Modellierung und Simulation von elektrischen Antrieben

• Vollständiges Antriebsstrangmodell – Energiequelle, Umrichter, elektrische Maschine, Getriebe und Last
• Analyse von Wirkungsgrad, thermischem Lastzyklus, Drehmomentverhalten und Fehlerverhalten
• Machbarkeitsstudien und Anforderungsanalyse – von der Fahrzeugebene bis zu den einzelnen Komponenten
• Übergabe parametrisierter und dokumentierter Modelle

Das Modell wird einmal entwickelt und anschließend für die verschiedenen Analysen Ihres Projekts wiederverwendet. Ihr Team kann es eigenständig ausführen, anpassen und erweitern.

• PMSM (permanentmagneterregte Synchronmaschinen mit Innen- oder Oberflächenmagneten)
• Gleichstrommotoren
• Asynchronmaschinen (ASM)
• Synchronreluktanzmaschinen (SynRM)

Die Modellierungstiefe richtet sich nach der jeweiligen Fragestellung. Für PMSM verwenden wir beispielsweise dq-Modelle mit Sättigung und temperaturabhängigen Parametern, für Asynchronmaschinen schlupfabhängige Rotorparameter und für SynRM-Modelle die Berücksichtigung der magnetischen Anisotropie.
Existiert die Maschine noch nicht als Hardware, leiten wir die Parameter aus Datenblättern, FEM-Berechnungen oder Lieferantendaten ab. Dabei dokumentieren wir transparent, welche Werte gemessen und welche geschätzt wurden.

• Mittelwertmodelle für Systemanalysen
• Schaltmodelle zur Analyse von Verlusten, elektromagnetischen Störungen (EMI) und Stromwelligkeit – einschließlich Totzeiten, Modulationsstrategie und Zwischenkreisdynamik

Wir stimmen den Umrichter auch auf die elektrische Maschine ab. Schaltfrequenz, Stromgrenzen, Spannungsgrenzen und thermisches Derating der Leistungsstufe bestimmen, welche Leistung die Maschine tatsächlich bereitstellen kann. Diese Zusammenhänge werden im Modell berücksichtigt.

• Feldorientierte Regelung (FOC) / Vektorregelung
• Drehmoment-, Drehzahl- und Leistungsregelkreise
• Sensorless control techniques

Regelungsalgorithmen werden anhand der Maschinen- und Umrichtermodelle oder mithilfe von Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) geprüft, bevor sie auf der realen Hardware eingesetzt werden. Dazu gehören die Reglereinstellung, die Feldschwächung und die Auslegung von Beobachtern.

• Erstellung und Parametrierung thermischer Modelle
• Betriebsarten S1/S3 sowie Kennlinien für Nenn- und Spitzenbetrieb
• Stationäre und transiente Simulationen
• Modellierung der Kühlpfade für elektrische Maschinen und Umrichter
• Parametrierung anhand von Messdaten oder FEM-Berechnungen

Wir erstellen thermische Modelle für die elektrische Maschine, den Umrichter und die Kühlpfade. Wo entsprechende Daten vorliegen, werden die Modelle anhand von Messungen oder FEM-Berechnungen parametrisiert. Sie bilden sowohl den Dauerbetrieb als auch den Spitzenbetrieb ab, sodass die simulierten Belastungsgrenzen den tatsächlichen Grenzen der Hardware entsprechen.

• Ermittlung der Motorverluste – Eisen-, Kupfer-, Magnet- und Reibungsverluste
• Berücksichtigung von Proximity- und Skin-Effekt bei der Wechselstrom-Wicklungsresistenz
• Wirkungsgradkennfelder in Abhängigkeit von Drehmoment, Drehzahl und Temperatur
• Kurvenanpassung und Modelloptimierung

Die Verlustmodelle werden anhand von Messdaten parametrisiert und zur Erstellung von Wirkungsgradkennfeldern unter realistischen Betriebsbedingungen verwendet – nicht nur bei Nenntemperatur. Die Kennfelder fließen direkt in das Systemmodell ein und gewährleisten konsistente Wirkungsgradwerte über verschiedene Analysen hinweg.

• Leistungsreduzierung in Abhängigkeit von Rotor- und Statortemperatur
• Derating in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur des Wechselrichters
• HV AC/DC current (I²t) derating
• Derating in Abhängigkeit von der IGBT-Temperaturdifferenz
• Derating in Abhängigkeit von der PWM-Schaltfrequenz des Wechselrichters und der NTC-Temperaturmessung

Die Derating-Funktionen werden direkt in die Regelungs- und Thermomodelle integriert. Dadurch entsprechen die in der Simulation abgebildeten Grenzen denjenigen, die auch von der realen Hardware durchgesetzt werden.

• Entwicklungs- und Testprozesse mit MIL, SIL und HIL
• Entwicklung von Software unter Berücksichtigung der funktionalen Sicherheit (FuSA)
• Aufschlüsselung der Anforderungen auf Software-/Komponentenebene
• Unit-, Integrations- und Validierungstests
• Software-Projektmanagement

Die Software wird auf Basis derselben Modelle entwickelt, die auch für die Systemsimulation eingesetzt werden. Dadurch bleiben Regelungslogik, Sicherheitsfunktionen und das Verhalten des zu regelnden Systems während des gesamten Entwicklungszyklus aufeinander abgestimmt.

• Lieferantensuche und Beschaffung von Prototypen
• Organisation und Prüfung von RFI- und RFQ-Prozessen
• Machbarkeitsprüfung externer Konstruktionen und Entwicklungen
• Koordination der Prototypenfertigung

Wir unterstützen Sie bei der Beschaffung und Lieferantenkoordination – von der Identifikation geeigneter Anbieter bis zur Prüfung der gelieferten Komponenten und Ergebnisse anhand Ihrer Anforderungen.

• CAD-Konstruktion und Erstellung technischer Zeichnungen für Motorkomponenten
• Mechanische Integration in das Gesamtsystem
• Festigkeitsanalysen und FEM-Berechnungen
• Projektmanagement, Product Owner-, Scrum-Master-Unterstützung

CAD, FEM, CFD und Projektmanagement ergänzen unser Modellierungsteam. So werden mechanische und systemtechnische Entscheidungen auf derselben Datengrundlage getroffen wie die Simulationsanalysen.

• Unterstützung bei Prüfstandtests – Muster A/B/C/D, Prototypen- und Typprüfungen
• Erstellung von Design Validation Plans (DVP)
• Abgleich von Simulationsergebnissen mit Messdaten
• Berücksichtigung der Anforderungen aus ISO 26262, DO-160, DO-178C und IEC 60034-18

Die Validierung schließt den Kreis zwischen Modell und realer Hardware. Wenn Messungen von den Simulationsergebnissen abweichen, analysieren wir die Ursachen und verfeinern das Modell, bis die Ergebnisse innerhalb der vereinbarten Toleranzen übereinstimmen.