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Bibliographic Metadata

Title
Evaluation and application of an emulator for electrical machines in the development of electric and hybrid vehicles
AuthorUebener, Stefan
ExaminerBöcker, Joachim ; Ament, Christoph
Published2015
Institutional NotePaderborn, Univ., Diss., 2014
Annotation
Tag der Verteidigung: 01.12.2014
Defended on2014-12-01
LanguageGerman ; English
Document TypesDissertation (PhD)
URNurn:nbn:de:hbz:466:2-15582 
Files
Evaluierung und Anwendung eines Emulators für elektrische Maschinen in der Entwicklung von Elektro- und Hybridfahrzeugen [19.77 mb]
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Classification
Abstract (German)

Als Testumgebungen für Antriebsumrichter gehören "Hardware-in-the-Loop"-Systeme (HiL) und Lastprüfstände zum Stand der Technik. Eine alternative Testumgebung stellt ein sogenannter E-Maschinen-Emulator dar, bei dem die Leistungsflüsse einer permanenterregten Synchronmaschine physikalisch nachgebildet werden, wobei allerdings vollständig auf bewegliche mechanische Teile verzichtet wird. Kern des Emulators ist, neben einer schnell schaltenden Leistungselektronik, ein echtzeitfähiges, frei parametrierbares E-Maschinenmodell. Die in der Automobilindustrie eingesetzten hoch ausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit vergrabenen Magneten (IPMSM) weisen deutliche Sättigungseffekte und Oberschwingungen in den Strömen und Spannungen auf, die von einfachen E-Maschinen-Modellen nicht abgebildet werden können. Zur konsequenten Weiterentwicklung werden in dieser Arbeit zunächst verschiedene Modellierungsansätze, die diese Einschränkungen nicht besitzen, untersucht und bewertet. Als guten Kompromiss zwischen Abbildungstreue, Implementierungsaufwand und Echtzeitfähigkeit hat sich ein modifiziertes Gesamtflussmodell erwiesen, das sowohl Eisen-Sättigungseffekte als auch Oberschwingungen in der EMK mit guter Genauigkeit abbilden kann. Ein Umrichterprüfstand mit einem E-Maschinen-Emulator wurde anschließend in der Hybridfahrzeugentwicklung der Daimler AG in Sindelfingen aufgebaut. Der Vergleich zwischen Last-Prüfstand und E-Maschinen-Emulator hat gezeigt, dass der Emulator das reale Verhalten einer IPMSM mit sehr guter Genauigkeit sowohl im geregelten als auch im ungeregelten Betrieb nachbilden kann. Nach der Validierung der Abbildungstreue des Emulators im Vergleich zur realen Maschine folgen einige praktische Anwendungen, in denen ein Emulator wesentliche Vorteile gegenüber einem konventionellen Lastprüfstand bietet.

Abstract (English)

Test environments for inverters like hardware-in-the-loop-systems (HiL) and dyno test benches are state of the art. An alternative test environment represents a so-called electric machine emulator, in which the power flow of a permanent-magnet synchronous machine are simulated physically, but completely without any moving mechanical parts. The core of the emulator is, in addition to a fast-switching power electronics, a real-time, freely configurable electric machine model. The highly utilized permanent magnet synchronous machines with buried magnets (IPMSM) used in the automotive industry have distinct saturation effects and harmonics in the currents and voltages, which cannot be reproduced by simple models. Initially different modeling approaches were investigated and evaluated, which do not have these restrictions. As a good compromise between emulation accuracy, implementation complexity and real-time capability, a modified flux linkage model turned out, which could simulate iron saturation effects and harmonics in the EMF with good accuracy. A drive inverter test bench with an electric machine emulator was constructed in the hybrid vehicle development at the Daimler AG in Sindelfingen. The comparison between the dyno test bench and e-machine emulator has shown that the emulator can reproduce the real behavior of an IPMSM with very good accuracy in the active and passive operating mode. After the emulation performance of the emulator has been validated in comparison to the real machine, some practical applications, in which an electric machine emulator offers significant advantages against a conventional dyno test bench, follows in the last chapter of this thesis.