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Entwicklung und Optimierung von elektrischen Antrieben

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  • Entwicklung und Optimierung von elektrischen Antrieben

    Die notwendige Reduzierung der Kohlendioxid- und Partikelemissionen führt zu einem schnell wachsenden Angebot an Fahrzeugen mit elektrifiziertem Antrieb. BorgWarner unterstützt Automobilunternehmen dabei, diese Nachfrage zu befriedigen, indem es sein Know-how in den Bereichen Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Getriebe nutzt, um hochoptimierte Komponenten und Systeme herzustellen. Es gibt keine einheitliche Lösung, daher ist eine Reihe maßgeschneiderter Lösungen erforderlich, die den Anforderungen des Fahrzeugs und der Elektrifizierungstechnologie am besten entsprechen.


    Fahrzeuganforderungen

    Es ist wichtig, dass die Fahrzeuganforderungen vollständig verstanden werden, wenn mit der Entwicklung des bestmöglichen Antriebsstrangs für eine Anwendung begonnen wird. Dies ist ein Prozess, der mit der ersten Kundenanfrage beginnt und im Wesentlichen mit der OEM-Kundenanforderungsspezifikation erstellt wird. Die Anforderungen werden jedoch erst dann richtig verstanden, wenn die verschiedenen Entwicklungsteams miteinander gesprochen und die Einzelheiten vereinbart haben.

    Dieser Prozess ist besonders wichtig für einen elektrischen Antriebsstrang, der die funktionale Sicherheitsnorm ISO 26262 erfüllt. Die Einhaltung dieser Norm erfordert nicht nur ein hohes Maß an Genauigkeit, sondern bedeutet auch, dass der OEM die Norm nur auf Fahrzeugebene erfüllen kann wenn das Antriebsstrang-Teilsystem (in ISO 26262 als „Artikel“ bezeichnet) alle an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. Umgekehrt muss der Antriebsstrangentwickler Teile des breiteren Fahrzeugsystems verstehen und wissen, wie sie sich auf den Betrieb des Antriebsstrangs auswirken können. Ein hochqualifiziertes und erfahrenes Engineering-Team ist entscheidend, um die ungeschriebenen Bedürfnisse und Nuancen des Kunden sowie die in den veröffentlichten Spezifikationen zu verstehen.

    Aus Sicht der Leistung besteht der Ausgangspunkt darin, die Fahrzeugdynamik zu verstehen, vor allem die Höchstgeschwindigkeit, die erforderliche Beschleunigung und die maximale Steigung. In Kombination mit der Fahrzeugmasse und dem Raddurchmesser können diese Parameter verwendet werden, um das erforderliche Drehmoment am Rad und die maximale Drehzahl der Räder zu berechnen.

    Die Kenntnis der Fahrzeugarchitektur ist wichtig, um das Raddrehmoment und die Geschwindigkeit an den elektrischen Antriebsstrang anzupassen. In P0- und P1-Systemen kann der elektrische Antriebsstrang nicht vom Verbrennungsmotor entkoppelt werden ( Abbildung 1) . In P2-, P3- und P4-Architekturen kann das Fahrzeug jedoch allein mit Strom betrieben werden, wenn der Verbrennungsmotor deaktiviert ist. BorgWarner bietet eine breite Produktpalette für alle diese Architekturen, von denen einige in Abbildung 2 dargestellt sind . Dieser Artikel konzentriert sich auf die P4-Hybrid- und rein elektrischen Architekturen.

    Abbildung 1 Die verschiedenen Fahrzeugarchitekturen - P0 bis P4 (© BorgWarner)

    Abbildung 1
    Die verschiedenen Fahrzeugarchitekturen - P0 bis P4 (© BorgWarner)

    BorgWarner P2- und P4-Produkte (© BorgWarner)

    BorgWarner P2- und P4-Produkte (© BorgWarner)

    Abbildung 2: BorgWarner P2- und P4-Produkte (© BorgWarner)


    System-Design

    Nachdem die Anforderungen auf Fahrzeugebene festgelegt wurden, besteht der nächste Schritt bei der Konstruktion eines optimierten Antriebsstrangs darin, die wichtigsten Konstruktionsparameter für jedes der Teilsysteme festzulegen. In diesem Artikel wird insbesondere die Entwurfsoptimierung eines iDM (Integrated Drive Module) untersucht, das aus drei Hauptteilsystemen besteht: Getriebe, elektrische Maschine und Leistungselektronik ( Abbildung 3) .

    Explosionszeichnung eines BorgWarner iDM (© BorgWarner)

    Abbildung 3: Explosionszeichnung eines BorgWarner iDM (© BorgWarner)

    Für das Systemdesign eines iDM müssen Makro- und Mikroentscheidungen getroffen werden, von denen einige in Tabelle 1 aufgeführt sind . Die Makroparameter sind die wichtigsten Entwurfsentscheidungen, die nach dem Durchlaufen des Optimierungsprozesses mit einer Reihe verschiedener Makroparametereinstellungen getroffen werden. Sobald dies erledigt ist, können die Makroparameter eingegrenzt und die Mikroparameter angepasst werden, um das Design zu optimieren.



    Tabelle 1
    Beispiele für Subsystem-Makro- und Mikroparameter (© BorgWarner)
    Übertragung Einzel- oder Mehrgeschwindigkeits-, Parallel- oder Koaxialanordnung Übersetzungsverhältnis, Zahnradgeometrie
    Elektrische Maschine Motortyp, Wicklungstyp, Kühlmethode Anzahl der Magnetpole, elektromagnetische Schaltungsgeometrie, Magnetmaterialien
    Leistungselektronik SiC- oder IGBT-Netzschalter Auswahl des Netzschalters, Modulationsschema (s), Schaltgeschwindigkeit

    Es gibt auch einige andere Kriterien wie das erforderliche Raddrehmoment und die Batteriespannung, die direkt aus der Fahrzeugspezifikation abgeleitet werden. Einige kaskadieren durch die iDM-Subsysteme ( Abbildung 4) , z. B. wird das Raddrehmoment zum Motordrehmoment und dann wiederum zum Motorstrom.
    Parameterflussdiagramm (© BorgWarner)

    Abbildung 4: Parameterflussdiagramm (© BorgWarner)



    Übertragung

    Vielleicht ist die erste Entscheidung für einen elektrischen Traktionsantrieb, wie viele Übersetzungsverhältnisse es gegebenenfalls geben sollte. Während Direktantrieb möglich ist, würde in der Praxis das erforderliche Raddrehmoment zu einem einzigen Motor führen, der zu groß ist, um in die meisten Fahrzeuge integriert zu werden. Die Aufteilung des Drehmoments auf mehrere Räder behebt das Paketproblem, würde jedoch zu einem System führen, das teuer ist und erhebliche Konstruktionskomplexitäten aufweist und daher keine übliche Architektur darstellt.

    Ein Single-Speed-Getriebe bietet die niedrigsten Kosten und den höchsten Wirkungsgrad, stellt jedoch höhere Anforderungen an die elektrische Maschine, da sie für maximales Drehmoment und maximale Drehzahl ausgelegt werden muss. Ein Getriebe mit zwei oder mehr Übersetzungsverhältnissen ist aus Sicht der elektrischen Maschine attraktiv, da es das maximale Drehmoment und die maximale Drehzahl verringert, wodurch die Motorgröße verringert werden kann. Man muss jedoch bedenken, dass mehrere Übersetzungsverhältnisse zwar bei maximalem Drehmoment und maximaler Drehzahl helfen können, aber die erforderliche Spitzenleistung nicht verringern.

    Die potenziellen Vorteile eines Mehrganggetriebes müssen aufgrund der zusätzlichen erforderlichen Zahnräder, Kupplungen und Aktuatoren gegen die Kostensteigerung abgewogen werden. Diese zusätzlichen Komponenten erhöhen auch die Masse und die Packungsgröße und können aufgrund der damit verbundenen Spinn- und Widerstandsverluste möglicherweise die Effizienz verringern, wenn herkömmliche Schaltelemente verwendet werden.


    Elektrische Maschine

    Das Teilsystem für elektrische Maschinen bietet eine Vielzahl von Optionen, da neben den Teilvarianten und Konstruktionsdetails viele verschiedene Arten von elektrischen Maschinen zur Auswahl stehen. In der Praxis hängt die Auswahl der elektrischen Maschine für eine Traktionsanwendung im Automobilbereich jedoch von den beiden in Abbildung 5 gezeigten Typen ab : einer Synchronmaschine mit Permanentmagneten (IPM) und einer asynchronen Induktionsmaschine (IM).
    Schnittansichten eines IPM (links) und eines IM (rechts) (© BorgWarner)

    Schnittansichten eines IPM (links) und eines IM (rechts) (© BorgWarner)

    Abbildung 5: Schnittansichten eines IPM (links) und eines IM (rechts) (© BorgWarner)



    Aus Sicht der elektrischen Maschine bietet die IPM-Option eine bessere Drehmomentdichte, vor allem aufgrund der hochenergetischen NdFeB-Magnete, die den Rotormagnetfluss liefern, ohne dass Strom in den Statorwicklungen benötigt wird. Die Permanentmagnete eines IPM sind bei niedrigeren Geschwindigkeiten von großem Vorteil. Wenn sich die Motordrehzahl erhöht, bedeutet die Tatsache, dass sie nicht ausgeschaltet werden können, dass es notwendig wird, zusätzlichen Strom an die Statorwicklungen anzulegen, um einen Fluss zu erzeugen, der dem der Magnete entgegengesetzt ist und die in den Wicklungen induzierte Spannung begrenzt. Dieser zusätzliche Strom erzeugt Widerstandsverluste in den Wicklungen, die nicht direkt mit der Drehmomenterzeugung zusammenhängen und sich daher negativ auf den Wirkungsgrad auswirken.

    Da ein IM keine Permanentmagnete hat, muss Strom in den Statorwicklungen fließen, um einen magnetischen Fluss im Rotor zu erzeugen. Die Bewegung des Rotors relativ zum Statorfluss induziert einen Rotorstrom, der mit dem Statorfluss interagiert, um ein Drehmoment zu erzeugen. Die Notwendigkeit, Magnetisierungsstrom anzulegen, verringert tendenziell die IM-Effizienz im Vergleich zu einem IPM bei niedrigen Drehzahlen aufgrund der Leitungsverluste in Statorwicklungen und Rotorstangen. Bei hohen Geschwindigkeiten kann die IM-Statorspannung jedoch durch Reduzieren des Magnetisierungsstroms auf dem gewünschten Niveau gehalten werden, im Gegensatz zum IPM, bei dem eine Erhöhung des Magnetisierungsstroms erforderlich ist. Die reduzierten Strom- und Leitungsverluste sind der Grund, warum ein IM bei hoher Geschwindigkeit effizienter sein kann als ein IPM. Es ist interessant festzustellen, dass IMs bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und niedrigem Drehmoment tendenziell einen höheren Wirkungsgrad aufweisen, was typisch für Autobahnkreuzfahrten ist. IPMs haben einen deutlichen Effizienzvorteil bei niedrigen Drehzahlen und mittlerem Drehmoment, wie sie für Stadtfahrzyklen typisch sind. Daher ist es wichtig, die richtige Balance zwischen den beiden Motoren zu finden und den Motortyp zu identifizieren, der am besten zur Anwendung passt.

    Bei Betrachtung der Wicklungen ist eine der wichtigsten Optionen die Art des Drahtes. Runddraht, der in den Stator gezogen wird, ist eine kostengünstige Option, führt jedoch zu einer relativ schlechten Ausnutzung des verfügbaren Statorschlitzbereichs und neigt dazu, schlechte thermische Eigenschaften zu haben. Eine viel bessere Option für elektrische Hochleistungsmaschinen ist die Verwendung eines rechteckigen Drahtes, der eine viel bessere Ausnutzung des verfügbaren Schlitzbereichs und eine verbesserte Wärmeleistung ermöglicht. BorgWarner verwendet seit 2005 rechteckige Drähte in seinen Hochspannungs-Harpin-Motoren (HVH) und verwendet auch die patentierte S-Wind-Technologie ( Abbildung 6) .

    Abbildung 6 S- (links) und HVH- Wicklungen (rechts) (© BorgWarner)

    Abbildung 6
    S- (links) und HVH- Wicklungen (rechts) (© BorgWarner)



    Leistungselektronik

    Der Typ und die Konstruktionsdetails der elektrischen Maschine haben eine Vielzahl von Auswirkungen auf die Spezifikation und das Design der Leistungselektronik. Ein wichtiger Parameter ist, wie viele Magnetpole der Motor hat. In der Regel führt eine höhere Polzahl zu einer Maschine mit höherer Drehmomentdichte, kann sich jedoch nachteilig auf den Wechselrichter und die Systemeffizienz auswirken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wechselrichter eine als Pulse Width Modulation (PWM) bezeichnete Technik verwenden, um aus einer Gleichstrombatterie einen sinusförmigen Wechselstrom zu erzeugen. Um eine Stromwellenform mit hoher Wiedergabetreue zu erzeugen, muss die PWM-Frequenz ein Vielfaches der Grundfrequenz des gewünschten Stroms betragen.

    Am Beispiel einer gemeinsamen PWM-Schaltfrequenz von 10 kHz würde die maximale Grundfrequenz des Motorstroms etwa 1 kHz betragen. Für einen Motor mit 12 Magnetpolen würde die Drehzahl bei 1 kHz 10.000 U / min betragen, während sie für einen Motor mit acht Polen 15.000 U / min betragen würde. Wenn die maximale Motordrehzahl auf 20.000 U / min erhöht würde, könnten Größe und Masse des Motors verringert werden, aber mit einer 12-poligen Maschine müsste die PWM-Frequenz des Umrichters auf 20 kHz erhöht werden. Dies würde die Schaltverluste in den Leistungsschaltern verdoppeln, den Wirkungsgrad des Wechselrichters verringern und die Betriebstemperatur der Leistungselektronik erhöhen, was deren Lebensdauer verkürzen würde. Alternative Modulationsschemata wie sechs Stufen können verwendet werden, um den Schaltverlust des Umrichters zu verringern und das Motordrehmoment bei hoher Drehzahl zu erhöhen.

    Wenn es um funktionale Sicherheit und die korrekte Behandlung eventuell auftretender Fehlerzustände geht, hat die Wahl von IPM oder IM einen großen Einfluss auf das Wechselrichter- und Systemverhalten. Wenn ein Fehler erkannt wird und die Umschaltung der Wechselrichterleistung gestoppt werden muss, wenn sie an einen unter Spannung stehenden und sich drehenden IM angeschlossen ist, können alle Leistungsstufenschalter ausgeschaltet werden. Der Magnetfluss im Rotor fällt dann innerhalb weniger hundert Millisekunden auf einen niedrigen Wert ab, so dass kein Drehmoment erzeugt wird und die in den Statorwicklungen induzierte Spannung auf einem niedrigen Niveau liegt. Im Gegensatz dazu erzeugen die Magnete in einem IPM immer Flussmittel. Wenn die Schalter der Leistungsstufe des Wechselrichters wie bei einem IM einfach bei hohen Drehzahlen ausgeschaltet werden, kann die im Stator induzierte Spannung die Batteriespannung überschreiten, was dazu führt, dass die elektrische Maschine als unkontrollierter Generator fungiert.

    Eine offensichtliche Lösung für dieses Problem scheint darin zu bestehen, einen Schalter zwischen der Batterie und dem Wechselrichter zu öffnen, um einen Stromfluss zu verhindern. Die in den Statorwicklungen der elektrischen Maschine erzeugte Spannung kann jedoch die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters auf ein hohes Niveau anheben, wodurch Komponenten innerhalb des Wechselrichters oder anderer an den Hochspannungs-Gleichstrombus angeschlossener Teilsysteme, wie z. B. das Batterieladegerät, beschädigt werden können oder DC / DC-Wandler. Um diese Probleme zu mindern, wird üblicherweise eine als Active Short Circuit (ASC) bekannte Technik verwendet, bei der die Wechselrichter-Leistungsstufe zum Kurzschließen der Motorklemmen verwendet wird, wodurch spannungsbedingte Gefahren gemindert und eine Regeneration in die Batterie verhindert werden. Es ist wichtig sicherzustellen, dass der Spitzenkurzschlussstrom in ASC die Motormagnete oder den Umrichter nicht beschädigt.

    Der Hauptzweck des Wechselrichters besteht darin, den Stromfluss zwischen Batterie und elektrischer Maschine mit minimalem Verlust zu regeln. Bei den verwendeten Halbleiterschaltern handelt es sich in der Regel um etablierte Bipolartransistoren (IGBTs) mit Siliziumisolierung oder Siliziumkarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Mosfets), die Marktanteile gewinnen. Sie bieten verschiedene technische Vorteile, darunter ein schnelles Schalten, das den Wirkungsgrad des Wechselrichters an allen Lastpunkten verbessert, und eine lineare Einschaltkennlinie, die den Wechselrichterverlust bei niedrigeren Strömen verringert. Dies führt zu einer höheren Wechselrichtereffizienz bei Teillast, was besonders für Antriebszyklen wie WLTP von Vorteil ist ( Abbildung 7) .
    Abbildung 7 Effizienzvergleich (© BorgWarner)

    Abbildung 7
    Effizienzvergleich (© BorgWarner)



    Der geringe Verlust und der hohe Wirkungsgrad einer Siliziumkarbid (SiC) -Leistungsstufe hat mehrere äußerst wünschenswerte Auswirkungen auf das Fahrzeug- und Systemdesign. Zum Beispiel können die Größe und Masse des Wechselrichters reduziert werden. Durch den geringeren Verlust kann auch die Größe des Fahrzeugkühlsystems reduziert werden, wodurch Masse und Volumen eingespart werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Luftstrom über den Kühler reduziert werden kann, was die Aerodynamik und den Fahrzeugwiderstandsbeiwert verbessert. Der kombinierte Effekt besteht darin, dass das Fahrzeug mit jeder kWh Energie weiter fahren kann. Dies ist ein wichtiger Vorteil, der die höheren Kosten eines SiC-basierten Wechselrichters ausgleichen kann.

    Der Zwischenkreiskondensator ist ein sehr wichtiges Element in der Leistungsstufe eines Spannungsquellenwechselrichters, da er es den Halbleiter-Leistungsschaltern ermöglicht, schnell und effizient zu schalten. Die Kondensatorwerte werden hauptsächlich durch die Batteriespannung und den Motorstrom bestimmt. Dies könnte zu dem Schluss führen, dass eine elektrische Maschine, die den geringsten Strom benötigt, um das erforderliche Drehmoment zu entwickeln, immer die beste Lösung wäre. Dies ist jedoch möglicherweise nicht der Fall, wie in Abbildung 8 dargestelltbei denen Motoren mit gleichem Drehmoment bei niedriger Drehzahl und ähnlicher Grunddrehzahl verglichen werden. Motor A benötigt den niedrigsten Strom, hat jedoch hohe Magnetkosten, da er 50% mehr NdFeB-Magneten benötigt als Motor C. Motor B hat den niedrigsten Magnetgehalt, benötigt jedoch 142% des Stroms von Motor A und hat eine schlechte Hochgeschwindigkeitsleistung. Motor C benötigt 118% des Stroms von Motor A, gleicht die Magnet- und Umrichterkosten aus und bietet das höchste Preis-Leistungs-Verhältnis.
    Abbildung 8 Leistungs- und Drehmomentdrehzahlkurven verschiedener Motoren (© BorgWarner)

    Abbildung 8
    Leistungs- und Drehmomentdrehzahlkurven verschiedener Motoren (© BorgWarner)



    Systemoptimierung

    Es ist ein allgemein erklärtesZiel, dass ein Produkt "optimiert" oder "die optimale Lösung" sein sollte, aber es kann schwierig sein zu definieren, welches Optimum tatsächlich ist, da es so stark von den Zielen und der Sichtweise abhängt. Es könnte argumentiert werden, dass ein idealer iDM maximale Fahrleistung, große Batterieleistung, minimalen Packraum und sehr niedrige Kosten bietet. Leider ist die technische Realität so, dass sich die meisten dieser Ziele gegenseitig ausschließen. Beispielsweise sind elektrische Maschinen mit größeren Kupferwicklungen tendenziell effizienter, jedoch physikalisch größer, und Leistungselektronik mit SiC-Leistungsschaltern ist effizienter, jedoch erheblich teurer. Diese sich gegenseitig ausschließenden Ziele bedeuten auch, dass ein System nicht basierend auf einem einzelnen Parameter optimiert werden kann. da dies wahrscheinlich zu einem System führen wird, das bei anderen Metriken schlecht abschneidet. Um die optimale Lösung für eine bestimmte Anwendung zu finden, muss jedes Kandidatendesign anhand einer Reihe gewichteter Kriterien und verschiedener Einschränkungen wie maximaler Masse oder Packungsfläche bewertet werden.

    Der Optimierungsalgorithmus ist in Abbildung 9 dargestelltund beinhaltet die Verwendung der Fahrzeug- und Kundeneingaben in Kombination mit den Makro- und Mikroparametern des Entwurfs für jedes Teilsystem, um Kandidatenentwürfe zu generieren. Diese werden anhand technischer und finanzieller Kennzahlen bewertet, bevor sie mit den Zielen verglichen werden, sodass eine Gesamtbewertung des Kandidatendesigns erfolgen kann. Verschiedene Techniken, einschließlich genetischer Algorithmen und Optimierung der Mehrphysik, werden verwendet, um die Entwurfskandidaten zu verfeinern und einen weiten mehrdimensionalen Raum nach der optimalen Lösung zu durchsuchen. Durch die Verwendung des Suchalgorithmus mit einer Vielzahl von Fahrzeugspezifikationen und zusätzliche Einschränkungen für Parameter ist es möglich, eine Reihe von Designs zu entwickeln, die nicht nur hochoptimiert, sondern auch modular und skalierbar sind, um eine Vielzahl von Kundenanforderungen zu erfüllen.
    Abbildung 9 Optimierungsflussdiagramm (© BorgWarner)

    Abbildung 9
    Optimierungsflussdiagramm (© BorgWarner)



    Zusammenfassung
    ​​​​​​​

    BorgWarner versteht die komplexen Kompromisse und Wechselwirkungen innerhalb eines elektrischen Traktionsantriebssystems. Es gibt kein einziges perfektes System, aber durch das Verständnis der Bedürfnisse und Wünsche des Kunden kann ein für den Kunden und seine Anwendung optimiertes Produkt entwickelt werden.

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