Treibende Kraft der Elektrifizierung
Designtrends bei Traktionswechselrichtern
Durch sorgfältiges Vorgehen beim Design der Traktionswechselrichter für Fahrzeuge mit Hybrid- und Elektroantrieb ist es möglich, höhere Motordrehzahlen, mehr Effizienz und kleinere Systemabmessungen zu erzielen, ohne dass Abstriche bei der Leistungsdichte gemacht werden müssen.
Der Traktionswechselrichter reguliert mit der Energie aus der Batterie das Drehmoment und die Drehzahl des Traktionsmotors und entscheidet damit wesentlich über die Reichweite, die Leistungsfähigkeit und die Fahreigenschaften eines Elektrofahrzeugs (EV).
Das Drehmoment ist proportional zur Motorgröße, während die Leistung für das Drehmoment und die Drehzahl verantwortlich ist. Sollen bei unveränderter Leistung die Motorgröße und das Drehmoment verringert werden, muss zwangsläufig die Drehzahl steigen. Dies ist insofern eine Herausforderung, als die Abmessungen der Bauelemente normalerweise mit der Leistung und dem Drehmoment zunehmen, besonders wenn durch mechanische oder elektrische Nichtidealitäten Verluste entstehen. Es ist aber wichtig, nicht nur den Motor selbst, sondern auch das elektrische System und damit den Traktionswechselrichter zu verkleinern.
Um die Reichweite zu steigern sowie die Größe und das Gewicht des Motors zu reduzieren, ohne dass die Leistung darunter leidet, muss der Traktionsmotor mit hohen Drehzahlen (>30.000/min) betrieben werden, was sowohl eine schnelle Signalerfassung und -verarbeitung als auch eine effiziente DC/AC- Wandlung erfordert. Hierzu kommen fortschrittliche Regelalgorithmen zum Einsatz, wobei als Schalttransistoren SiC-MOSFETs Verwendung finden. Zusätzlich werden 800-V-Batterien genutzt und mehrere Subsysteme integriert, um die Leistungsdichte zu steigern.
Effiziente Ansteuerung
Mit einer exakteren und zuverlässigeren Stromregelung ist es möglich, die Geräuschentwicklung zu reduzieren und das Fahren damit angenehmer zu machen. Die entsprechende Regelschleife (in Bild 1 farbig markiert) führt vom Erfassen der Ströme an den Phasenausgängen des Traktions- wechselrichters über isolierte Präzisionsverstärker bis zum Mikrocontroller (MCU), der die Verarbeitung übernimmt und letztendlich die Ansteuersignale für den Traktionswechsel-richter erzeugt. Durch Optimierung dieser Regelschleife lässt sich erreichen, dass der Motor Drehzahl- oder Drehmomentänderungen rasch umsetzen kann.
Drei isolierte Verstärker oder Modulatoren messen über einen Shunt-Widerstand die Motorströme und leiten die entsprechenden Signale an den Mikrocontroller weiter, der einen Vektorregelungs-Algorithmus (Field-Oriented Control, FOC) ausführt (Bild 2). Höhere Motordrehzahlen verlangen nach einer breitbandigeren Regelschleife, denn aus den Phasenströmen müssen so schnell wie möglich die zum jeweiligen Zeitpunkt benötigten Ansteuersignale für den Motor errechnet werden.
Das Hauptaugenmerk gilt deshalb der Latenz der Stromregelschleife, zumal die Schaltfrequenzen der IGBTs bzw. SiC-MOSFETs inzwischen im zweistelligen Kilohertzbereich liegen. Die Impulsbreite der Ansteuersignale muss Zyklus für Zyklus angepasst werden, um eine hohe Drehzahl zu ermöglichen. Leider wirken sich die durch das Schalten der hohen Ströme erzeugten Störgrößen ungünstig auf die Zuverlässigkeit der Regelschleife aus.
Da die isolierten Verstärker in direkter Nachbarschaft der Störquellen angeordnet sind, ist es wichtig, dass sie zuverlässig arbeiten und dass die Interferenzen zwischen den Leistungs- und Ansteuerschaltungen minimiert werden. Deshalb werden galvanisch isolierte Verstärker mit hoher Transientenfestigkeit zwischen der Masse des Leistungsteils und der Masse des Ansteuerteils benötigt. Werden die Bauelemente passend gewählt, kann eine präzise arbeitende Stromregelschleife für einen geringen Oberschwingungsgehalt der Phasenströme sorgen, sodass eine gleichmäßige Drehzahl- und Drehmomentregelung während der Beschleunigungs- und Bremsphasen erreicht wird.
Nicht zuletzt trägt die Genauigkeit der Stromregelschleife dazu bei, die elektrischen Verluste zu verringern und die beim Fahren entstehenden Vibrationen zu minimieren. Isolierte Verstärker (z. B. AMC1300B-Q1 oder AMC1311B-Q1) und isolierte Modulatoren (z. B. AMC1306M25 oder AMC1336) unterstützen präzise Strom- und Spannungsmessungen mit einer Bandbreite von über 200 kHz, einer Latenz von weniger als 2 µs sowie einer galvanischen Isolation mit einem CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) von mehr als 100 kV/µs.
Die drei Phasenstromsignale werden im Anschluss an die Digitalisierung vom Haupt-Algorithmus verarbeitet, um die Ausgangssignale des Traktionswechselrichters zu erzeugen. Da der häufig verwendete FOC-Algorithmus jedoch aufwendige Berechnungen (beispielsweise FFT oder trigonometrische Operationen) erfordert, sind die Bandbreitenanforderungen hoch – insbesondere bei Schaltfrequenzen von 20 kHz und darüber.
Der Mikrocontroller ist sowohl für die Motorregelungs- als auch für die Safety-Funktionen des Traktionswechselrichters zuständig. Mit einer schnellen FOC-Implementierung bleiben mehr Reserven für beide Aufgabenbereiche. Echtzeit-MCUs wie die C2000-Bausteine TMS320F28377D, TMS320F28386D und TMS320F280039C sowie der Sitara AM2634-Q1 ermöglichen eine schnelle Verarbeitung der Regelschleife.
Unterstützend wirken ein ADC mit einer Abtastrate von über 3 MS/s für die Sensorik sowie mehrere optimierte Kerne zur raschen Verarbeitung komplexer Rechenaufgaben. Organisch eingebundene, hochauflösende PWM-Funktionen helfen bei der Erzeugung von Signalen mit präzise bemessenen Tastverhältnissen für eine optimierte Motorregelung. Insgesamt kommen diese Stufen auf eine Regelschleifen-Latenz von unter 4 µs.
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