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Traktionswechselrichter und Motoren für Elektrofahrzeuge​

Traktionswechselrichter und Motoren sind das Herzstück des EV-Antriebsstrangs. Effizienzverbesserungen innerhalb dieser Teilsysteme führen direkt zu einer besseren Reichweite, Leistung und günstigeren Kosten des Fahrzeugs.​

Die Einführung von SiC-Leistungshalbleitern trägt zu einem besseren Wirkungsgrad und kompakteren Traktionswechselrichtern bei. Regelungsalgorithmen und die Bauweise des Motors werden optimiert, um anspruchsvolle Effizienz- und Kostenziele zu erreichen. ​

EV-Architekten kombinieren neue Designs des Traktionswechselrichters mit unterschiedlichen Motorkonstruktionen und schaffen so neue Hybridstrukturen, die speziell auf die Anforderungen der Elektromobilität zugeschnitten sind.

Techniken für wiederholbare Wechselrichtermessungen​

Block diagram of electric vehicle traction inverter and motor

Funktionsblöcke eines Traktionswechselrichters und Motors​.

Traktionswechselrichter und Motortechnologie​

Elektrofahrzeuge verwenden verschiedene Arten von Elektromotoren, doch bei allen müssen PWM-Spannungssignale an den Motorstator angelegt werden, um drei sinusförmige Ströme im Abstand von 120° zu entwickeln. Die Modulation des Hochspannungseingangs erfolgt üblicherweise durch Hochspannungs-IGBTs oder MOSFETs, die bei Frequenzen im Bereich von 20 bis 100 kHz schalten. Die Entwickler sind dabei stets bestrebt, den Energieverlust beim Schalten zu minimieren und gleichzeitig die Schaltzeitpunkte in einem sicheren Bereich zu halten. ​

Gate-Treiber werden von einem Mikrocontroller-Teilsystem (MCU) gesteuert und bestimmen die Zeitsteuerung der Schaltelemente. Die Steuerkreise müssen von den Hochspannungsbereichen galvanisch getrennt sein.​

Wechselrichtersteuerungen verwenden häufig DSP-Algorithmen, z. B. eine feldorientierte Regelung (Field-Oriented Control, FOC), um den PWM-Ausgang präzise zu variieren. Basierend auf dem Input des Fahrers und der aktuellen Drehzahl des Motors regelt der MCU des Wechselrichters den Winkel zwischen den Polen der direkten Achse des Läufers (D) und dem Magnetfeld oder der Quadraturachse (Q), um ein gleichmäßiges, optimales Drehmoment zu liefern. Sensoren, z. B. Encoder oder Resolver am Läufer des Motors, liefern das Rückmeldesignal zum Läuferwinkel.

Analyse kritischer Wechselrichtersignale

Für Oszilloskope und die Ingenieure, die mit ihnen arbeiten, waren Pulsdauermodulation und mehrphasige Strom- und Spannungssignale früher eine große Herausforderung. Doch diese Signale anzeigen und messen zu können, ist eine entscheidende Voraussetzung für die Optimierung von Zuverlässigkeit, Robustheit, Leistungsdichte und Effizienz eines Wechselrichters.

Die Einführung von 6- und 8-Kanal-Oszilloskopen hat es deutlich einfacher gemacht, 3-Phasen-Systeme zu untersuchen, doch für Wechselrichter werden darüber hinaus spezielle Messtechniken benötigt:

  • Die Triggerung auf PWM-Signale ist schwierig – dadurch ist es nicht so einfach, stabile, wiederholbare Messungen zu erhalten. Besonderes Augenmerk muss auf eine stabile Zeitreferenz gelegt werden.
  • Die Analyse von 3-Phasen-Systemen erfordert Spannungs-, Strom-, Winkel- und Leistungsmessungen sowohl für einzelne Phasen als auch für das Gesamtsystem. Phasordiagramme sind ideal für die Beobachtung von Größen, Winkeln und Balance.

Die IMDA-Software (Inverter, Motor and Drive Analysis) auf Oszilloskopen der Serie 4/5/6 vereinfacht die Triggerung auf PWM-Ausgänge und die Einrichtung von 3-Phasen-Messungen. Phasordiagramm-Anzeigen helfen Ihnen dabei, elektrische Probleme in 3-Phasen-Systemen visuell zu verstehen und Fehler zu beheben.

Oscilloscope measurements on traction inverter outputs

3-Phasen-Messungen von Spannung, Strom und Leistung an einem Wechselrichterausgang.

Weitere Informationen:

Weitere Informationen zur Verwendung von Phasordiagrammen auf Oszilloskopen für die 3-Phasen-Leistungsanalyse

Measuring traction inverter electrical parameters under different motor loads

Leistungsparameter-Diagramme mit über 100 Erfassungen, einschließlich Veff, Ieff, Wirkleistung, Phasendifferenz, Scheinleistung und Blindleistung.


Weitere Informationen:

Datenblatt zur Wechselrichter-Motorantriebsanalyse

Das Systemverhalten bei sich ändernden Motorlasten verstehen

Zur Optimierung von Leistungsdichte und Effizienz ist es wichtig, das dynamische Verhalten von Antrieb und Motor unter vielen verschiedenen Testbedingungen zu verstehen und zu analysieren, darunter:

  • Motorstart
  • Verschiedene Motorlasten
  • Motorstopp

Die Testzeiten können je nach Testplan zwischen einigen Sekunden und mehreren Minuten variieren. Ein Oszilloskop mit langer Aufzeichnungslänge speichert alle relevanten Informationen während des Laufs und stellt die Ergebnisse als Signalkurven und Diagramme dar. Durch die Erfassung von Hochgeschwindigkeitsdaten kann der Ingenieur einen bestimmten Bereich der Signalkurve vergrößern, um ein Problem zu ermitteln. Im Gegensatz dazu unterstützen Leistungsanalysatoren in der Regel kalibrierte 3-Phasen-Messungen, jedoch ohne Zugriff auf Daten mit hoher Abtastrate.

Einblicke in Parameter der Vektorregelung, z. B. DQ0​

Systeme aus Wechselrichter und Motor mit geschossenem Regelkreis nutzen das Rückmeldesignal für eine im Vergleich zu Systemen mit offenem Regelkreis überlegene Regelung von Drehzahl und Drehmoment. „Vektor“-Regler mit geschlossenem Regelkreis führen Echtzeitberechnungen durch, um die Winkel- und Stromrückmeldung in einfachere Variablen (D und Q) umzuwandeln, die in Echtzeit linear skaliert werden können. Die skalierten Parameter D und Q werden anschließend rücktransformiert, um den Eingang für die Modulatoren bereitzustellen, die zum Ansteuern der Schalter verwendet werden. ​

Da diese wichtigen Berechnungen tief im Regler stattfinden, ist es schwierig, D und Q im Verhältnis zu anderen Systemparametern zu untersuchen. Die IMDA-Anwendung auf den MSOs der Serie B 5/6 unterstützt eine spezielle Messung – DQ0 (Direct Quadrature Zero) –, die Ingenieuren hilft, Einblicke in Regler zu erhalten. Sie berechnet D und Q mathematisch aus den Ausgangssignalen des Wechselrichters, indem sie eine Kombination aus Park- und Clarke-Transformation anwendet. Die Ergebnisse werden als numerische Messungen und als Phasordiagramm mit einem resultierenden Vektor angezeigt. Durch die Einbeziehung des Encoderwinkels können Ingenieure DQ0-Vektoren beobachten, die bei Verwendung mit dem QEI-Indeximpuls auf die Nullposition des Läufermagneten ausgerichtet sind. Diese visuellen Werkzeuge bieten einzigartige Einblicke in die Leistung des Reglers im tatsächlichen Betrieb des Motors.

DQ0 vector control parameters measured on an oscilloscope

DQ0-Messungen verwenden Ausgangssignale für die Berechnung und Anzeige der Koeffizienten des Regelsystems​.

Measuring electric vehicle motor torque and speed with an oscilloscope

Erfassungstrends und Histogramme zeigen die Veränderung der Drehzahl an. Hall-Sensoren sind einer der unterstützten Sensortypen.​

Korrelation mechanischer und elektrischer Messungen

Um die Auswirkungen von Entscheidungen bei Elektronik und Algorithmen zu verstehen, müssen Ingenieure in der Lage sein, die mechanische Leistung des Motors mit elektrischen Messungen zu korrelieren. Winkel, Richtung, Drehzahl, Beschleunigung und Drehmoment des Motors sind entscheidend für das Verständnis der Systemleistung. Wenn Ingenieure sowohl die elektrischen Parameter am Eingang des Traktionswechselrichters als auch die mechanische Ausgangsleistung des Motors messen können, sind sie in der Lage, den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu bestimmen.

Mechanische Messungen wie Drehzahl, Richtung und Winkel hängen von Sensorsignalen ab, die vom Testgerät dekodiert und angezeigt werden müssen. Viele BLDC-Motoren sind mit eingebauten Hall-Sensoren ausgestattet, auf die über digitale oder analoge Tastköpfe zugegriffen werden kann. Andere Systeme können mit QEI-Sensoren (Quadrature Encoder Interface) arbeiten.

Drehmomentmessungen können mit einem speziellen Drehmomentsensor am Ausgang des Motors durchgeführt werden. Das Drehmoment kann auch durch Anwendung eines Skalierungsfaktors auf den Effektivwert des Stroms näherungsweise bestimmt werden.

Mit der IMDA-Software von Tektronix können Sensorsignale dekodiert werden, womit es möglich ist, Drehzahl, Beschleunigung, Richtung, Winkel und Drehmoment auf MSO-Oszilloskopen der Serien 5 und 6 B anzuzeigen.

Die Auswirkungen der Integration von Wide-Bandgap-Leistungshalbleitern verstehen

Der Übergang zu 800-V-Architekturen bietet Vorteile wie geringere Kabel- und Batteriekosten, geringere Wärmeverluste und höhere Systemeffizienz. SiC-MOSFETs ermöglichen höhere Schaltspannungen und geringere Schaltverluste, doch die klassischen, auf Siliziumhalbleitern basierenden Testpläne sind dafür nicht mehr geeignet.

Zu den wichtigsten Herausforderungen beim Testen von Wide-Bandgap-Halbleitern gehören:

  • Tastkopfmessung von Strom und Spannung bei hohen Leistungspegeln
  • Präzise Messung von High-Side-MOSFETs bei vorhandenen sehr hohen Gleichtaktspannungen​
  • Messung von Schaltverlusten mit standardisierten Tests wie Doppelimpulstests​

Tektronix bietet Lösungen zum Testen von Traktionswechselrichtern auf Basis von SiCMOSFETs, einschließlich Oszilloskopen, Hochspannungs-Differenztastköpfen, Stromtastköpfen, optisch isolierten Tastköpfen, Signalquellen und Präzisionsnetzteilen.

Double pulse testing using a function generator and oscilloscope

Die Software für Doppelimpulstests nutzt konsistente automatisierte Messtechniken für Eon- und Eoff-Messungen.


Weitere Informationen:

Erfahren Sie mehr über Doppelimpulstests

Oscilloscope system for measuring electric vehicle traction inverters

Traktionswechselrichter und Motorreferenzsystem für Elektrofahrzeuge​

Um das Design eines EV-Antriebsstrangs zu prüfen, benötigt man ein Oszilloskop, geeignete Tastköpfe, eine Signalquelle und eine Anwendungssoftware. Dieses System kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. ​

Gerät/Tastkopf/Option Menge Beschreibung
MSO58B-BW1000* 1 1 GHz, 8-Kanal-Oszilloskop
5-PRO-AUTOMOTIVE-3Y 1 Automotive-Lösungspaket, einschließlich Software-Analyseoptionen für Wechselrichter, Motor und Antrieb 5-IMDA, 5-IMDA-DQ0 und 5-IMDA-MECH sowie Dekodierung für serielle Automotive-Busse
THDP0200 3 Hochspannungs-Differenztastkopf, 200 MHz, +/-750 V
TCP0030A 3 AC/DC-Stromtastkopf, 120 MHz, 30 Aeff, zweiteilig
TLP058 1 8-Kanal-Logiktastkopf
TEKSCOPE-ULTIMATE 1 TekScope PC-Software für Offline-Analysen, einschließlich IMDA-Analyse und umfassender Unterstützung serieller Busse
TEKDRIVE-STARTER 1 TekDrive Datenspeicher-Abonnement, individuelle Stufe, Benutzerlizenz für ein Jahr

Produkte

Tektronix AFG31000 function generator

AFG31000

Die AFG31000 Serie mit der InstaView™-Technologie ist der erste High Performance AFG mit integrierten Applikationen zur Signalgenerierung, patentierter Signalüberwachung in Echtzeit und einer modernen Benutzeroberfläche.

5 series B MSO - MSO58B

MSO (Mixed-Signal-Oszilloskop) der Serie 5 B

Das MSO der Serie 5 ist ein Mixed-Signal-Oszilloskop mit einem hochauflösenden Touchscreen-Display, bis zu 8 Eingängen, 12-Bit-Analog-Digital-Wandler und einer Bandbreite von bis zu 2 GHz.

Isolierte IsoVu-Tastköpfe

Tastsysteme machen Messungen mit hoher Auflösung bei Vorhandensein von Gleichtaktsignalen oder Rauschen

6 Series B MSO Mixed Signal oscilloscope

MSO (Mixed-Signal-Oszilloskop) der Serie 6 B

Fehlerbehebung und Validierung von Hochgeschwindigkeitsdesigns mit Bandbreiten, die bei 1 GHz beginnen und bis zu 10 GHz erweitert werden können.