Die anderen Motoren in Elektrofahrzeug-Systemen – Teil 1

Nicht nur der reine Elektromotor in einem E-Auto ist von Bedeutung: Es geht auch um die Elektrifizierung (d. h. den Ersatz von hydraulisch oder per Keilriemen angetriebener Systeme durch E-Motoren) in elektrischen oder nichtelektrischen Antriebssystemen.

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Wenn man auf Elektrofahrzeuge zu sprechen kommt, denkt man meist an Fahrzeuge, die auf Autobahnen oder Landstraßen verkehren. Tatsächlich aber ist das Spektrum der Elektrofahrzeuge wesentlich breiter. Unter einem Elektrofahrzeug versteht man jedes Transportsystem, das von einem Elektromotor angetrieben wird (ein kombinierter Antrieb mit Elektro- und Verbrennungsmotor wird dagegen als Hybridantrieb bezeichnet).

Fasst man die Definition allerdings weiter, so geht es auch um die Elektrifizierung (d. h. den Ersatz von hydraulisch oder per Keilriemen angetriebener Systeme durch Elektromotoren) in elektrischen oder nichtelektrischen Antriebssystemen. Gerade diese Elektrifizierung erzeugt oft einen Bedarf an weiteren Leistungswandler-Subsystemen, Batteriemanagement, Batterieladesystemen (ob fahrzeugintern oder als stationäre Ladestation), Laden durch Energierückgewinnung (Rekuperation), DC-DC-Wandlern und Wechselrichtern.

Für die folgende Diskussion wollen wir uns auf die Motorregelungs-Subsysteme konzentrieren. Auch hier denkt man wahrscheinlich zunächst an die Wechselstrom-Traktionsmotoren (Asynchron-Induktions- oder Permanentmagnet-Synchronmotoren) von mehreren Kilowatt Leistung, die in großen Personenwagen, Bussen und Flottenfahrzeugen den Verbrennungsmotor ersetzen oder ergänzen. Schließlich erzeugen diese Traktionsmotoren, auch wenn es sich nur um kleine Elektrowagen handelt, das Drehmoment zur Fortbewegung des Fahrzeugs.

Die meisten Antriebssysteme erfordern eine sehr gleichmäßige Regulierung von null an und bei sehr geringen Geschwindigkeiten und sind häufig ein integraler Bestandteil der Funktion des gesamten Produkts. Aus diesem Grund werden nahezu immer Sensoren eingesetzt, die die Winkelstellung des Rotors melden. In kleinen persönlichen Transportgeräten greift man möglicherweise auf kostengünstige magnetische Hall-Sensoren zurück, während man in größeren Fahrzeugen für den Straßenverkehr auch Resolver findet.

Resolver sind analoge Absolut-Positionsgeber, die für ihre allgemeine Robustheit und ihre kompakte Bauweise bekannt sind. Sie werden mit einem Sinussignal angesteuert und geben die absolute Position des Rotors in Form zweier amplitudenmodulierter Sinussignale aus. Diese Signale können anschließend decodiert und in eine digitale Information über den absoluten Rotorwinkel umgewandelt werden, die vom digitalen Motorregler weiterverarbeitet wird.

Verbreitet wird die Resolverschnittstelle mit einem eigenständigen Resolver-Digital-Wandler (z. B. dem PGA411-Q1 von TI) implementiert. Eine andere Methode besteht darin, mithilfe von Software und programmierbaren Peripheriefunktionen die entscheidenden Ansteuerfunktionen und den A/D-Wandler in den Motorregler zu integrieren. Für die Schnittstelle sind dann nur noch wenige externe Schaltungen erforderlich. Genau diese einzigartige Fähigkeit wird von unseren Mikrocontrollern (MCUs) Delfino™ F2837x und Piccolo™ F2807x geboten.

Die Traktionsmotoren sind spektakulär und stehen dementsprechend im Rampenlicht, wenn es um Elektrofahrzeuge geht. In den folgenden Abschnitten dieses Blogs aber soll es um die übrigen Elektromotoren gehen, die ebenfalls geregelt werden müssen. Die meisten dieser anderen Motoren werden mit Niederspannung und geringen bis mittleren Strömen betrieben, sodass sie hervorragende Kandidaten für die Motorregelungs- und Antriebstechnologie von TI sind.

Der im Englischen verwendete Begriff Auxiliary Motor bezeichnet die Motoren für jene Hilfsfunktionen, die traditionell per Keilriemen (also indirekt vom Verbrennungsmotor) oder hydraulisch angetrieben wurden. Es geht hier um die Klimaanlagen-Kompressoren, Öl- und Kühlmittelpumpen, Lüfter, Gebläse, Turbolader, Verriegelungen und sogar Werkzeuge (z. B. Heber und Greifer an Landmaschinen, Gabelstaplern usw.), die künftig von Elektromotoren angetrieben werden sollen.

Die meisten dieser Anwendungen ähneln sich darin, dass sie mit geringer Spannung (12, 24 oder 48 Volt) betrieben werden und eine geringe bis mittlere Stromaufnahme (<5 A bis 50 A) aufweisen. Der Motor muss bei unterschiedlichen Belastungen verschiedene Drehzahlen und Drehmomente erzeugen. Während in einigen Motoren aus historischen Gründen noch Hall-Sensoren zum Einsatz kommen können, kommt man in den meisten Anwendungsfällen, in denen die Drehzahlen höher sind, ohne Sensoren aus, sofern die Entwickler über die notwendigen Kenntnisse im Hard- und Softwarebereich verfügen.

Interessant sind auf diesem Markt zwei Aspekte. Der erste ist, dass viele traditionelle Zulieferer solcher Subsysteme Experten im Bereich der Keilriemen- oder Hydraulikantriebe (oder gar der Motoren selbst), aber nicht unbedingt im Bereich der elektronischen Motorregelungen waren. Der zweite ist, dass viele der Elektrofahrzeug-Kunden, die bisher Motoren und Motorregelungen für diese Hilfssysteme zugekauft haben, inzwischen sondieren, ob es sinnvoll und wirtschaftlich profitabel wäre, das Design dieser Hilfs-Regelsysteme selbst zu übernehmen.

Dies gilt speziell für Unternehmen, deren Schwerpunkt bisher die Traktionssysteme waren. Auf dem Markt kommt es deshalb zu einer Verschiebung: Elektrofahrzeug-Kunden überlegen, ob sie das Design selbst vornehmen können; existierende Zulieferer suchen nach der schnellsten Regelungstechnologie, um ihr Geschäft mit Motoren und Regelungen aufrecht zu erhalten; Motorregelungs-Zulieferer aus verwandten Branchen (Geräte und Industrie) schließlich suchen nach Möglichkeiten zur Erweiterung ihres Kundenstamms, indem sie als Zulieferer tätig werden oder ihr Design-Know-how beisteuern.

Alle drei haben den gleichen Wunsch: sie wollen sensorlose Motorregelungs-Systeme für niedrige Spannungen, mit hoher Performance und hohem Wirkungsgrad rasch evaluieren und dann entwickeln und zielen damit auf eine Vielzahl möglicherweise wechselnder Motoren, die in den unterschiedlichsten Elektrofahrzeug-Anwendungen zum Einsatz kommen.

Im nächsten Teil geht es genauer um die Regelung dieser anderen Motoren.

Die anderen Motoren in Elektrofahrzeug-Systemen – Teil 2

* Chris Clearman, C2000 Product Marketing, arbeitet seit über 15 Jahren für Texas Instruments.

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