SynRMs könnten den Markt für Elektrofahrzeuge verändern

Der Verzicht auf Seltenerdmagnete verbessert die Nachhaltigkeit von Elektrofahrzeugen

Durch die flächendeckende Einführung von Elektrofahrzeugen könnten kohlenstoffhaltige Abgasemissionen der Vergangenheit angehören. Doch mit der Produktion dieser Fahrzeuge wurde ein Umweltproblem gegen ein anderes eingetauscht. Zwar produzieren Elektrofahrzeuge selbst keine Treibhausgase, doch beim Abbau und der Verarbeitung der für die Herstellung ihrer Batterien und Elektromotoren benötigten Rohstoffe entsteht eine beträchtliche Menge davon. Hinzu kommt, dass die branchenübergreifende Nachfrage nach diesen Rohstoffen die Kosten für die Herstellung von Elektrofahrzeugen weiter in die Höhe treibt, was zu Preisen führt, die für viele Verbraucher unerschwinglich sind.

Im treffend benannten Projekt VEHICLE versuchen Forscher von INSA de Strasbourg und ICube Laboratory in Frankreich diese Probleme mit einer Technologie zu lösen, die außerhalb der Automobilindustrie weit verbreitet ist: einem Elektromotor namens Synchron-Reluktanzmaschine oder SynRM. Ein für den Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen optimierter SynRM, der traditionell in Anwendungen von der Robotik bis zu Holzschleifern eingesetzt wird, könnte in Zukunft für nachhaltigere und erschwinglichere Elektrofahrzeuge sorgen.

Derzeit ist die permanenterregte Synchronmaschine (PMSM) der Motor der Wahl in der Elektrofahrzeugindustrie, der etwa 84 % des Marktes für Elektrofahrzeuge ausmacht. Doch die Magnete, die dieser Technologie zugrunde liegen, sind auf seltene, aus der Erde geförderte Materialien angewiesen. Damit wird ein Nachhaltigkeitsproblem gelöst, indem ein neues geschaffen wird. Diese Materialien sind auch für elektronische Produkte sehr gefragt und ihre Preise steigen ständig. In Antriebssträngen von Elektrofahrzeugen werden auch andere Motortypen verwendet, beispielsweise Induktionsmotoren und Rotorsynchronmotoren. Ihre Effizienz und Gesamtleistung reichen jedoch nicht an die von PMSMs heran.

Abbildung eines Autos mit SynRM, 12-V-Batterie, DC/AC-Wandler, DC/DC-Wandler und Batterie.

Vereinfachte Antriebsarchitektur für Elektrofahrzeuge, angetrieben durch SynRM. (Bildquelle: Dr. Yakoub Saadi)

Das hauptsächlich von der Europäischen Union finanzierte VEHICLE-Projekt zielt darauf ab, die Betriebskosten eines Elektrofahrzeugs zu senken, indem es neben der Entwicklung eines für Elektrofahrzeuge geeigneten SynRM auch die Batterieleistung und die Energiespeicherung verbessert. Das VEHICLE-Projekt wird gefördert durch das INTERREG V Oberrhein-Programm und von den deutsch-französischen regionalen Partnern der Initiative „Wissenschaftsoffensive“ – der Region Grand Est, Baden-Württemberg und Rheinland-Pfalz –, die grenzüberschreitende Exzellenzforschungsprojekte finanzieren.

Alte Maschine, neue Lösung

Tedjani Mesbahi, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik am INSA de Strasbourg, arbeitet seit Jahren an diesem Problem. Mesbahi begann seine Forschungen zur Elektromobilität als Teil eines Forschungs- und Innovationsteams beim Automobilzulieferer Valeo und im L2EP Laboratory der Universität Lille. Dort arbeitete er an der Entwicklung eines verbrauchsarmen Benzin-Elektro-Hybridautos. Später wechselte er von Industrieprojekten in die Wissenschaft am INSA de Strasbourg und dem ICube Laboratory, wo er an der Optimierung des Antriebsstrangs für Elektrofahrzeuge mitarbeitete.

Da keine Permanentmagnete verwendet werden, die Kosten geringer sind und eine ordentliche Leistung erbracht wird, stellt der SynRM einen Kompromiss zwischen PMSMs und Rotor-Synchron- oder Induktionsmotoren dar.

„Als ich zum INSA de Strasbourg kam, arbeiteten meine Kollegen an einem anderen Motortyp für Elektrofahrzeuge, der Synchron-Reluktanzmaschine“, sagte Mesbahi.

Obwohl SynRMs in anderen Branchen weit verbreitet sind, sind sie aufgrund ihrer Nachteile für herkömmliche Antriebsstränge von Elektrofahrzeugen nicht gut geeignet. Yakoub Saadi, ein ehemaliger Forschungsingenieur des VEHICLE-Projekts am INSA Strasbourg, jetzt bei SATT Ouest Valorisation, erinnerte sich an einige der Probleme. „Zu den Mängeln gehörten eine geringe Leistungsdichte, ein niedriger Leistungsfaktor und eine relativ hohe Drehmomentwelligkeit. SynRMs können außerdem erhebliche Hitze erzeugen, was Strategien zur Senkung der Temperatur erfordert“, sagte Saadi. „Aber sie bieten auch Vorteile. Sie sind magnetfrei, sehr robust und effizient.“

Ein SynRM nutzt die Reluktanz aus, die Eigenschaft magnetischer Materialien, sich von Bereichen geringer zu Bereichen hoher magnetischer Permeabilität zu bewegen, analog zum Widerstand in Stromkreisen. Bei einem SynRM beherbergt der stationäre äußere Teil des Motors, der Stator, Drahtspulen, die elektromagnetische Felder erzeugen. Die innere Komponente, der Rotor, enthält keine Magnete, sondern Eisen. Aufgrund der geringen Reluktanz des Materials richten sich die Luftspalte des Rotors nach dem rotierenden Magnetfeld aus, wodurch der Rotor rotiert und ein Drehmoment erzeugt wird.

Schematische Darstellung des SynRM, die einen runden Motor mit dem Stator außen, dem Rotor als Innenkomponente, Statorschlitzen im Stator und der Welle in der Mitte zeigt.

Querschnitt der Synchron-Reluktanzmaschine. (Bildquelle: Dr. Yakoub Saadi)

Die hohe Drehmomentwelligkeit oder die Drehmomentschwankungen des SynRM führen zu starken Geräuschen und stellen ein besonders schwer zu lösendes Problem dar. Die Kontrolle der Drehmomentwelligkeit erfordert Regelstrategien, die über die klassischen Regelalgorithmen hinausgehen.

Ohne die hohe Drehmomentwelligkeit und die daraus resultierende Geräuschentwicklung und mit einer höheren Leistungsdichte könnten SynRMs ein solider Ersatz sein. Da keine Permanentmagnete verwendet werden, die Kosten geringer sind und eine ordentliche Leistung erbracht wird, stellt der SynRM einen Kompromiss zwischen PMSMs und Rotor-Synchron- oder Induktionsmotoren dar. SynRMs sind außerdem einfacher herzustellen und effizienter als andere Elektromotoren. Ihre Schwächen haben ihnen jedoch den Einstieg in den Markt für Elektrofahrzeuge erschwert.

Ein holpriger Start

In Partnerschaft mit den Universitäten Karlsruhe und Trier und unter der Leitung von Mesbahi am INSA de Strasbourg und ICube Laboratory startete das VEHICLE-Projekt im Jahr 2019. „Wir mussten den Synchron-Reluktanzmotor in den Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs integrieren. „Das war die erste Herausforderung“, sagte Saadi, damals Forschungsingenieur am INSA de Strasbourg und am ICube Laboratory. „Die zweite Herausforderung bestand darin, herauszufinden, wie sich die Drehmomentwelligkeit überwinden lässt, und die dritte Herausforderung bestand darin, fortschrittliche Reglerstrategien in diesen Elektromotor zu implementieren.“

„Mit MATLAB und Simulink konnten wir diese elektrische Maschine schnell modellieren.“
Dr. Yakoub Saadi, SATT Ouest Valorisation

Bald nach seinem Start stieß das VEHICLE-Projekt auf ein Hindernis: COVID 19. „Wir mussten unsere Methoden für die Telearbeit anpassen“, sagte Mesbahi. Ursprünglich war geplant, das Projekt so anzugehen, dass die beiden Unternehmen ihre Regelstrategien parallel entwickeln und auf dem Prüfstand erproben. Als das Team aufgrund der Ausgangssperre jedoch von zu Hause aus arbeiten musste, verließ es sich beim Testen der Iterationen seines Steuerungsalgorithmus vollständig auf Simulationen. MATLAB^® und Simulink^® waren ausschlaggebend dafür, dass sie dennoch Fortschritte machen konnten.

„Wir haben uns entschieden, einen neuen Regler vorzuschlagen, der auf der Gleitmodus-Regeltheorie oder H-Infinity-Theorie basiert. „Es handelt sich um einen neuen Algorithmus in der Kaskadensteuerung zur Reduzierung der Drehmomentwelligkeit“, sagte Saadi. „Normalerweise verwendet die Elektrofahrzeugindustrie eine klassische Reglerstrategie, den Proportional-Integral-Regler (PI). Doch mit klassischen Reglern lässt sich die Drehmomentwelligkeit nicht signifikant reduzieren.“

Regelungsstrategiemodell, das die Drehmoment- und Stromsteuerung für das SynRM zeigt.

Die Regelungsstrategie zur Reduzierung von Motordrehmomentwelligkeiten. (Bildquelle: Dr. Yakoub Saadi)

Mithilfe von Simulink und seinen vorgefertigten SynRM- und EV-Antriebsstrangmodellen machte sich die INSA Strasbourg-Gruppe an die Arbeit, fortschrittliche Regelungsstrategien zu entwickeln und zu testen. Mit Simscape Electrical™ modellierten sie die Batterie und den Konverter eines Elektrofahrzeugs. „Mit MATLAB und Simulink konnten wir diese elektrische Maschine schnell modellieren“, sagte Saadi.

Das Team validierte seine fortschrittlichen Regelstrategien zu Hause und verwendete eine Simulation, um eine Strategie zu ermitteln, die die Drehmomentwelligkeit maximal reduzierte. Das Team testete den von ihm vorgeschlagenen erweiterten Algorithmus auch mit typischen Methoden, wie etwa dem (PI)-Regler.

Wieder zurück im Labor

Nachdem die COVID-19-Beschränkungen gelockert wurden, kehrten Mesbahi, Saadi und ihr Team ins Labor zurück, um ihren Controller im SynRM-Prototyp zu testen. Sie verwendeten einen Speedgoat^® Maschine, die es ihnen ermöglichte, ihre Tests in Echtzeit auszuführen, ohne dass umständliche Konvertierungen in andere Software oder Sprachen erforderlich waren. Aber es war nicht nur die Benutzerfreundlichkeit, die sie dazu brachte, Speedgoat als Zielmaschine auszuwählen: Sie benötigten außerdem einen leistungsstarken Steueranschluss.

„Speedgoat bot einen leistungsstarken Port. Es ist mit MATLAB und Simulink kompatibel, sodass wir unser Simulink Modell in Echtzeit testen können.“
Dr. Yakoub Saadi, SATT Ouest Valorisation

„Speedgoat bot einen leistungsstarken Port“, sagte Saadi. „Es ist mit MATLAB und Simulink kompatibel, sodass wir unser Simulink Modell in Echtzeit testen können.“

Mit nur einem Klick konnte Saadi die MATLAB und Simulink -Algorithmen auf der Speedgoat-Zielmaschine bereitstellen und sie im SynRM-Prototyp testen. Wie nach ersten Tests zu erwarten, waren die Ergebnisse zunächst nicht perfekt. Zwar hatten sie ihre Regelstrategie in Simulationen getestet, doch das theoretische Modell konnte die realen Bedingungen nicht perfekt nachbilden. Das Team bemerkte Störungen in seinen Ergebnissen und musste Anpassungen durch Ausprobieren vornehmen.

Schließlich fanden Saadi und seine Kollegen eine Strategie, die funktionierte. Nachdem er sie getestet hatte, begann Saadi zu grinsen, als er die Messungen und Berechnungen der Drehmomentwelligkeitsrate untersuchte. Der Algorithmus funktionierte und reduzierte die Drehmomentwelligkeit auf ein beherrschbares Maß. „Es gab viele Tests, die zu diesem Moment geführt haben. „Es war ein Hochgefühl“, sagt Saadi, als er sich an diesen ersten erfolgreichen Test erinnert. „Es umfasste in einem Moment unsere gesamte Arbeit der letzten zwei Jahre.“

Ein SynRM ist mit einer Zielmaschine verbunden, auf der Speedgoat läuft. Simulink läuft auf einem Computer rechts vom Zielcomputer.

Prüfstand für Synchron-Reluktanzmotoren. (Bildquelle: Dr. Yakoub Saadi)

Die Zukunft von SynRMs

Während auch andere Forschungsgruppen daran arbeiten, SynRMs durch fortschrittliche Regelungsstrategien zu verbessern, unterscheidet sich das VEHICLE-Projekt laut Saadi dadurch, dass alle Teile des Antriebsstrangs von Elektrofahrzeugen – Motor, Batteriekomponenten und Konverter – modelliert werden, um den Motorregler zu optimieren. Dies sei durch MATLAB, Simulink und Speedgoat möglich geworden. Forschungsgruppen für Elektrofahrzeuge konzentrieren sich in der Regel auf einen Aspekt des Fahrzeugs und nicht auf die einzelnen Teile des Antriebsstrangs und deren Zusammenspiel. „Der Elektromotor ist nur ein Teil des VEHICLE-Projekts, bei dem es auch um Batterien und Energiemanagement geht“, sagte Saadi.

„Eine Maschine ohne Magnete wird auf diesem neuen Markt einen Vorteil haben.“
Tedjani Mesbahi, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik, INSA de Strasbourg

Allerdings ist das SynRM des VEHICLE-Projekts noch nicht bereit für die Automobilindustrie. Während die hohe Drehmomentwelligkeit ein großes Hindernis für den Einsatz von SynRM in Elektrofahrzeugen darstellt, müssen die Forscher weiterhin die Leistungsdichte der Maschinen erhöhen und das Wärmemanagement verbessern. „Unsere Forscher arbeiten daran, diese Herausforderung zu bewältigen und Synchron-Reluktanzmaschinen für den Einsatz in Elektrofahrzeugen rentabler zu machen“, sagte Mesbahi. Das INSA-Strasbourg-Team entwickelt KI-Algorithmen in MATLAB, um eine Wärmemanagementlösung zu erstellen.

Neben der weiteren Verfeinerung der Steuerungsalgorithmen für SynRMs könnte dieser Motor für die Automobilindustrie noch attraktiver werden, da das Programm „Digital Product Passports“ der Europäischen Kommission im Laufe der nächsten Jahre in Kraft tritt. Das Programm zielt darauf ab, Nachhaltigkeit und eine Kreislaufwirtschaft zu fördern, indem es Transparenz über die bei der Herstellung von Produkten verwendeten Materialien und Lieferketten fordert, damit sich die Kunden ein besseres Bild von den Umweltauswirkungen eines Produkts machen können. „Eine Maschine ohne Magnete wird auf diesem neuen Markt einen Vorteil haben“, sagte Mesbahi.

Das Hauptziel des Projekts besteht jedoch darin, die Gesamtkosten für den Besitz eines Elektrofahrzeugs zu senken. „Wir müssen noch viel mehr entwickeln“, sagte Mesbahi. Doch durch die Entwicklung von Algorithmen, die eine ruhigere und leisere Fahrt ermöglichen, sind sie diesem Ziel einen Schritt näher gekommen. „In diesem Sinne setzen wir unsere Forschungsaktivitäten zur Optimierung der Gesamtbetriebskosten von Elektrofahrzeugen mit einem groß angelegten europäischen Forschungsprojekt mit einem Budget von 5 Millionen Euro fort, an dem über 14 europäische Partner aus sieben Ländern beteiligt sind.“ Das Projekt ENERGETIC zielt darauf ab, die Leistung der Energiespeicherung durch intelligente Batterietechnologien und Konnektivität zu optimieren, integriert mit einer neuen Generation von Batteriemanagementsystemen (BMS).

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