Modellprädiktive Regelung temperaturabhängiger Verluste von elektrischen Antriebssträngen in transienten Fahrzyklen

Wahl, Alexander; Andert, Jakob Lukas; Pischinger, Stefan

doi:10.18154/RWTH-2024-05291

Modellprädiktive Regelung temperaturabhängiger Verluste von elektrischen Antriebssträngen in transienten Fahrzyklen = Model predictive control of temperature-dependent losses of electric powertrains in transient driving cycles

Wahl, Alexander^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexander Wahl

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Andert, Jakob Lukas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pischinger, Stefan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05291
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/986591/files/986591.pdf

Einrichtungen

Projekte

CEVOLVER - Connected Electric Vehicle Optimized for Life, Value, Efficiency and Range (824295) (824295)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antriebsstrang (frei) ; Durchlassverluste (frei) ; Eddy Current Losses (frei) ; Effizienzerhöhung (frei) ; Elektrofahrzeug (frei) ; Elektromobilität (frei) ; Elektromotor (frei) ; Hystereseverluste (frei) ; Kupferverluste (frei) ; Längsdynamik (frei) ; Schaltverluste (frei) ; Wirbelstromverluste (frei) ; conduction losses (frei) ; copper losses (frei) ; efficiency increase (frei) ; electric mobility (frei) ; electric motor (frei) ; electric vehicles (frei) ; hysteresis losses (frei) ; longitudinal dynamics (frei) ; model predictive control (frei) ; modellprädiktive Regelung (frei) ; powertrains (frei) ; predictive data (frei) ; prädiktive Daten (frei) ; switching losses (frei) ; temperaturabhängige Wirkungsgrade (frei) ; temperature-dependent losses (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Klimawandel ist sowohl in politischen als auch gesellschaftlichen Diskussionen eines der relevantesten Themen der aktuellen Zeit. Da der Transport von Menschen und Gütern einen relevanten Anteil der CO2 Emissionen verursacht, ist es Ziel der Politik diese Emissionen durch Regularien zu senken. Eine Möglichkeit stellt hierbei ein Technologiewechsel zu Elektrofahrzeugen dar, welche jedoch weiterhin in niedrigen Stückzahlen verkauft werden. Ein Grund hierfür ist die geringe Fahrzeugreichweite mit einer Batterieladung bei Autobahnfahrten. Zur Lösung der zuletzt genannten Problematik gibt es unterschiedliche Ansätze, welche das Ziel haben die Effizienz des Fahrzeugs zu erhöhen. Eine Möglichkeit, welche bislang nur unzureichend erforscht wurde, ist die Reduktion temperaturabhängiger Verluste im Elektromotor und Inverter über eine thermische Konditionierung der Komponenten durch das Thermalsystem. Der genannte Ansatz wird daher in dieser Dissertation untersucht. Nach einer Vorstellung der Grundlagen zu temperaturabhängigen Verlustmechanismen im Elektromotor und Inverter wird der verfolgte Ansatz in das Feld bestehender Forschung eingeordnet. Anschließend wird die thermische und elektrische Modellierung von Inverter, Elektromotor und Thermalsystem erläutert. Der modellprädiktive Regler wird ebenfalls vorgestellt, mit welchem die Verluste reduziert werden. Anhand von verschiedenen Autobahn-, Landstraßen- sowie Stadtfahrten wird simulativ die mögliche Effizienzerhöhung durch Ausnutzung der Temperaturabhängigkeiten gezeigt. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Verbesserung der Langstreckentauglichkeit von Elektrofahrzeugen. Mit dem Ziel die thermische Beeinflussbarkeit der Verluste besser zu verstehen, werden die einzelnen Verlustkomponenten von Elektromotor und Inverter analysiert. Es zeigt sich, dass auf der Autobahn vor allem Einsparungen durch reduzierte AC-Kupferverluste mittels eines heißen Elektromotors möglich sind. Da der Regler das System heiß werden lässt, ergibt sich ein Effizienznachteil des Inverters. Um diesen Nachteil zu reduzieren, werden zur thermischen Entkopplung Bypässe um die Komponenten untersucht. Zwar sind hierdurch nur geringe zusätzliche Einsparungen möglich, jedoch kann die Inverteralterung durch eine Reduktion der Sperrschichttemperatur vermindert werden. Zuletzt wird der Einfluss einer ungenauen Prädiktion auf die Effizienz untersucht. Es wird gezeigt, dass der Regler robust gegenüber unscharfen Prädiktionsdaten ist und bereits bei ungenauem Wissen über das Fahrprofil hohe Effizienzgewinne erzielen kann.

Climate change is a relevant topic of current time in both political and social discussions. Since the transport of people and goods causes a significant share of CO2 emissions, it is the goal of politics to reduce these emissions through regulations. One possibility is a technology change to electric vehicles, which, however, are still only sold in small numbers. One reason for this is the low vehicle range per battery charge when driving on the highway. To solve the latter problem, there are various approaches that aim to increase the efficiency of the vehicle. One possibility, which has not been investigated in detail so far, is the reduction of temperature-dependent losses in the electric motor and inverter via thermal conditioning of the components by the thermal system. This approach is investigated in this dissertation. After presenting the fundamentals of temperature-dependent loss mechanisms in the electric motor and inverter, the state of the art is introduced. Then, the thermal and electrical modeling of the inverter, the electric motor and the thermal system is explained. The model predictive controller which is used to reduce the losses is also presented. On the basis of different highway, rural road and city drives, the possible efficiency increase by exploiting the temperature dependencies is shown by simulation. Special attention is given to the improvement of the long-distance capability of electric vehicles. With the aim of better understanding the thermal influenceability of the losses, the individual loss components of the electric motor and inverter are analyzed. It is shown that on the highway, savings are mainly possible through reduced AC copper losses by means of a hot electric motor. Since the controller lets the system heat up, there is an efficiency disadvantage of the inverter. To reduce this disadvantage, bypasses around the components are investigated for thermal decoupling. While this provides little additional savings, it can reduce inverter aging by reducing the junction temperature. Finally, the influence of inaccurate prediction data on the efficiency is investigated. From the results, it is concluded that the controller is robust to inaccurate prediction data and can achieve high efficiency gains even with coarse knowledge of the driving profile.

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