Drivetrain integrated Dc-Dc converters utilizing zero sequence currents

Senol, Murat; de Doncker, Rik W.; Thiringer, Torbjörn

doi:HT019745832

Drivetrain integrated Dc-Dc converters utilizing zero sequence currents

Senol, Murat^RWTH*

2017 & 2018

VerantwortlichkeitsangabeMurat Senol

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xii, 134 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 108

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
de Doncker, Rik W. (Thesis advisor)^RWTH* ; Thiringer, Torbjörn (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226170
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/729083/files/729083.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/729083/files/729083.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
48V network (frei) ; drivetrain integrated dc-dc converter (frei) ; field oriented control (frei) ; star point connection (frei) ; zero sequence current (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Revolution der E-Mobilität hat begonnen. Wo jeder große Spieler in der Autoindustrie, E-Versionen ihrer Produktlinien ankündigt, oder komplett neue elektrische Modelle baut, unterstützt durch das wachsende Bewusstsein der Konsumenten für die Umwelt und ihre Nachfrage nach nachhaltigen Transportmöglichkeiten, aller Unannehmlichkeiten zum Trotze, kann keiner die elektrische Zukunft die Transportmittel mehr bestreiten. Jedoch ist es unwahrscheinlich, dass der elektrische Antrieb den Verbrennungsmotor ersetzt, zumindest in den nächsten paar Jahrzehnten. Es wird geschätzt, dass trotz Elektrifizierung von bis zu 90% der Passagiertransportmittel bis 2030, mehr als 75% dieser Transportmittel mit einem Verbrennungsmotor versehen sein werden. Etwa die Hälfte aller hergestellten Fahrzeuge bis 2030 werden milde Hybride sein, die einen 48V Netzwerk für die Elektrifizierung des Antriebes benutzen werden. Zusammen mit der Zündungs- und der Zugleistungsasisstenzfunktion, werden die höchst stromverbrauchenden Subsysteme eines elektrischen Autos zum 48V Netzwerk abgewandert, um höhere Effizienzniveaus und niedrigere Kosten in diesen Hybriden zu erreichen. Andererseits, ist es sowohl Ökonomisch als auch Technisch vernünftiger, den Spannungsniveau der Low-Power-Electronik bei 12V zu halten. Aus diesem Grunde wird ein alleinstehender dc-dc Wandler eingesetzt, um den 12V Netzwerk zu bespeisen. Ein neuartiger Antrieb mit einer integrierten dc-dc Umrichtertopologie und einem Kontrollalgorhythmus, der den Stromtransfer zwischen dem 48V und dem 12V Netzwerk ermöglicht, wobei es den Zündungsgenerator und sein Invertor, anstatt dem alleinstehenden dc-dc Wandler, benutzt, um Kosten, Gewicht und Volumen zu sparen, wird vom Autor vorgestellt. In Anbetracht des Produktionsvolumens von milden Hybridantrieben im kommenden Jahrzehnt, kann die Auflösung des dc-dc Wandler eine massive Auswirkung in der Autoindustrie haben, nicht nur durch das Vorantreiben der Einsetzung von 48V Netzwerken in Luxusmodellen, sondern auch in günstige Serienmodellen. Der Vorschlag könnte ein Paradigmenwechseleffekt haben, was die milden Hybride angeht und türenöffnend für die kostengünstige Herstellung dieser sein. Der Antrieb mit einem integrierten dc-dc Wandler besteht aus einer Synchronmaschiene, einem konventionellen Dreiphaseninvertor und zwei zusätzliche Schaltern, die den Nullsequenzstrom in der Maschine kontrollieren. Der Nullsequenzstrom wird benutzt, um die Energie zwischen dem 48V und dem 12V Netzwerk zu transportieren. Dieser Energietransfer ist unabhängig von der Maschienengeschwindigkeit und dem Drehmoment; darum kann der integrierte dc-dc Wandler ohne jedwelche Degradierung des Maschienenbetriebsbereichs arbeiten. Diese Arbeit beweist, daß die vorgeschlagene Umrichtertopologie funktioniert und durchführbar ist. Die Resultate der Versuche, die über Prototypen, die Maschinen mit verschiedenen Statoren- und Rotorengeometrien einsetzten, erhalten wurden, zeigen dass, die Effizienz des Antriebes mit integriertem dc-dc Wandler mit einem alleinstehenden dc-dc Wandler über den gesamten Arbeitsbereich hindurch vergleichbar ist. Außerdem, entgegengesetzt des allgemein verbreiteten Missverständnisses, sättigt das Auftreten des Nullsequenzstromes weder den Kern, noch generiert es nennenswerte Verluste.

The revolution of e-mobility has begun. With virtually every major player in automotive industry announcing e-versions of their product lines, or completely new electric models, along with increasing environmental awareness and public demand shifting towards sustainable transportation despite the discomfort; no one would disagree that the future of mobility is electric. However, the electric drivetrain is unlikely to push the internal combustion engines out of the market, at least for another few decades. It is predicted that, although close to 90% of passenger vehicles manufactured in 2030 will be electrified, more than 75% of these vehicles will still carry internal combustion engines. About half of the vehicles manufactured in 2030 will be mild hybrids, employing 48V networks for the electrification of the drivetrain. Along with ignition and traction assistance functions, most power consuming subsystems of the vehicle electronics are migrated to 48V to achieve higher efficiency levels and lower costs in these mild hybrid vehicles. On the other hand, it is both economically and technically more reasonable to keep the supply voltages of the low-power automotive electronics at 12V. Therefore, a stand-alone dc-dc converter is employed to supply the 12V network. A novel drivetrain with integrated dc-dc converter topology and a control algorithm has been proposed by the author, which enables power transfer between the 48V and 12V networks using the starter-generator and its inverter instead of a stand-alone dc-dc converter to save cost, weight and volume. Considering the production volume of the mild hybrid drivetrains in the next decade, eliminating this dc-dc converter can have a massive impact on the industry, not only through accelerating the adoption of 48V networks in higher classes, but also through enabling the adoption in lower class vehicles. The proposal may have a paradigm shifting effect, which may open the doors for mild hybrids to a whole new market of low budget vehicles. The drivetrain with integrated dc-dc converter consists of a synchronous machine and a conventional three phase inverter with an additional half bridge leg, which controls the zero sequence current across the machine. The zero sequence current is utilized to transfer power between the 48V and 12V networks. This power transfer is independent of the machine speed and torque; therefore, the integrated dc-dc converter can operate without any degradation on the operation range of the machine. It is shown in this thesis that the proposed drivetrain topology is functional and feasible. Experimental results, obtained from prototypes that employ machines with different stator and rotor geometries, show that the efficiency of the drivetrain with integrated dc-dc converter is comparable to a drivetrain with a stand-alone dc-dc converter throughout the whole operating range. Furthermore, contrary to common misconception, the presence of a small amount of zero sequence current neither saturates the core, nor generates significant losses.

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