Themen:
- Einführung
- Wechselrichter
- Regeneratives Bremsen
Einführung:
Elektromotoren in Fahrzeugen mit vollelektrischem oder Hybridantrieb arbeiten mit Wechselstrom (AC). Die Energie für den Elektromotor kommt nicht direkt aus der Batterie, da diese nur Gleichspannung (DC) liefert. Die Gleichspannung der Batterie wird in den eingespeist Wandler in eine Wechselspannung für den Elektromotor umgewandelt.
Darüber hinaus finden wir Wandler die eine niedrige Gleichspannung in eine höhere Spannung umwandeln (Aufwärtswandler). Die Batteriespannung kann für den Elektromotor „angehoben“ werden (650 Volt) oder abgesenkt werden, um die Bordbatterie aufzuladen (14 Volt). Der Konverter dient auch zur Umschaltung von Hochspannung auf Niederspannung, um beispielsweise die Innenausstattung mit einer Spannung von 12 oder 24 Volt zu versorgen (Pkw oder schwere Nutzfahrzeuge). Klicken Sie hier für die Seite über den Konverter.
Das folgende Bild zeigt ein Tesla Model S: das Innere des Wechselrichters und ein Überblick über die sogenannte „Antriebseinheit“, bei der Wechselrichter, Getriebe und Elektromotor in einer gemeinsamen Einheit an der Hinterradaufhängung untergebracht sind.
Wandler:
Das Bild im Abschnitt „Hochsetzsteller“ zeigt die Übersicht mit dem Hochsetzsteller, dem Wechselrichter mit zwölf IGBTs und zwei Elektromotoren (MG1 und MG2).
Die unteren sieben Diagramme zeigen die Steuerung der Transistoren und die Stromrichtung zu und von den Statorspulen. Der Aufwärtswandler und die IGBTs + MG2 wurden der Einfachheit halber weggelassen. Wir sehen es links im Diagramm HV-Batteriepaket; Dabei handelt es sich um die Hochvoltbatterie, in der eine Spannung von etwa 200 bis 800 Volt gespeichert ist. Rechts neben der Batterie sehen wir einen Kondensator. Bei Aktivierung des HV-Systems regelt das HV-Schutzsystem zunächst über einen Widerstand einen begrenzten Strom aus dem HV-Batteriepaket. Dies geschieht, um den Kondensator langsam aufzuladen, bevor das HV-System vollständig betriebsbereit ist.
Darüber hinaus sehen wir sechs Hochleistungstransistoren. Das sind die IGBTs, die den Elektromotor steuern. Die Steuerung der IGBTs erfolgt durch das Steuergerät; Dies wird als „IGBT-Treiber“ bezeichnet. Rechts sehen wir den Stator mit drei Spulen (U, V und W) in den Farben Blau und Rot. Im Zentrum des Stators befindet sich der Rotor, der durch Magnetismus in Bewegung gesetzt wird, siehe den Absatz zum Elektromotor.
Die oberen Transistoren (T1, T3 und T5) schalten die positiven Verbindungen von der HV-Batterie zu den Statorspulen, wenn die Transistoren vom Steuergerät eingeschaltet werden. Die unteren Transistoren (T2, T4 und T6) leiten die Massen zum Minuspol der Hochvoltbatterie.
Die Gate-Anschlüsse der aktuell angesteuerten IGBTs werden grün dargestellt. Bei einem Synchronmotor „liest“ die Steuereinheit die Position des Motors Rotorpositionssensor um zu bestimmen, welchen IGBT es steuern soll. Der Rotorlagesensor wird auch als a bezeichnet Resolver genannt.
1. Gesteuerte IGBTs:
- T1: plus (100 % kontrolliert);
- T2: Masse (50 % angetrieben);
- T6: Masse (50 % angetrieben).
2. Gesteuerte IGBTs:
- T1: plus (50 % kontrolliert);
- T3: plus (50 % kontrolliert);
- T2: Masse (100 % angetrieben).
Durch das veränderte Magnetfeld dreht sich der Rotor.
3. Gesteuerte IGBTs:
- T3: plus (100 % kontrolliert);
- T2: Masse (50 % angetrieben);
- T4: Masse (50 % angetrieben).
Durch das veränderte Magnetfeld dreht sich der Rotor.
4. Gesteuerte IGBTs:
- T3: plus (50 % kontrolliert);
- T5: plus (50 % kontrolliert);
- T4: Masse (100 % angetrieben).
Durch das veränderte Magnetfeld dreht sich der Rotor.
5. Gesteuerte IGBTs:
- T5: plus (100 % kontrolliert);
- T4: Masse (50 % angetrieben);
- T6: Masse (50 % angetrieben).
Durch das veränderte Magnetfeld dreht sich der Rotor.
6. Kontrolliert IGBTs:
- T1: plus (50 % kontrolliert);
- T5: plus (50 % kontrolliert);
- T6: Masse (100 % angetrieben).
Durch das veränderte Magnetfeld dreht sich der Rotor.
7. Kontrolliert IGBTs:
- T1: plus (100 % kontrolliert);
- T2: Masse (50 % angetrieben);
- T6: Masse (50 % angetrieben).
Der Rotor hat sich nun gegenüber der Situation in Situation 360 um 1 Grad (eine volle Umdrehung) gedreht. Der Zyklus mit Transistorschaltungen wiederholt sich erneut.
Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung der HV-Batterie in eine 1-phasige sinusförmige Wechselspannung um. Die drei Bilder unten zeigen:
- Links: Laden der Spule;
- Mitte: Entladen der Spule;
- Rechts: Lade- und Entladekurve der Spule.
Das Laden und Entladen der Spule erreichen wir, indem wir die Basis des Transistors mit einer Rechteckspannung ansteuern. Beim Entladen der Spule fällt das Magnetfeld ab und die Induktionsspannung erzeugt einen kurzlebigen Induktionsstrom. Die Löschdiode sorgt dafür, dass sich die Spule entlädt.
Die 1-Phasen-Sinusform entsteht durch Veränderung des Tastverhältnisses, mit dem der Transistor leitend wird. Im folgenden Text geht es um die Bilder unten.
- Links: Bei dieser Frequenz kann sich die Spule nicht ausreichend aufladen und es entsteht eine mittlere Spannung;
- Rechts: Das Tastverhältnis wird vom IGBT-Controller angepasst. Die Lade- und Entladezeit bestimmt die Stromstärke durch die Spule.
Die IGBTs im Wechselrichter werden ständig ein- und ausgeschaltet. Das Verhältnis zwischen Ein- und Ausschalten erfolgt nach einer PWM-Steuerung. Je breiter die Impulse (höheres Tastverhältnis), desto größer ist der Strom, der durch die Spule fließt, und desto leistungsstärker ist der Elektromotor. Der durchschnittliche Strom wird durch die schwarze Sinuswelle angezeigt. Die folgende Abbildung zeigt drei sinusförmige Steuersignale:
- Blau: hohe Kontrolle. Der Arbeitszyklus ist hoch. Der Strom wird maximal.
- Grün: durchschnittliche Kontrolle. Der Duty-Cycle-Prozentsatz ist geringer als bei hoher Regelung. Der Strom ist daher geringer.
- Rot: geringe Kontrolle. Der Duty-Cycle-Prozentsatz ist erneut gesunken. Die Stromstärke wurde im Vergleich zur Maximalsteuerung halbiert.
Die Sinuswelle ist für eine halbe Periode positiv und für die andere Hälfte negativ. Die IGBTs im DC-AC-Wechselrichter sind so verschaltet, dass eine Gleichspannung (DC) in eine Wechselspannung (AC) umgewandelt wird. Die Stromrichtung durch die Statorspulen wird periodisch umgekehrt.
Durch Erhöhen der Anzahl der Sinuskurven pro Zeiteinheit erhöht sich die Rotorgeschwindigkeit.
Die folgende Animation zeigt die Steuerung des Wechselrichters. Unterhalb des Wechselrichters sehen Sie den zeitlichen Verlauf von drei Phasen. Der Rotor dreht sich in der Animation zwei volle Umdrehungen (360 Grad). Jede Rotation ist in sechs Zeiteinheiten (1 bis 6) unterteilt. Unten sehen Sie farbige Balken:
- Dunkelblau: T1
- Grün: T2
- Hellblau: T3
- Orange: T4
- Rosa: T5
- Rot: T6
Wir konzentrieren uns auf die erste halbe Revolution des Zeitablaufs:
- Von 0 bis 180 Grad dreht sich der Rotor eine halbe Umdrehung. IGBT T1 wurde während dieses Zeitraums gesteuert.
- Zwischen 0 und 60 Grad waren neben T1 auch T5 und T6 aktiv.
- T1 schaltet Plus, T5 und T6 Masse. Jeder Transistor hatte seinen eigenen Arbeitszyklus, der zwischen 50 und 100 % schwankte.
- Bei 60 Grad übernimmt T2 die Funktion von T5: Die Stromrichtung in der Spule wird umgekehrt.
- In diesem Moment herrscht Wechselspannung: Da sich die Stromrichtung geändert hat, ist die Stromstärke negativ.
Um mit dem Wechselrichter die richtigen Spulen im Wechselstrom-Synchronmotor zu steuern, greift der Wechselrichter auf das Signal von zu Resolver. Der Resolver registriert die Position des Rotors sowohl im Stillstand als auch während der Drehung.
Regeneratives Bremsen:
Beim Bremsen des Motors wird der Elektromotor als Generator (Dynamo) genutzt. Die Bewegungsenergie des Fahrzeugs wird in elektrische Energie umgewandelt: Die Batterie wird geladen.
Beim regenerativen Bremsen sind die IGBTs abgeschaltet: Der Fahrer hat keine Kontrolle über sie. Die Gleichrichterdioden zwischen Source und Drain der IGBTs fungieren als Gleichrichter, um die Wechselspannung vom Motor in Gleichspannung für die Batterie umzuwandeln.
Vollelektrische und Hybridfahrzeuge verfügen neben der Möglichkeit der elektrischen Bremsung auch über ein konventionelles, hydraulisches Bremssystem zum Bremsen mit Bremsbelägen und Bremsscheiben. Die verschiedenen Techniken und Kontrollprinzipien finden Sie auf der Seite: Bremsen von Elektrofahrzeugen.
