Motorregelung und Wirkungsgradkennfelder

Ein Steuergerät für den Elektromotor setzt den Drehmomentwunsch des Fahrers in präzise getaktete Phasenströme um und berücksichtigt dabei die Grenzen von Batterie, Wechselrichter, Motor, Reifen und Kühlsystem. Die vertraute Reaktion eines Elektroautos auf das Fahrpedal ist somit das Ergebnis einer Echtzeitregelung und keine dem Motor innewohnende Eigenschaft.

Die Regelkette

Das Fahrpedal gibt nicht direkt eine Motorspannung vor. Die Fahrzeugsoftware wertet die Pedalstellung zusammen mit Fahrmodus, Radschlupf, Stabilitätsregelung, Batteriezustand, thermischen Grenzen und Komponentenfehlern aus. Daraus fordert sie ein positives oder negatives Achsdrehmoment an.

Ein typischer Traktionsregler arbeitet mit verschachtelten Regelkreisen. Ein langsamerer Drehzahl- oder Drehmomentkreis bestimmt den erforderlichen Motorstrom, während schnellere Stromregler den elektromagnetischen Zustand viele Tausend Mal pro Sekunde regeln. Das Steuergerät misst Phasenstrom und Zwischenkreisspannung, schätzt oder misst die Rotorlage, berechnet Soll-Phasenspannungen und lässt sie vom traction inverter mittels Pulsweitenmodulation erzeugen.

Das Ergebnis muss stabil bleiben, obwohl sich Drehzahl, Drehmoment, Batteriespannung, Temperatur und magnetische Sättigung ändern. Die Regelgüte beeinflusst Wirkungsgrad, Akustik, Rekuperation, Traktion und Bauteilbelastung.

Feldorientierte Regelung

Die dreiphasigen Statorströme sind um 120 elektrische Grad versetzt, was eine direkte Regelung erschwert. Die feldorientierte Regelung, auch Vektorregelung genannt, transformiert die gemessenen Ströme mathematisch in ein Koordinatensystem, das sich mit dem Magnetfeld des Motors dreht.

Der transformierte Strom hat zwei Hauptkomponenten:

der d-Achsenstrom verändert hauptsächlich den magnetischen Fluss;
der q-Achsenstrom erzeugt in einer einfachen Maschine mit Oberflächenmagneten hauptsächlich Drehmoment.

Diese Trennung gilt nicht für jede Topologie absolut. Bei einem Motor mit innenliegenden Permanentmagneten erzeugt das Zusammenspiel von d- und q-Achsenstrom zusätzlich Reluktanzdrehmoment. Asynchronmotoren benötigen eine Schätzung von Rotorfluss und Schlupf. Fremderregte Maschinen haben mit dem Rotorfeldstrom eine weitere Regelgröße.

Nachdem das Steuergerät die gewünschten d- und q-Achsenspannungen berechnet hat, wandeln inverse Transformationen sie zurück in stationäre Phasenbefehle. Eine Raumzeiger- oder andere PWM-Methode wählt anschließend Schaltzustände des Wechselrichters, deren Mittelspannung dem angeforderten Vektor folgt.

Rotorlage und Drehzahl

Eine genaue Vektorregelung benötigt den elektrischen Winkel des Rotorfelds. Ein Resolver, magnetischer Encoder, induktiver Sensor oder anderer Positionssensor kann diesen Winkel direkt liefern. Aus zeitlich aufeinanderfolgenden Positionswerten ermittelt das Steuergerät die Drehzahl.

Eine sensorlose Regelung schätzt Winkel und Drehzahl dagegen aus gemessenem Strom, vorgegebener Spannung, Gegen-EMK, Induktivitätsänderungen oder einem Beobachtermodell. Das spart Hardware und Verkabelung, doch nahe dem Stillstand ist die Schätzung schwierig, weil die Information aus der Gegen-EMK schwach wird. Manche Antriebe kombinieren Sensordaten und modellbasierte Schätzung für Plausibilitätsprüfungen oder einen eingeschränkten Betrieb.

Ein Winkelfehler verdreht das angenommene d-q-System gegenüber dem tatsächlichen Rotor. Dadurch können verfügbares Drehmoment sinken, Strom und Wärme steigen, Welligkeit entstehen oder die Stabilität gefährdet werden. Die Positionserfassung ist deshalb eine Leistungs- und funktionale Sicherheitskomponente und nicht nur ein Drehzahlmesser.

MTPA, Grunddrehzahl und Feldschwächung

Bei niedriger und mittlerer Drehzahl versucht die Regelung gewöhnlich, das verlangte Drehmoment mit möglichst wenig nutzbarem Statorstrom zu erzeugen. Das maximale Drehmoment pro Ampere, MTPA, wählt eine d-q-Stromkombination, die den Strom für ein gegebenes Drehmoment minimiert. Bei einem Motor mit Oberflächenmagneten kann der d-Achsenstrom nahe null liegen; ein ausgeprägt anisotroper Motor mit innenliegenden Magneten kann durch negativen d-Achsenstrom zusätzliches Reluktanzdrehmoment nutzen.

Mit steigender Motordrehzahl beanspruchen Gegen-EMK und induktive Spannung einen wachsenden Teil der vom Wechselrichter verfügbaren Spannung. Die Grunddrehzahl ist ungefähr der Punkt, an dem die Spannung statt des Stroms zur aktiven Grenze wird. Darüber nutzt die Regelung Feldschwächung.

Bei einem Permanentmagnetmotor erzeugt negativer d-Achsenstrom ein Statorfeld, das einem Teil des mit dem Stator verketteten Magnetflusses entgegenwirkt. Die Permanentmagnete selbst werden dabei nicht heruntergeregelt. Die geringere resultierende Flussverkettung begrenzt die Gegen-EMK und erlaubt höhere Drehzahlen, doch die Stromkapazität teilt sich nun auf Feldschwächung und Drehmomentbildung auf. Das Drehmoment sinkt und zusätzliche Kupferverluste entstehen.

Bei noch höherer Drehzahl kann das maximale Drehmoment pro Volt, MTPV, den Stromwinkel wählen, der die verbleibende Spannung optimal nutzt. Grenzen für Strom, Spannung, Rotordrehzahl, Entmagnetisierung und Temperatur bilden gemeinsam die bekannten Bereiche konstanten Drehmoments und annähernd konstanter Leistung.

Wirkungsgradkennfelder und optimale Regelung

Der Befehl mit dem niedrigsten elektrischen Strom minimiert nicht immer die Gesamtverluste der Antriebseinheit. Kupfer-, Eisen- und Magnetverluste, Schalt- und Leitverluste des Wechselrichters, Rotorerregungsverluste, Getriebeverluste und die Leistung der Kühlmittelpumpe reagieren unterschiedlich auf Drehzahl und Drehmoment.

Seriensteuergeräte verwenden deshalb kalibrierte Kennfelder und physikalische Modelle. An jedem Betriebspunkt können sie wählen:

Sollwerte für d- und q-Achsenstrom;
die Rotorerregung eines fremderregten Motors;
PWM-Strategie und Schaltfrequenz;
die Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse eines Mehrmotorfahrzeugs;
ob eine Achse stromlos geschaltet oder abgekoppelt wird;
das zulässige Drehmoment nach aktuellen und vorhergesagten Temperaturen.

Die Wirkungsgradoptimierung muss mit Ansprechverhalten, Geräusch, Spannungswelligkeit, Batteriegrenzen und Reserven vereinbar sein. Ein Regler, der ein Laboroptimum zu aggressiv verfolgt, kann schlechte Fahrbarkeit oder unzureichende Fehlertoleranz verursachen.

Rekuperation und Drehmomentgenauigkeit

Rekuperatives Bremsen kehrt den Leistungsfluss um, verwendet aber dieselbe Grundlage der Stromregelung. Das Fahrzeug fordert negatives Raddrehmoment an, der Motor erzeugt elektrische Leistung und der Wechselrichter speist geregelten Gleichstrom in den Hochspannungszwischenkreis zurück.

Die verfügbare Rekuperation kann durch Ladezustand der Batterie, Zelltemperatur, Ladeleistungsgrenzen, Reifenhaftung, Motordrehzahl oder Wechselrichtertemperatur begrenzt sein. Die Bremsmomentüberblendung ergänzt die Differenz mit Reibungsbremsen und hält dabei die vom Fahrer verlangte Verzögerung sowie die Fahrzeugstabilität aufrecht.

Drehmomentgenauigkeit ist auch beim positiven Antrieb wichtig. Stabilitäts- und Traktionssysteme sind darauf angewiesen, dass die Antriebseinheit das angeforderte Drehmoment schnell und vorhersehbar liefert. Das Steuergerät kann das tatsächliche Drehmoment aus Strom, Rotorlage, kalibrierten Motorparametern und Temperatur schätzen, da Serienfahrzeuge selten an jeder Motorwelle einen Drehmomentsensor tragen.

Fehlerbehandlung

Das Steuergerät überwacht fortlaufend Phasenströme, Zwischenkreisspannung, Rotorlage, Halbleiter- und Motortemperatur, Isolationszustand und Kommunikation. Plausibilitätsprüfungen vergleichen redundante Informationen. Stimmen Messungen nicht überein oder wird eine Grenze überschritten, kann das System das Drehmoment reduzieren, einen Motor deaktivieren, die Schaltvorgänge stoppen oder die Hochspannungsschütze öffnen.

Das Abschalten der Halbleiter-Gates macht nicht jeden Motor elektrisch inaktiv. Ein drehender Permanentmagnetmotor kann weiterhin Spannung erzeugen. Die Auslegung des sicheren Zustands berücksichtigt daher Gegen-EMK im Leerlauf, Kurzschlussdrehmoment, Überdrehzahl, Fehlerarten des Wechselrichters und die Frage, ob eine andere Achse den kontrollierten Vortrieb aufrechterhalten kann.

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Unter Electric Motors and Drive Units finden Sie die vollständige Serie über Motoren und Antriebseinheiten.