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Die Vorteile intelligenter Motorregelung im Elektrofahrzeug

| Autor/ Redakteur: Amanda Weise / Benjamin Kirchbeck

Mehr denn je konzentrieren sich Automobilhersteller darauf, wie sich die Eigenschaften von E-Motoren verbessern lassen. Hierbei kommt den hochintegrierten Lösungen für die Motor-Positionsregelung eine essenzielle Bedeutung zu, speziell wenn es um den Motorwirkungsgrad und die Drehmomentregelung geht.

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Im Zuge des Wachstums des Markts für Fahrzeuge mit Elektro- und Hybridantrieb wird die Forderung nach immer effizienteren und intelligenteren Motor-Positionsregelungen immer drängender.
Im Zuge des Wachstums des Markts für Fahrzeuge mit Elektro- und Hybridantrieb wird die Forderung nach immer effizienteren und intelligenteren Motor-Positionsregelungen immer drängender.
( Bild: Ricochet64 - Fotolia )

Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach energieeffizienteren Transportmitteln gehören Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu den wichtigsten Themen. Um das Potenzial und das Wachstum dieses Markts besser zu verstehen, muss man wissen, um welche Art von Fahrzeugen es in diesem Artikel eigentlich geht. In dem Report mit dem Titel „Hybrid Electric Vehicle Systems Demand Forecast 2007 to 2021” ordnet Strategy Analytics die entsprechenden Fahrzeuge in vier Kategorien ein: Mildhybrid, Vollhybrid, Plug-in-Hybrid und rein elektrische Fahrzeuge.

Die Einteilung in diese Gruppen berücksichtigt die Leistung des Elektromotors im Fahrzeug sowie die Aufgaben, für die der Motor innerhalb des Gesamtsystems zuständig ist. So klassifiziert Strategy Analytics in seinem Report ein Mildhybrid-Fahrzeug als eines mit einem Elektromotor von weniger als 20 kW Leistung, der für die Nutzbremsung verwendet wird und den Verbrennungsmotor unterstützt. Sobald man ein Verständnis für die Vor- und Nachteile eines Mildhybrids und eines reinen Elektrofahrzeugs gewonnen hat, lässt sich auch der Gesamtmarkt für Motorpositionsgeber in diesem Bereich besser verstehen. Tabelle 1 listet die Systemkategorien so auf, wie sie im Report von Strategy Analytics definiert sind und auch im weiteren Verlauf dieses Beitrags verwendet werden.

Tabelle 1. Die verschiedenen Kategorien von Elektrofahrzeugen.
Tabelle 1. Die verschiedenen Kategorien von Elektrofahrzeugen.
( Bild: Strategy Analytics )

Nachdem geklärt ist, um welche Art von Fahrzeugen es hier geht, wird tiefer in einige Marktanalysen eingestiegen. So wird ein besseres Verständnis für den potenziell adressierbaren Markt für jene Automobilhersteller erreicht, die in den auf Hybrid- und Elektrofahrzeuge entfallenden Teil ihrer Flotte investieren. Wie Tabelle 1 zu entnehmen ist, kann ein Auto einen bis vier Elektromotoren enthalten (bei vier Motoren ist jedes Rad mit einem eigenen Motor bestückt). Jeder Motor benötigt ein eigenes System für seine effiziente und sichere Ansteuerung. Solche Systeme müssen transparent sein und eine feinstufig aufgeteilte Steuerung aufweisen, damit die notwendige Drehmoment- und Motorregelung möglich ist.

Kleiner, intelligenter und kosteneffektiver

Im Zuge der Zunahme der Nachfrage auf dem Hybrid- und Elektrofahrzeugmarkt müssen die OEM weiter nach Möglichkeiten suchen, die Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge zu verbessern und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass sich die Systeme mithilfe eingebauter Diagnose-, Schutz- und Überwachungsfunktionen leichter selbst diagnostizieren können.

Um die Zukunft dieses neuen, boomenden Markts begreifen zu können, muss man einige der wichtigsten treibenden Faktoren verstehen, auf die sich die Automobilhersteller in diesem Segment konzentrieren. Als erstes ist hier zu nennen, wie wichtig es ist, dass diese Fahrzeuge über präzise Antriebssteuerungen (Umrichter) verfügen. Zweitens gilt es zu verstehen, weshalb die Integration dieser Systeme auf der Bausteinebene entscheidend für die Realisierung kleinerer, intelligenterer und kosteneffektiverer Lösungen für den Hybrid- und Elektrofahrzeugmarkt ist.

Präzisere Motorregelung

In jedem Fahrzeug, ob elektrisch oder nicht, steht der Motor im Mittelpunkt des Antriebsstrangs für den Vortrieb des Fahrzeugs. Elektrofahrzeuge benötigen insbesondere Positionsinformationen zu diesen Motoren, also Winkel- und Drehzahlangaben. Nur so lässt sich gewährleisten, dass das System effizient und präzise arbeitet. Die vom Umrichter erfassten Daten werden daraufhin aktiv für die Regelung und Überwachung der Ströme in den einzelnen Motorphasen benutzt. Über die Regelung des Motorstroms erzeugt man wiederum das Drehmoment, wobei die Drehmomentregelung bei Elektrofahrzeugen für die Anwender und die Automobilhersteller gleichermaßen kritisch ist. Hier einige der Bereiche, für die die Drehmomentregelung entscheidend ist:

  • Ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen wird beim Anlaufen des Motors und beim Befahren von Steigungen benötigt.
  • Die Drehmomentregelung ermöglicht viel Leistung bei den höheren Drehzahlen, die bei Reisegeschwindigkeit auftreten.
  • Schnelle Drehmomentreaktion bei Beschleunigungsvorgängen erfordert eine präzise Motorregelung.
  • Präzise Motor- und Drehmomentregelung erlaubt ein hohes Effizienzniveau bei der Nutzbremsung.

Wenn man das Drehmoment eines Elektromotors kennt und regelt, kann das betreffende Fahrzeug seine Leistung gleichmäßiger auf die Räder bringen. Voraussetzung für eine korrekte Drehmomentregelung ist das Wissen um die exakte Motorposition. Ist die Winkelstellung des Rotors genau bekannt und steht ein intelligentes System zur Verfügung, das auf der Basis der Motordaten Entscheidungen fällen kann, so ist das Steuerungssystem eines Elektrofahrzeugs in der Lage, das für den Fahrer verfügbare Drehmoment exakt zu berechnen. Je präziser die Regelung ist, umso besser ist die Nutzererfahrung des Fahrers in den oben aufgeführten Fahrsituationen.

Bild 1: Motorregelung und Einbindung des Positionsgebers.
Bild 1: Motorregelung und Einbindung des Positionsgebers.
( Bild: TI )

Bild 1 skizziert in allgemeiner Form das in Hybrid- und Elektrofahrzeugen verwendete Motorregelungssystem. Um einen Eindruck von der Arbeitsweise dieses Systems zu bekommen, stellen Sie sich vor, Sie als Fahrer wollten während der Fahrt die Fahrgeschwindigkeit ändern. Beim Beschleunigen oder Verzögern treibt die von der Fahrzeugbatterie gespeiste Motorregelungseinheit (Umrichter) den Motor. Ein Positionsgeber (meist ein Resolver) liest dabei die Winkelstellung des Rotors ein und bereitet diese Information so auf, dass der Mikrocontroller des Umrichtersystems sie verarbeiten kann. Sind diese Daten an den Mikrocontroller übergeben, kann die Motorregelung das Motordrehmoment je nach Situation erhöhen oder reduzieren. Die Drehzahlzunahmen oder -verringerungen werden gleich behandelt: je nach der ursprünglichen Eingabe des Anwenders wird das passende Drehmoment an das System abgegeben.

Integration

Nachdem nun die Bedeutung der Motorregelung im Antriebssystem von Hybrid- und Elektrofahrzeugen geklärt ist, wird sich mit den unterschiedlichen Ansätzen befasst, die heute auf dem Markt angewandt werden, um die Systeme zur Drehmomentregelung aufzuwerten.

Kernstück des Motorregelungssystems ist eine Umrichterplatine, die die Stromversorgung für den Mikrocontroller und die Antriebe, aber auch für die Sensorschnittstellen liefert, die zum Einlesen und Weiterverarbeiten der vom Elektromotor kommenden Informationen dienen. Damit dies möglich ist, befindet sich die Elektronik für dieses System unter der Motorhaube ganz in der Nähe des Motors. Diese Anordnung der Leiterplatte bringt eine Reihe von Herausforderungen für die Hersteller von Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit sich.

Weil der Platz im Motorraum eines jeden Autos ohnehin schon knapp ist, kommt es darauf an, dass die verwendete Lösung möglichst kompakt ist. Um dies zu ermöglichen, konzentrieren sich die Hersteller elektronischer Bauelemente auf Wege, mehr Funktionalität und noch mehr Bauelemente in einem Gehäuse zu integrieren. Derzeit kommen Automotive-Bauelemente auf den Markt, die alle Komponenten für einen bestimmten Teil des Systems (z. B. Signalkette, Kommunikation oder Stromversorgung) auf einem Chip zusammenfassen. Kombinationen solcher Chips werden dann eingesetzt, um die Motorregelung mit möglichst wenig Bauelementen implementieren zu können.

Durch die Bündelung von mehr Funktionalität und mehr Bauelementen in einem Gehäuse sind die Hersteller von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in der Lage, die Größe der Umrichterplatine zu reduzieren und die Kosten für bestimmte zusätzliche Bauelemente zu vermeiden. Kleinere und kosteneffektivere Lösungen auf der Ebene der Bauelemente stellen den OEMs Lösungen der Spitzenklasse zur Verfügung, die ohne Mehrkosten für die Anwender eingesetzt werden können.

Während der Markt zu immer mehr Integration tendiert, wird als weiterer Faktor die allgemeine Intelligenz und Konnektivität des Systems adressiert. Was bedeutet das aber genau? Wenn die im Fahrzeug verbauten Module immer komplexer werden, besteht eine Notwendigkeit für Systemdiagnosen und Health Checks, um ihre korrekte Funktion zu gewährleisten. Im Fall von Motorregelungs-Systemen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge würden Überprüfungen dieser Art dafür sorgen, dass die einwandfreien Zustände des Motors, der Ansteuerschaltungen und sogar der Positionsgeber zu bekannten Variablen werden, auf die sich das System stützen kann. Dieses Maß an Einblick in das Motorsystem gestattet eine intelligentere und schnellere Evaluierung des Antriebs im Fall etwaiger Fehler oder Probleme. Intelligentere Motorregelungen, die Statuswerte melden und eigenständig auf sie reagieren können, sind grundlegend für den Erfolg des Markts für Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

Zusammenfassung

Wie beschrieben, ist es für den Markt für Hybrid- und Elektrofahrzeuge entscheidend, dass den Systemzulieferern und Automobilherstellern intelligentere, kompaktere und kosteneffektivere Lösungen in die Hand gegeben werden. Am Beginn des zu erwartenden rapiden Wachstums dieses Marktes sind Lösungen, die in ihrer Motorregelung einen hohen Integrationsgrad aufweisen, von zentraler Bedeutung für die wachsende Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Letztendlich ist es die Bereitstellung eines leistungsfähigen Systems zu einem wettbewerbsfähigen Preis, die die Zukunft dieses Markts wirklich voranbringt.

* Amanda Weise ist Product Marketing Engineer bei Texas Instruments.

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