Energieoptimale Regelung von permanenterregten Synchronmaschinen mit Z-Source Inverter in elektrischen Fahrantrieben

In den letzten Jahrzehnten kehrte in Straßenfahrzeugen eine stetig steigende Elektrifizierung des Antriebstranges ein. Dabei wird die Hauptantriebsleistung immer mehr durch Elektroantriebe erbracht. Die für die Traktion erforderliche elektrische Energie wird bei Straßenfahrzeugen zumeist in Hochvolt-Batterien gespeichert. Sie weisen eine wesentlich geringere Leistungsdichte auf als fossile Brennstoffe. Darum ergibt sich für Straßenfahrzeuge die Notwendigkeit eines energieeffizienten Antriebsstranges, da bei der Wandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie möglichst geringe Verluste anfallen sollen. Somit wird die erzielbare Reichweite des Fahrzeugs maximiert. Eine Verbesserung der Effizienz von elektrischen Fahrzeugantrieben wird durch eine günstige Wahl der Antriebstopologie, eine energieoptimierte Steuerung der leistungselektronischen Baugruppe und einer energieoptimierten Regelung des Fahrmotors erzielt. In der vorliegenden Arbeit werden die drei Ansatzpunkte für einen Antrieb mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit einem ausgeprägten Reluktanzeffekt beleuchtet. Als Stellglied wird mit dem Z-Source Inverter ein hochsetzender Antriebswechselrichter gewählt. Für einen energieeffizienten Betrieb des Wechselrichters wird ein energieoptimales Pulsmuster entwickelt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Wechselrichter möglichst geringe Gesamtverluste aufweist. Die variabel einstellbare Zwischenkreisspannung des Z-Source Inverters wird in der Regelung des Fahrmotors als zusätzlicher Freiheitsgrad genutzt, um die Gesamtverluste des Antriebssystems zu minimieren. Die Ergebnisse werden mit alternativen Antriebstopologien verglichen.