- Wie funktioniert ein Elektronische Motorsteuerung?
- Gibt es einen Unterschied zwischen einem Wechselrichter und einer elektrischen Motorsteuerung?
- Was sind die Anwendungsbereiche von elektrischen Motorsteuerungen (EMC)?
- Wie werden EMV/Umrichter speziell in Brennstoffzellensystemen eingesetzt?
- Welche Art von Elektromotorsteuerung wird in Brennstoffzellensystemen und anderen E-Fahrzeugen verwendet?
- Was sind die Herausforderungen bei der Entwicklung von Projekten, bei denen Wechselrichter für Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden?
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Wie funktioniert ein Elektronische Motorsteuerung?
Der Umrichter, der auch als Elektromotorsteuerung bezeichnet wird, ist in der Regel an eine CAN-Kommunikationsleitung angeschlossen, von der aus ein Drehmoment- oder Drehzahlsollwert angefordert wird – in der Regel von einem übergeordneten Regelkreis: Fahrzeugsteuergerät für Traktionsanwendungen oder auch Brennstoffzellensteuergerät für Brennstoffzellensysteme. Daher kann der Umrichter je nach gewählter Regelungsmethode für eine bestimmte Anwendung als Motordrehzahlregler oder als Motordrehmomentregler arbeiten.
Die Algorithmen des Wechselrichters des Brennstoffzellensystems empfangen die Drehmoment- oder Drehzahlsollwerte und wandeln sie in einen Stromsollwert für jede Phase um. Da der Umrichter darauf ausgelegt ist, den Motor unter sicheren und effizienten Bedingungen zu betreiben, berücksichtigen die Algorithmen verschiedene Eingaben, wie die Höhe der Gleichspannung, die Motorposition, die Statortemperatur und die Temperatur des Umrichters selbst.
Gibt es einen Unterschied zwischen einem Wechselrichter und einer elektrischen Motorsteuerung?
Nein, Elektronische Motorsteuerung können auch als “Wechselrichter” bezeichnet werden. Der “Wechselrichter” ist elektrisch zwischen der Hochspannungsbatterie (DC-Bus) und dem Elektromotor angeschlossen und wandelt die in der Batterie gespeicherte Energie von Gleichstrom in Wechselstrom um.
Was sind die Anwendungsbereiche von elektrischen Motorsteuerungen (EMC)?
Seit vielen Jahrzehnten sind Elektromotoren zu einer sehr beliebten Lösung für verschiedene Anwendungen in vielen Industriezweigen, in der Automobilindustrie, im Haushalt und in vielen anderen Bereichen geworden.
Seit der Einführung des Elektrofahrzeugs haben Elektromotoren eine noch größere Bedeutung erlangt, da sie ein wichtiger Bestandteil des Antriebsstrangs sind, aber auch für Hilfsanwendungen, die in jedem Fahrzeug benötigt werden: elektrische Lenkung, elektrische Bremse, elektrische Klimaanlage und andere. In Brennstoffzellensystemen sind Elektromotorsteuerungen im Luftkompressor, in der Wasserpumpe und in den Umwälzpumpen zu finden.
Diese von Elektromotoren (hauptsächlich Wechselstrommotoren) angetriebenen Elemente sind für den größten Teil des Energieverbrauchs in Fahrzeugen verantwortlich, und sie erfordern eine angemessene Steuerung, um effizient und sicher zu arbeiten.
Signal einer elektrischen Motorsteuerung
Wie werden EMV/Umrichter speziell in Brennstoffzellensystemen eingesetzt?
- Einsatz von EMS/Inverter für Luftkompressor
In Brennstoffzellensystemen ist die anspruchsvollste Anwendung, bei der ein Wechselrichter eingesetzt wird, die Steuerung des Luftkompressors. Der Luftkompressor liefert die Luft, die der Kamin für die chemische Reaktion und die Stromerzeugung benötigt. Je nach Leistung des Brennstoffzellensystems und der Anwendung können der Wechselrichter und der Elektromotor Leistungen von wenigen Watt bis zu einigen zehn Kilowatt erreichen. Daher haben Wechselrichter normalerweise einen Hochspannungs-Gleichstromeingang und benötigen einen Flüssigkeitskühlkreislauf. Je nach Größe des Kompressors kann die Drehzahl von einigen tausend Umdrehungen pro Minute bei den größten bis zu ~280.000 Umdrehungen pro Minute bei den kleinsten Kompressoren variieren. Diese Hochgeschwindigkeitsmotoren erfordern spezielle Steuerungstechniken und eine spezielle Umrichterhardware, um diesen Betriebsdrehzahlbereich zu unterstützen.
- Einsatz von EMC/Inverter für Wasserpumpen:
Wasserpumpen werden in Brennstoffzellensystemen eingesetzt, um die bei der chemischen Reaktion entstehende Wärme abzuführen und die Systemtemperatur zu steuern. In Brennstoffzellensystemen gibt es mindestens zwei Kühlmittelkreisläufe: den Kreislauf der Leistungselektronik und den Stack-Kreislauf.
Der Kreislauf der Leistungselektronik ist für die Kühlung der Komponenten der Leistungselektronik wie Wechselrichter, Luftkompressor und andere Elemente bestimmt, während der Stack-Kreislauf nur für die Kühlung dieser einen Komponente (des Stacks) vorgesehen ist. Der Stack-Kreislauf benötigt deionisiertes Wasser und muss daher von anderen Elementen (insbesondere der Leistungselektronik) getrennt werden. Für das Kühlmittel müssen Ionenfilter verwendet werden.
- Einsatz von EMC/Inverter für Umwälzpumpen:
Im Brennstoffzellensystem wird die Rezirkulationspumpe verwendet, um den überschüssigen Wasserstoff, der im Stack nicht reagiert hat, wieder in die Wasserstoffeinlassleitung des Stacks zurückzuführen. Dieser überschüssige Wasserstoff wird rekuperiert, und die Pumpe hat die Aufgabe, ihn zurück zum Einlass zu drücken, damit er verbraucht und Strom erzeugt werden kann. Um dies zu ermöglichen, müssen der Motor und der Wechselrichter der Pumpe genügend Strom erzeugen, um den Wasserstoff auf einen absoluten Druck von 1 bar bis 2 bar hinter dem Stack zu bringen.
Welche Art von Elektromotorsteuerung wird in Brennstoffzellensystemen und anderen E-Fahrzeugen verwendet?
Es gibt viele Arten von Elektromotorsteuerungen, da sie für die Steuerung verschiedener Motortypen konzipiert sind. Für Brennstoffzellensysteme und EV-Anwendungen werden drei Haupttypen von Elektromotorsteuerungen verwendet:
- 3-Phasen-Motorsteuerung
- 6-Phasen-Elektromotorsteuerung
- Elektromotorsteuerung für Kühlsysteme
Was ist ein dreiphasiger elektrischer Motorregler?
Dieser Motorsteuerungs-Typ kann 3-Phasen-Motoren steuern. Solche Wechselrichter werden für Anwendungen von einigen hundert Volt bis hin zu 800 Volt eingesetzt. Typischerweise kann der Leistungsbereich auch von einigen Kilowatt bis zu 250 KW reichen. Sie werden verwendet für:
- E-Drive-Anwendungen (Personenkraftwagen, leichte/mittlere Nutzfahrzeuge)
- Brennstoffzellen-Luftkompressoren
- E-Turbo (elektrisch unterstützter Turbokompressor)
- Pumpen – Lenksysteme, Bremssysteme, Luftkühlungssysteme, Kühlmittelsystem.
Was ist ein sechsphasiger elektrischer Motorregler?
Elektromotorsteuerungen mit sechsphasigen Ausgängen werden normalerweise für Traktionsanwendungen verwendet, bei denen ein höherer Strom benötigt wird. Die Motoren, die einen sechsphasigen Wechselrichter benötigen, verwenden normalerweise Parallelwicklungen oder offene Wicklungstopologien. Der Spannungsbereich für diesen Motortyp reicht ebenfalls von Niederspannungsanwendungen bis hin zu Leistungen von 400-500 kW. Diese Arten von Elektromotoren haben in der Regel einen niedrigeren Drehzahlbereich und ein höheres Drehmoment im Vergleich zu Drehstrommotoren.
Wie unterscheiden sich elektrische Motorsteuerungen in Kühlsystemen?
Luftgekühlte Systeme: Luftgekühlte Systeme benötigen ein größeres Volumen, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten, und haben folglich eine geringere Leistungsdichte. Normalerweise wird diese Lösung für Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf oder wenn Kostenerwägungen Vorrang vor der Systemleistung haben, gewählt.
Flüssigkeitskühlung: Flüssigkeitsgekühlte Systeme lassen sich besser integrieren, da sie bei einer bestimmten Leistung kompakter sind. Dies ist die beliebteste Lösung für Standard-Automobil- oder Schwerlastanwendungen.
Was sind die Herausforderungen bei der Entwicklung von Projekten, bei denen Wechselrichter für Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden?
Aus Sicht der Systemintegration gibt es immer viele Elemente und Komponenten, die miteinander verbunden werden müssen, damit sie “funktionieren”. Konkret verfügt der Wechselrichter über zahlreiche Schnittstellen:
- Mechanisch
- Hydraulisch
- Elektrisch (HV & LV)
- Kommunikation mit übergeordneten Steuereinheiten
- Regelkreis zur Steuerung des Elektromotors
All diese Wechselrichter-“Berührungspunkte” sind eine Herausforderung für jeden Systemintegrator, da er nicht nur diese Komponente, sondern auch viele andere gleichzeitig in ein Fahrzeug oder ein größeres System integrieren muss.
Um diese Probleme zu überwinden und den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Entwicklung zu reduzieren, ist es sehr wichtig, mit einem Entwicklungspartner zusammenzuarbeiten, der nicht nur über Fachwissen über Umrichter und Motoren verfügt, sondern auch die endgültige Anwendung und die Betriebsszenarien, denen das Gesamtsystem ausgesetzt sein wird, versteht. Es ist daher von größter Bedeutung, mit einem Partner zusammenzuarbeiten, der eine schlüsselfertige Lösung anbieten kann. Diese Lösung sollte Tools zur Erleichterung der Kalibrierung und der Fahrzeugintegration durch Selbstkalibrierungsroutinen oder OTA-Software-Updates (Over-the-Air) umfassen.
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EPowerlabs wurde aus der Vision heraus geboren, einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Welt zu leisten, indem es Dienstleistungen anbietet, die den Akteuren der Branche helfen, die Einführung der Elektromobilität zu beschleunigen. Das Team setzt sich aus einer Gruppe von Ingenieuren zusammen, die in führenden Unternehmen der Automobilbranche umfassende Kenntnisse erworben haben. Das Unternehmen hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese Erfahrung durch maßgeschneiderte, flexible und effektive Dienstleistungen mit seinen Kunden zu teilen. EPowerlabs hat eine Vielzahl von eingebetteter Hardware entwickelt, um die spezifischen Anforderungen jedes Projekts zu erfüllen. Von kleinen Motorsteuerungen für Fahrräder und Mopeds in verschiedenen Leistungsbereichen bis hin zu Entwicklungen für die Automobilindustrie mit Wechselrichtern bis zu 150 kW.
Letzte Aktualisierung: 6.6.2022