fahrzeuge KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
2 Agenda Leistungselektronik Ergebnisse und Fazit Hardwaresteuerung Regelung Simulation und Validierung Motorenprüfstände am ETI/HEV Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
3 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 Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
4 Abgeleitete Erkenntnisse Messgrößen Motorenprüfstände am Elektrotechnischen Institut (ETI) Charakterisierung und Vermessung von elektrischen Traktionsmotoren Elektrische Leistung Maschinenverluste Drehmoment Ableitung nichtlinearer Regelparameter Wirkungsgradoptimale Betriebsstrategien Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
5 Motorenprüfstände am Elektrotechnischen Institut (ETI) Ableitung nichtlinearer Reglerparameter Regler z.b. mit Flusskennfeldern statt konstanten Induktivitäten Wirkungsgradoptimale Betriebsstrategien u.a. Berücksichtigung von Eisenverlusten gegenüber MTPA- Verfahren 50 Nm η MTPA = 96,71 η best = 96,76 Quelle: J. Richter, T. Gemaßmer, Predictive Current Control of Saturated Cross- Coupled Permanent Magnet Synchronous Machines Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
6 Motorenprüfstände am Elektrotechnischen Institut (ETI) Bewährtes Konzept mit vier baugleichen Drehstrombrücken Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
7 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) I N,L1 I N,L2 I N,L3 U N,L1 U N,L2 U N,L3 U Zk, Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
8 Motorenprüfstände am Elektrotechnischen Institut (ETI) Bewährtes Konzept mit vier baugleichen Drehstrombrücken U Zk, Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
9 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 U Zk,1 I DCDC,L2 I DCDC,L3 U Zk, Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
10 Motorenprüfstände am Elektrotechnischen Institut (ETI) Bewährtes Konzept mit vier baugleichen Drehstrombrücken U Zk,1 U Zk, Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
11 Motorenprüfstände am Elektrotechnischen Institut (ETI) Maschinenumrichter Drehzahlregelung (meist bei Lastmaschine) Drehmomentregelung (meist bei Prüflingsmaschine) variable Regel- und Modulationsverfahren I EM,L1 U Zk I EM,L2 I EM,L Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
12 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) Messgrößen Messgrößen Aussteuergrade Aussteuergrade Messgrößen Messgrößen Aussteuergrade Aussteuergrade Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
13 Regelung Simulation und Validierung Simulationsaufbau für jede Drehstrombrücke (hier z.b. AFE) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
14 Regelung Simulation und Validierung Simscape-System (T Solver << T Regel ) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
15 Regelung Simulation und Validierung Regelung (T Solver = T Regel, T Regel = T PWM ) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
16 Regelung Simulation und Validierung Modulator (T Solver << T Regel ) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
17 Regelung Simulation und Validierung Simulationsergebnisse Active-Front-End (Leerlauf) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
18 Regelung Simulation und Validierung Simulationsergebnisse Active-Front-End (unter Last, ca. 75 kw) Regelung ist schnell und stationär genau keine ungewünschte Blindleistungseinspeisung in das Netz oberschwingungsarme Netzströme Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
19 Regelung Simulation und Validierung Simulationsergebnisse DC/DC-Wandler (unter Last, ca. 200 kw) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
20 Regelung Simulation und Validierung Simulationsergebnisse DC/DC-Wandler (unter Last, ca. 200 kw) Regelung des Strommittelwertes Regelung ist schnell und stationär genau phasenversetzte Ansteuerung führt zu kleinem Spannungsripple Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
21 Regelung Simulation und Validierung Simulationsergebnisse Prüflingsumrichter (n LM,soll = /min, M PM,soll = 75 Nm) Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
22 Regelung Simulation und Validierung Simulationsergebnisse Prüflingsumrichter (n LM,soll = /min, M PM,soll = 75 Nm) Stromvorgabe sowohl über MTPA als auch über FEM-Tabellen erfolgreich getestet Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
23 Regelung Simulation und Validierung getesteter Regelungsblock kann komplett zur Codegenerierung herangezogen werden lediglich die systemspezischen Blöcke zum Einlesen und Ausgeben von Werten (Mess- und Steuergrößen) müssen eingefügt werden Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
![[1] dspace - System C-Code-Generierung ETI-DSP- System](/docs-images/75/72947403/images/24-4.jpg "Rechenzeit ausreichend um bei f =15 khz jede Periode die neuen")
![Sollwerte zu berechnen beide Varianten erfolgreich getestet [1]](/docs-images/75/72947403/images/24-7.jpg "www.dspace.com 24 09.07.2014 Christian Klöffer, M.Eng.")
24 Regelung Simulation und Validierung Generierung eines platformspezifischen C-Codes aus dem getesteten Simulinkmodell [1] dspace - System C-Code-Generierung ETI-DSP- System Rechenzeit ausreichend um bei f =15 khz jede Periode die neuen Sollwerte zu berechnen beide Varianten erfolgreich getestet [1] Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
25 Leistungselektronik Anforderungen große Stromstärken möglichst kompakter Aufbau wassergekühlte Elektronik Drehstrombrücken von Semikron Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
26 Leistungselektronik CAD-Planung des Aufbaus SkiiP-Drehstrombrücken Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
27 Leistungselektronik CAD-Planung des Aufbaus DC/DC-Drossel AFE-Drehstromdrossel Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
28 Leistungselektronik Fertiger Aufbau Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
29 Hardwaresteuerung Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
30 Hardwaresteuerung Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
31 Ergebnisse und Fazit Abb. 1: Messung U Zk1 Abb. 2: Messung U Zk2 Abb. 3: Messung I PM Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
32 Ergebnisse und Fazit Vergleichsweise hohe Maximalleistung aufgrund der Wasserkühlung Technische Daten Abb. 1: Berechnete Maximalwerte P max n max U Zk1 U Zk2 I PM,max I DCDC,max f PWM,max P LC,max 250 kw U/min V V 470 A 1000 A 15 khz 30 kw Thermische Übergänge und Kapazitäten schwer zu ermitteln, deshalb zuvor konservative Rechnung f CPU 2,6 GHz t cyc 50 µs Abb. 2: Tatsächlich Maximalwerte Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
33 Ergebnisse und Fazit Vorteile der Toolkette Simulink Simscape Simulink Coder 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 Herangehensweise hat sich bewährt und wird auch in Zukunft weiter eingesetzt Christian Klöffer, M.Eng. MATLAB Expo 2014, München
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