EFFEL - Effizienzoptimaler Antrieb für Elektrobus

Ausgangssituation/Motivation

Elektrische Maschinen in der Traktion werden üblicherweise von einem drei-Phasen-Umrichter in zwei-Level-Topologie angesteuert. Die Gleichspannung, im Falle des Elektrobusses einer Batterie entnommen, wird mit einer Frequenz im kHz-Bereich (etwa bis 4kHz) getaktet und pulsweitenmoduliert. Neben den Leit- und Schaltverlusten des Umrichters verursacht diese Pulsung in der Maschine Zusatzverluste, sowohl in den Leitern von Stator und Rotor als auch in den das Magnetfeld führenden Eisenblechen. Es ist bisher noch nicht gelungen diese umrichterspezifischen Maschinenzusatzverluste genau und für verschiedene Betriebsparameter allgemein gültig vorherzusagen.

Inhalte und Zielsetzungen

Inhalt und Ziel dieses Projektes ist es, die Gesamteffizienz des Antriebs mit intelligenter und abgestimmter Betriebsführung und Design signifikant zu erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen wird ein Verlustmodell für den Antrieb entwickelt und validiert, um damit die Gesamtverluste in Abhängigkeit verschiedener Parameter zu untersuchen. Diese Untersuchungen werden für die zwei-Level- als auch für die drei-Level- Umrichtertopologie durchgeführt. Aufgrund einer Reihe von positiven Eigenschaften der drei-Level- Umrichtertopologie kann erwartet werden, dass diese Topologie auch in Traktionsantrieben Einzug halten wird; sie soll daher Gegenstand dieses Projekts sein.

Methodische Vorgehensweise

Für die exakte Berechnung der Eisenverluste wird das Hysteresemodell, welches im FFG-Projekt InWeMat entwickelt wurde, für getaktete Spannungen spezialisiert und auf die Eisenabschnitte einer konkreten Maschine angewandt. Das Hysteresemodell wird dann in bestehende Maschinenmodelle integriert, welche auch in der Lage sind die temparaturabhängigen Stator- und Rotorkupferverluste richtig vorherzusagen. Umrichterverlustmodelle werden adaptiert und mit dem Maschinenmodell kombiniert. Mit diesem Gesamtmodell des Antriebs werden die Einflüsse der verschiedenen Betriebsparameter (Schaltfrequenz und Pulsmuster des Umrichters, Betriebspunkt der Maschine), der unterschiedlichen Umrichtertopologien und Maschinendesigns auf die Gesamtverluste bestimmt. Diese Erkenntnisse werden dazu dienen ein Umrichter- und Maschinendesign zu wählen und eine abgestimmte Betriebsführung für einen definierten Fahrzyklus des Elektrobus zu entwickeln, welches die Gesamtverluste des Antriebs minimiert.
Die Erwartung ist dabei dass die Gesamtverluste während des Zyklus in der Größenordnung von 20-30%, verglichen mit einem Standarddesign und Standardregelung, zu senken sind.
Für die Validierungsmessungen wird eine Prüfumgebung aufgebaut, bestehend aus einem Umrichter, welcher sowohl in zwei-Level als auch drei-Level Topologie betrieben werden kann, und zwei Maschinen, welche sich in der Blechqualität unterscheiden.
Durch die gepulste Ansteuerung des Umrichters entstehen Lagerströme, welche die Lager schädigen und zu einem frühzeitigen Ausfall führen können. Anhand von Messungen soll der Einfluss der Umrichtertopologie und Betriebsparameter auf die Lagerströme untersucht und beurteilt werden, wie diese die Lebensdauer des Antriebs beeinflussen. Diese Erkenntnisse fließen auch in die als hoch-effizient identifizierte Betriebsführung ein, da der Antrieb nicht nur als energie- sondern auch als ressourceneffizient im Sinne einer langen Lebensdauer, hoher Zuverlässigkeit und somit kosteneffizient entwickelt werden soll.

Projektleitung

AIT Austrian Institute of Technology GmbH
DI Dr. Reinhard Wöhrnschimmel

Projektpartner

Traktionssysteme Austria
DI. Florian Müllner

AIT Austrian Institute of Technology GmbH
DI Dr. Reinhard Wöhrnschimmel

Tel.: +43-50550-6025
Fax: +43-50550-6595
E-Mail: reinhard.woehrnschimmel@ait.ac.at

Dieses Projekt wurde im Rahmen des Programms "Mobilität der Zukunft" vom BMVIT finanziert.

Weiterführende Informationen finden Sie im Infonetz der FFG.