Durch die steigende Anzahl elektrischer Verbraucher muss das automobile Energienetz für immer größere Leistungen ausgelegt werden. Viele mechanische Komponenten werden durch mechatronische Systeme ersetzt. Dadurch werden die Fahrzeuge insgesamt zwar effizienter, die Anforderungen an das elektrische Bordnetz nehmen aber zu. Abbildung 1a zeigt ein typisches 12V Energienetz eines Kraftfahrzeugs mit dem Generator, der Batterie und den elektrischen Verbrauchern. Die Entwicklung der Leistungsaufnahme im elektrischen Bordnetz ist in Abbildung 1b dargestellt. Die mittlere Leistung ist seit 1995 um den Faktor 1,4 angestiegen. Die Spitzenleistung hat jedoch von 1770W auf über 4000W zugenommen. Besonders Fahrwerksysteme beanspruchen kurzzeitig einen hohen Leistungsbedarf, da sie hoch dynamisch mechanische Leistung zur Verfügung stellen müssen.

Bei schnellem Ein- und Ausschalten von Lasten mit hoher Leistung entstehen große Stromimpulse, die zu Spannungsschwankungen im Bordnetz führen. Der Generator kann diese Schwankungen nicht ausgleichen, da zuerst die großen Induktivitäten der Feldwicklung magnetisiert werden müssen, bevor die Leistungsabgabe erhöht werden kann. Aus diesem Grund erreicht der Generator nur ein sehr geringes di/dt. Bei großen, pulsförmigen Strömen muss die Batterie die Stromspitzen übernehmen. Durch den großen Innenwiderstand der Batterie bricht die Bordnetzspannung auf unzulässige Werte zusammen. Dies beeinflusst wiederum andere elektrische Verbraucher und kann zu Performance-Einschränkungen führen.

Für dieses Problem gibt es verschiedene Lösungsansätze. Eine Variante ist die Entkopplung sensibler Verbraucher und Stabilisierung des Bordnetzes durch einen zweiten Energiespeicher, z. B. einer Batterie [6]. Als zweite Methode wird in der Literatur die aktive Stabilisierung aufgeführt. Bei diesem Ansatz wird die Bordnetzspannung durch einen zusätzlichen Energiespeicher mit einem geringen Innenwiderstand, z. B. einen SuperCap, konstant gehalten. Dieser wird über einen Dc-Dc Wandler angebunden [4,5]. Eine andere Möglichkeit, um die Spannungseinbrüche zu unterbinden, besteht in der Begrenzung des di/dt der Lasten. Die Stromaufnahme der elektrischen Verbraucher ist dann unkritisch für die Bordnetzspannung. Dieser Ansatz wird bei diesem Projekt verfolgt.

• Entwicklung eines Konzepts zum Einsatz von Integrierten Wandlern für die Ansteuerung von Drehstrommaschinen am Beispiel der elektrischen Lenkunterstützung.
• Umsetzung des Konzepts und Realisierung des Wandlers, um die Vorteile der Technologie gegenüber Standardverfahren zu demonstrieren.
• Übertragung und Weiterentwicklung dieser Technologie auf weitere Anwendungsbereiche im Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Zur Versorgung der Drehfeldmaschinen werden Wechselrichter verwendet, die das Gleichspannungsnetz in ein frequenzvariables Drehspannungsnetz umwandeln.

Bei elektrischen Antrieben hoher Leistung führen die geringen Spannungen zu hohen Strömen in den Motorwicklungen und in den Halbleitern der Wechselrichter. Insbesondere bei Anwendungen mit einem großen Versorgungsspannungsbereich müssen die Wechselrichter und die Drehfeldmaschinen überdimensioniert werden. Die Kosten und das Gewicht der Maschine und des Wechselrichters steigen dadurch an.

Drehfeldmaschine mit Aufwärtswandler

Als Lösung für dieses Problem werden zum Teil Aufwärtswandler vor die Wechselrichter geschaltet. Der Aufwärtswandler transformiert die Batteriespannung auf ein höheres Niveau. Ein Kondensator stabilisiert die Zwischenkreisspannung und entkoppelt den Motorstrom vom Batteriestrom. Der Wechselrichter wird aus dieser höheren Spannung versorgt.

Das System kann die Gesamtkosten der Halbleiter reduzieren, obwohl mehr Halbleiter eingesetzt werden. Ein Nachteil dieser Technologie ist allerdings der erhöhte Aufwand zur Ansteuerung der Halbleiter und die zusätzliche Speicherinduktivität.

Integrierte Wandler

Durch Integration von Aufwärtswandler und Wechselrichter werden diese Nachteile vermieden. Dieses Verfahren reduziert die Kosten der Wechselrichter und der Maschine. Dabei wird die Batterie an den Sternpunkt der Maschine angeschlossen. Ein an die Wicklungen der Drehfeldmaschine angeschlossener Wechselrichter erzeugt das frequenzvariable Drehspannungsnetz für die Maschine und stellt sicher, dass der Mittelwert des Zwischenkreisstromes null ist oder einen definierten Wert annimmt. Durch dieses Verfahren kann die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters, d. h. die Spannung am Kondensator C, auf Werte größer als die doppelte Spannung der Gleichspannungsquelle angehoben werden. Neben der voraussichtlichen Kostenreduzierung durch die geringeren Ströme in den Halbleitern kann bei geeigneter Ansteuerung und Größe des Zwischenkreiskondensators auch eine dynamische Entkopplung von Batteriestrom und Motorleistung durch den integrierten Wandler erreicht werden.

Da der Energiefluss zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsseite steuerbar ist, können auch zwei Energienetze unterschiedlicher Spannungsniveaus miteinander gekoppelt werden. Es sind viele Ansätze für unterschiedliche Integrierte Wandler Topologien denkbar. Zum Beispiel kann durch eine zusätzliche Wicklung im Motor eine galvanische Trennung zwischen der Hochspannungsseite und der Niederspannungsseite erreicht werden. Damit kann die Energiewandlung in Hybridfahrzeugen von 300V auf 12V erreicht werden [1]. Wird ein Integrierter Wandler in Verbindung mit einem Generator eingesetzt, dann kann dieser die herkömmliche 12V Batterie versorgen und zusätzlich ein 42V Spannungsnetz [3]. In diesem Projekt sollen diese unterschiedlichen Technologien systematisch untersucht und bewertet werden. Aus diesen Ergebnissen werden Lösungsansätze für den Einsatz im Kraftfahrzeug abgeleitet.

Projekteinteilung

Das Projekt gliedert sich in die folgenden Arbeitspakete:

• Konzept und Optimierungsphase für den Integrierten Wandler
• Aufbau und Erprobung des Labormusters
• Vermessung des Labormusters im Fahrzeug
• Energienetzsimulation und Entwicklung eines Konzepts für das dynamische Energiemanagement
• Übertragung und Weiterentwicklung des Konzepts auf weitere Anwendungsbereiche im Kraftfahrzeug

Labormuster

Die praktischen Aufbauten werden im Labor für elektrische Antriebe und Leistungselektronik an der Hochschule Ingolstadt realisiert, wo sich auch mehrere Messplätze befinden. Es stehen unter anderem Motoren- und Generatorenprüfstände bis 40kW zur Verfügung, an denen beispielsweise Untersuchungen hinsichtlich Starter- / Generator-Systeme durchgeführt werden können. Das Labor verfügt über mehrere Frequenzumrichter für elektrische Antriebe in verschiedenen Leistungsklassen bis 55kW und eine umfangreiche Ausstattung an Messequipment. Dies beinhaltet hochpräzise Stromwandler mit Auswerteelektronik, Leistungsanalysatoren und mehrere Drehmomentsensoren mit diversen Messbereichen bis 300Nm. Zur Erfassung der Rotorlage und zur Bestimmung der Drehzahl kommen Hallsensoren und optische Drehwinkelgeber zum Einsatz.

Die vom Antriebsmotor erzeugte mechanische Leistung wandelt der als Generator arbeitende Bremsmotor wieder in elektrische Energie und speist diese in den Zwischenkreis zurück. Bei diesem Aufbau entspricht die vom Netzteil abgegebene Leistung der Verlustleistung im gesamten System. Da die Schaltverluste der MOSFETs und die ohmschen Verluste bekannt sind, kann daraus der Wirkungsgrad der Maschinen berechnet werden.

Zusammenfassung

In diesem Projekt wird an Konzepten für ein dynamisches Energiemanagement mit dem Integrierten Wandler als Schlüsselkomponente zur Ansteuerung von Drehfeldmaschinen gearbeitet. Kernpunkte dieses Projekts sind die Entwicklung und Optimierung eines Integrierten Wandlers durch den Einsatz modernster Leistungselektronik am Beispiel der elektrischen Lenkunterstützung. Die Konzepte werden durch Simulationen und durch Messungen am Labormuster bestätigt. Anschließend erfolgt die Implementierung und Erprobung des Systems im Fahrzeug. Die Technologie wird weiterentwickelt und auf weitere Anwendungsbereiche im Kraftfahrzeug übertragen.

[1] H. Plesko, J. Biela, J. Luomi, J.W. Kolar, “Novel Concepts for Integrating the Electric Drive and Auxiliary Dc-Dc Converter for Hybrid Vehicles”, Proceedings of the 22nd IEEE Applied Power Electronics Conference 2007, Anaheim (California), USA, Feb. 25 - March 1, Vol. 2, pp. 1025-1031

[2] K. Moriya, H. Nakai, Y. Inaguma, H. Ohtani, S. Sasaki, “A novel multi-functional converter system equipped with input voltage regulation and current ripple suppression”, IEEE 40th IAS Conference 2005, Vol. 3, pp. 1636-1642

[3] Y. Kusaka, K. Tsuji, “Novel Power Conversion System for Cost Reduction in Vehicles with 42V/14V Power System”, SAE International, 2003, Vol. 1769, pp. 11-17

[4] M. Stadler, J. Pforr, “Innovative elektrische Energienetze im Kraftfahrzeug“, Forschungsbericht IAF 2006, pp. 18-22

[5] D. Polenov, G. Domorazek, J. Lutz, “Integration of Supercapacitors as Transient Energy Buffer in Automotive Power Nets”, EPE 2007, Aalborg

[6] B. Mecher, Robert Bosch GmbH, “Autoelektrik, Autoelektronik”, 5. Auflage, Wiesbaden, Vieweg Verlag 2007

[7] Audi AG, J. Winkler, W. Rippel, “Drehstromgenerator”, DE 42 26 311 A1, Deutsches Patentamt, P42 26 311.5, 8.8.92. – 10.2.94

[8] Bayrische Motoren Werke AG, „Switching Device for Linking Various Electrical Voltage Levels in a Motor Vehicle,“ European Patent WO 2006/105840 Al

[9] P. Murphy, “The Advantages of 42 Volts for Electric Steering”, First International Congress “42V PowerNet - the first solutions”, Sept. 28-29. 1999, Villach / Austria

[10] S. Murthy, T. Sebastian, B. Liu, “Implications of 42V Battery Power on the Design of Motors for Electric Power Steering System”, SAE, 2000-01-3068, 2000

[11] Continental AG, Th. Bürger, ”Neue Bordnetzkonzepte zur optimierten Energieversorgung“, Proceedings of ELKS 2008, Braunschweig, Okt. 8-9. 2008