Leibniz Research Center Energy 2050 Research Projects
FuSy - Funktionale Sicherheit von permanentmagneterregten Synchronmaschinen in Elektrofahrzeugen

FuSy - Funktionale Sicherheit von permanentmagneterregten Synchronmaschinen in Elektrofahrzeugen

Led by:  Prof. Dr.-Ing. Axel Mertens
Year:  2015
Funding:  Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Duration:  3 Jahre
Is Finished:  yes

Abb. 1: Prüfstandsdemonstrator (Quelle: Fraunhofer IFAM)

 

Bei Antriebssystemen mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen kann es in Folge von Fehlerfällen in der Maschine oder im Antriebsumrichter zu kritischen Zuständen im Antriebssystem kommen. So kann es z. B. im Feldschwächbereich zu Überspannungen an den Motorklemmen kommen. Außerdem können hohe Brems- oder Pendelmomente auftreten, die kritische Fahrsituationen auslösen können. Das Ziel des Verbundvorhabens FuSy war es daher, in Fehlerfällen das Auftreten von unerwünschten Brems- und Antriebsmomenten zu vermeiden und so die funktionale Sicherheit elektrischer Antriebssysteme mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen weiter zu erhöhen. Dazu wurden in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IFAM neuartige Konzepte zur Antriebsüberwachung und Fehlerbehandlung in Kombination mit alternativen, fehlertoleranten Antriebstopologien entwickelt und erprobt.

Zur Verbesserung der Fehlererkennung wurden am IAL neue Verfahren zur halbleiternahen Erkennung von Umrichterfehlern konzipiert und in einem Demonstrator erfolgreich getestet. Außerdem wurde eine Fehlerdetektion für Sensorfehler im Rotorlagegeber und in den Stromsensoren auf Grundlage von Beobachterstrukturen entwickelt und in die Antriebsregelung implementiert. Die Schätzwerte aus den Beobachtern können im Fehlerfall zusätzlich als redundante Sensorik verwendet werden. Die Implementierung der Fehlererkennungs- und Fehlerbehandlungsverfahren in die Motorsteuersysteme erfolgte am IFAM.

Zur optimalen Fehlerbehandlung und damit zur Vermeidung kritischer Fahrsituation wurden ergänzend dazu fehlertolerante Antriebstopologien konzipiert und untersucht. Neben der bereits im Radnabenantrieb des Frecc0 realisierten Topologie mit mehreren, voneinander elektrisch unabhängigen Dreiphasensystemen wurden auch mehrsträngige Topologien mit Einzelphasen ohne Sternpunktkopplung im Labor aufgebaut. Es konnte gezeigt werden, dass derartige Topologien neben der Fehlertoleranz die Vorteile bieten, dass bei richtigem Design höhere Leistungsdichten und eine geringere Drehmomentwelligkeit erreicht werden können. Diese Vorteile können den Nachteil der aufwendigeren Ansteuerung aufwiegen.

Beim Prüfstandsdemonstrator (Abb. 1) handelt es sich um einen Direktantrieb mit fünf unabhängigen Einzelphasen, der von einem Wechselrichter mit fünf Vollbrücken gespeist wird. Die Erkennung und Behandlung von Fehlern wurden an diesem Antriebssystem erfolgreich erprobt. Darüber hinaus konnte die Vorausberechnung des Motors durch Messungen bestätigt werden.

Abschließend wurden die Fehlererkennungssysteme im Versuchsfahrzeug Frecc0 des IFAM implementiert. Mit Hilfe von Versuchsfahrten auf einer Teststrecke konnte die Funktionsfähigkeit nachgewiesen werden (Abb. 2). Insbesondere durch die sehr gute Zusammenarbeit mit dem IFAM konnte so im Projekt FuSy ein Konzept zur weiteren Verbesserung der funktionalen Sicherheit von Antriebssystemen entwickelt und erprobt werden.

Abb. 2: Fahrzeugverhalten bei einem Winkeloffsetfehler ohne (links) und mit Fehlerbehandlung (rechts) (Quelle: LUH, IAL)

 

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