Neue Regelungsstrategie steigert Effizienz von Elektrofahrzeugmotoren
Im unermüdlichen Streben nach größerer Reichweite und höherer Effizienz für Elektrofahrzeuge hat eine bahnbrechende Studie der Shandong Universität eine neuartige Regelungsstrategie enthüllt, die signifikante Verbesserungen der Motorleistung verspricht. Diese Forschung, geleitet vom Doktoranden Bingdong Wang unter der Anleitung von Professor Daohan Wang, führt einen innovativen Ansatz ein, um das Drehmoment zu maximieren und gleichzeitig Kupferverluste in einer speziellen Art von permanenterregtem Synchronmotor (PMSM) zu minimieren. Die in den renommierten Transactions of China Electrotechnical Society veröffentlichten Ergebnisse könnten den Weg für eine neue Generation effizienterer und leistungsstärkerer Elektrofahrzeugantriebe ebnen.
Das Herzstück dieser Innovation liegt in einem einzigartigen Motordesign, das als AC-Flussregelungs-Permanentmagnet-Synchronmotor (ACFR-PMSM) bekannt ist. Im Gegensatz zu konventionellen Motoren, die in den meisten heutigen Elektrofahrzeugen zu finden sind und auf eine einzige Magnetfeldquelle – entweder Permanentmagnete oder elektrische Wicklungen – angewiesen sind, verwendet der ACFR-PMSM eine anspruchsvolle Dual-Feld-Architektur. Dieses Design zeichnet sich durch zwei distincte aber miteinander verbundene Wicklungssätze aus: eine standardmäßige Radialwicklung und eine zusätzliche Axialwicklung, die am Rotorende montiert ist. Diese Wicklungen arbeiten unabhängig voneinander, jede gesteuert durch ihren eigenen dedizierten Wechselrichter, was ein System mit unvergleichlicher Flexibilität schafft.
Traditionelle PMSMs, obwohl bei niedrigen Geschwindigkeiten aufgrund ihrer starken Permanentmagnete hocheffizient, stoßen bei hohen Geschwindigkeiten auf eine kritische Einschränkung. Um zu verhindern, dass die Gegenelektromotorische Kraft (back-EMF) die Batteriespannung überschreitet und das System beschädigt, müssen Ingenieure das Magnetfeld „schwächen“. Dies wird typischerweise durch das Einprägen eines negativen Stroms in die d-Achse des Motors erreicht, ein Prozess, der als Schwachfeldregelung bekannt ist. Diese Methode hat jedoch einen hohen Preis: Sie reduziert drastisch die Fähigkeit des Motors, Drehmoment zu erzeugen, was zu einem schmalen Konstantleistungs-Geschwindigkeitsbereich führt. Für einen Elektrofahrzeugfahrer bedeutet dies ein Fahrzeug, das bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit gut performt, dann aber einen starken Abfall der Beschleunigung erfährt, was seinen Gesamtnutzen und seine Effizienz auf Autobahnen einschränkt.
Der ACFR-PMSM bietet eine grundlegend andere Lösung für dieses Problem. Sein Hauptvorteil ist das, was die Forscher als „magnetische Fluss-Koregulierung“ beschreiben. Wenn der Motor mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden muss, kann die Radialwicklung verwendet werden, um das Hauptmagnetfeld zu schwächen, genau wie bei einem traditionellen Motor. Aber hier geschieht das Magische: Anstatt die magnetische Energie einfach zu dissipieren, nutzt der ACFR-PMSM seine unabhängige Axialwicklung, um aktiv zu kompensieren. Durch Anpassen des Stroms in der Axialwicklung kann der Motor einen sekundären magnetischen Pfad verstärken. Dies erhält nicht nur die Leistung aufrecht; es leitet effektiv den magnetischen Fluss um, der sonst während der Schwächung verloren gehen würde. Das Ergebnis ist ein deutlich breiterer Konstantleistungs-Betriebsbereich, der es dem Elektrofahrzeug ermöglicht, eine hohe Leistung über ein viel breiteres Geschwindigkeitsspektrum aufrechtzuerhalten, ohne die Effizienz zu opfern. Die Forscher vergleichen diesen Prozess treffend mit „Blockade in Fluss verwandeln und Leckage in Nutzen umformen“, eine Metapher, die die elegante Effizienz des Systems einfängt.
Dieses komplexe Zusammenspiel zwischen den radialen und axialen Magnetfeldern bietet sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung. Die primäre Chance ist das Potenzial für dramatisch verbesserte Leistung. Die Herausforderung jedoch ist die Kontrolle. Mit zwei Wicklungssätzen, die jeweils Ströme mit mehreren Komponenten (d-Achse und q-Achse) führen können, ist die Anzahl der möglichen Regelungskombinationen enorm. Einfach die klassische „id=0“-Regelungsstrategie anzuwenden – eine gängige Methode zur Maximierung des Drehmoments pro Ampere in einfachen PMSMs – ist unzureichend. Sie scheitert daran, das volle Potenzial der Dual-Feld-Struktur des Motors auszuschöpfen und optimiert nicht für das ultimative Ziel der Elektrofahrzeughersteller: maximale Effizienz.
Um das wahre Potenzial des ACFR-PMSM zu erschließen, entwickelten Bingdong Wang und sein Team einen revolutionären Regelungsalgorithmus namens Maximum Torque Per Copper Loss (MTPCL)-Regelung. Das Ziel von MTPCL ist trügerisch einfach: Für jede gegebene Menge an elektrischem Strom (der direkt mit Kupferverlusten und Wärmeentwicklung korreliert), die absolute maximale Menge an mechanischem Drehmoment produzieren. Kupferverluste sind eine Hauptquelle für Ineffizienz in Elektromotoren, da sie wertvolle elektrische Energie in verschwendete Wärme umwandeln. Durch die Minimierung dieser Verluste für jede produzierte Drehmomenteinheit erhöht die MTPCL-Strategie direkt die overall Effizienz des Antriebsstrangs, was wiederum die Reichweite des Fahrzeugs verlängert.
Dieses optimale Gleichgewicht zu erreichen, ist ein außerordentlich komplexes mathematisches Problem. Der Gesamtdrehmomentausgang des ACFR-PMSM ist nicht nur die Summe der Drehmomente aus den radialen und axialen Teilen; es ist eine dynamische Interaktion, die von der Kreuzkopplung ihrer Magnetfelder beeinflusst wird. Das Einprägen eines Stroms in eine Wicklung beeinflusst die magnetische Umgebung der anderen. Daher muss die Regelungsstrategie das gesamte System ganzheitlich betrachten, nicht als zwei separate, zusammengeschraubte Motoren.
Um dies zu lösen, setzte das Team der Shandong Universität fortschrittliche Optimierungstechniken ein. Zunächst konstruierten sie ein umfassendes mathematisches Modell des ACFR-PMSM, das seine nichtlineare, multivariable Natur erfasste. Dieses Modell beinhaltete detaillierte Gleichungen für Spannung, magnetischen Flussverkettung, elektromagnetisches Drehmoment und Bewegung, alles innerhalb eines dualen dq-Achsen-Koordinatensystems, das es ihnen ermöglichte, die radialen und axialen Komponenten gleichzeitig zu analysieren. Aus diesem Modell leiteten sie eine Formel für die gesamten Kupferverluste des Motors ab, basierend auf den Strömen, die durch alle vier Wicklungskomponenten fließen (radial-d, radial-q, axial-d und axial-q).
Der Kern ihres MTPCL-Algorithmus besteht darin, die präzise Kombination dieser vier Ströme zu finden, die das Drehmoment für einen gegebenen Kupferverlust maximiert. Dies ist ein constrained Optimization-Problem, begrenzt durch die physikalischen Fähigkeiten der Wechselrichter und die thermischen Grenzen der Wicklungen. Die Forscher bewältigten dies mit der Lagrange-Multiplikatoren-Methode, einem mächtigen Werkzeug aus der Analysis, designed um Maxima und Minima von Funktionen unter Nebenbedingungen zu finden. Diese Methode ermöglichte es ihnen, einen Satz von Gleichungen abzuleiten, deren Lösungen die „optimale Stromtrajektorie“ repräsentieren – eine Karte, die dem Regler genau sagt, wie viel Strom er für jedes gewünschte Drehmomentniveau an jede Wicklungskomponente senden soll.
Um die Genauigkeit ihrer theoretischen Berechnungen sicherzustellen, führte das Team einen rigorosen Validierungsprozess durch. Sie implementierten eine brute-force „Stromauswahl-erschöpfende Methode“, die systematisch Millionen von möglichen Stromkombinationen innerhalb der Betriebsgrenzen testete. Für jede Kombination berechneten sie das resultierende Drehmoment und den Kupferverlust und identifizierten dann diejenigen, die das beste Drehmoment-Verlust-Verhältnis boten. Die Ergebnisse dieser rechenintensiven Simulation wurden dann mit den von der Lagrange-Multiplikatoren-Methode vorhergesagten Trajektorien verglichen. Die enge Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden diente als robuste Verifizierung der Korrektheit des Algorithmus und verlieh ihren Ergebnissen erhebliche Glaubwürdigkeit.
Mit der vollständig definierten MTPCL-Regelungsstrategie war der nächste Schritt, sie in der realen Welt zu testen. Das Team verließ sich nicht allein auf Simulationen; sie unternahmen den crucialen Schritt, einen physischen Prototyp zu bauen. Der Bau eines Motors mit einer so komplexen radial-axialen Struktur stellte erhebliche Fertigungshürden dar, insbesondere bei der Sicherstellung der präzisen Ausrichtung der Statorbleche und der Integrität des Rotors. Dennoch fabricierten sie erfolgreich einen 200-Watt-ACFR-PMSM-Prototypen mit sechs Polen und 36 Nuten. Zur Steuerung bauten sie zwei speziell designede Wechselrichter, einen für die Radialwicklung und einen für die Axialwicklung, und schufen so einen vollständigen, funktionalen Teststand.
Diese experimentelle Plattform wurde verwendet, um eine Reihe rigoroser Tests durchzuführen, die die neue MTPCL-Regelung mit der konventionellen double-id=0-Regelung verglichen. Die Ergebnisse waren überzeugend. In Bezug auf die dynamische Performance – wie schnell und reibungslos der Motor auf Änderungen der Geschwindigkeits- und Lastbefehle reagierte – performte die MTPCL-Regelung auf Augenhöhe mit der traditionellen Methode. Es gab keine Kompromisse bei Reaktionsfähigkeit oder Stabilität, ein kritischer Faktor für Fahrbarkeit und Sicherheit in einem realen Fahrzeug.
Der echte Unterschied zeigte sich bei der Betrachtung der Effizienz. Unter verschiedenen Lastbedingungen, vom leichten Cruisen bis zur Vollgas-Beschleunigung, demonstrierte der MTPCL-gesteuerte Motor durchweg geringere Kupferverluste. Die Daten zeigten einen klaren Trend: Mit zunehmendem erforderlichen Drehmoment wurde der Effizienzvorteil der MTPCL-Strategie noch ausgeprägter. Beim Nenndrehmoment des Motors von 2,0 Newtonmetern betrug die Reduktion der Kupferverluste bemerkenswerte 12,93 %. Diese Zahl ist nicht nur eine Labor-Kuriosität; sie repräsentiert eine greifbare Verbesserung, die sich in mehrere zusätzliche Meilen Reichweite für ein Elektrofahrzeug über einen typischen Fahrzyklus übersetzen könnte.
Ein tiefer Einblick in die zugrundeliegende Physik enthüllte, warum die MTPCL-Strategie so gut funktioniert. Unter der klassischen id=0-Regelung sind nur die q-Achsen-Ströme aktiv, die Drehmoment produzieren, aber nichts tun, um die internen Magnetfelder zu optimieren. Im Gegensatz dazu verwendet die MTPCL-Regelung strategisch negative d-Achsen-Ströme in beiden Wicklungen, der radialen und der axialen. Dies mag kontraintuitiv erscheinen, da ein negativer d-Achsen-Strom typischerweise das Feld entmagnetisiert und das Drehmoment reduziert. Aufgrund der einzigartigen gekoppelten Struktur des Motors hat diese Aktion jedoch einen synergetischen Effekt. Der Schwachfeldstrom in der Radialwicklung bereitet den Hauptpfad für Hochgeschwindigkeitsbetrieb vor, während der Schwachfeldstrom in der Axialwicklung tatsächlich die Kopplung verstärkt und den Beitrag der Radialwicklung erhöht. Das Nettoergebnis ist ein signifikanter Schub im von der Radialpartie erzeugten Drehmoment, der jeden kleinen Drehmomentrückgang von der Axialpartie mehr als kompensiert. Es ist ein Meisterstück des System-Level-Engineerings, bei dem ein lokaler „Verlust“ zu einem globalen Gewinn führt.
Diese Forschung der Shandong Universität repräsentiert einen signifikanten Sprung nach vorn in der Elektromotorentechnologie. Während Hybrid-Erregungsmotoren bereits zuvor erforscht wurden, oft unter Verwendung von DC-Wicklungen zur Feldregelung, ist die Verwendung einer unabhängigen AC-Wicklung für die dynamische Flussregelung beim ACFR-PMSM ein key differentiator. Es transformiert die Hilfswicklung von einem passiven Regler zu einem aktiven Teilnehmer an der Leistungsproduktion und ermöglicht ein Maß an Leistungsverfeinerung, das bisher unerreichbar war.
Die Implikationen für die Automobilindustrie sind substantial. Während sich Elektrofahrzeuge weiterentwickeln, verlagert sich der Fokus vom einfachen Ersetzen des Verbrennungsmotors hin zum Neuentwerfen des gesamten Antriebsstrangs. Effizienz ist paramount, nicht nur für die Reichweitenverlängerung, sondern auch für die Reduzierung von Batteriegröße, -gewicht und -kosten. Die MTPCL-Regelungsstrategie für den ACFR-PMSM bietet einen klaren Pfad zur Erreichung dieser Ziele. Sie demonstriert, dass durch die Annahme komplexerer, integrierter Designs und die Entwicklung ebenso anspruchsvoller Regelungsalgorithmen Ingenieure mehr Leistung aus jeder in der Batterie gespeicherten Wattstunde Energie herausholen können.
Während der aktuelle Prototyp bescheidene 200 Watt leistet, sind die Prinzipien skalierbar. Die fundamentale Architektur und Kontrolllogik kann auf größere, leistungsstärkere Motoren angewendet werden, die für Personenkraftwagen und Nutzfahrzeuge geeignet sind. Das Forschungsteam räumt ein, dass es noch technische Hürden zu überwinden gilt, wie das Management des Drehmomentwelligkeit und die Perfektionierung des Fertigungsprozesses für die Massenproduktion. Die erfolgreiche Demonstration des Konzepts, gestützt durch sowohl Simulation als auch harte experimentelle Daten, bietet jedoch eine solide Grundlage für zukünftige Entwicklung.
Zusammenfassend präsentiert die Arbeit von Bingdong Wang, Daohan Wang, Xiaoji Wang, Guangsheng Xu und Xiuhe Wang eine compelling Vision für die Zukunft des elektrischen Antriebs. Durch die geniale Kombination einer neuartigen Motortopologie mit einer mathematisch rigorosen Regelungsstrategie haben sie ein System geschaffen, das mehr ist als die Summe seiner Teile. Ihre Forschung, veröffentlicht in den Transactions of China Electrotechnical Society, steht als ein Beweis für die Kraft der Innovation bei der Bewältigung der Kernherausforderungen nachhaltiger Transportation.
Bingdong Wang, Daohan Wang, Xiaoji Wang, Guangsheng Xu, Xiuhe Wang, School of Electrical Engineering, Shandong University, Transactions of China Electrotechnical Society, DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230602