AutoDrive
Autonomes Fahren – so sicher wie fliegen
Das Motto des Projekts AutoDrive lautet „Autonomes Fahren – so sicher wie fliegen“. Um dieses Motto zu erfüllen, ist es notwendig, fehlertolerante Systeme zu entwickeln. Diese werden in drei Abstraktionslevel „fail safe“, „fail operational“ und „fail aware“ unterteilt. Das unterste Level ist „fail safe“. Hierbei wird das System beim Auftreten eines Fehlers in einen sicheren Zustand überführt, sodass weitere Fehler vermieden werden. Der Fehler wird an die Steuereinheit gesendet. Das System hat allerdings nach Auftreten eines Fehlers keine Funktion mehr. Das nächsthöhere Abstraktionslevel „fail operational“ vermeidet diesen Stillstand. Hierbei wird nach dem Auftreten eines Fehlers eine Fehlermeldung gesendet und der Betrieb wird mit Einschränkungen weitergeführt. Dabei wird der vom Fehler betroffene Bereich abgeschaltet und redundante Komponenten übernehmen die Aufgabe der fehlerhaften Einheit. Das höchste Abstraktionslevel ist „fail aware“. Ein System mit diesem Abstraktionslevel lässt einen Fehler nicht zu, da der Fehler vorher erkannt und darauf reagiert wird.
„Fail aware“ ist allerdings nicht in jedem System möglich, da nicht jeder Fehler vorhersehbar ist. „Fail operational“ ist ebenfalls nicht in jedem System möglich bzw. wirtschaftlich begründbar. Innerhalb dieses Projekts (Supply-Chain 4) soll ein fail-operational 800V/250kW Automobilantriebsstrang simuliert, konstruiert und in einer Testumgebung demonstriert werden. Aufgabe des Lehrstuhls für Energiewandlung war es für ein redundantes System die beiden dreiphasigen Wechselrichter mit einem stabilen und verlustfreien Schaltverhalten zu erstellen.
Eine 6-phasige Synchronmaschine, deren Wicklungen nur magnetisch gekoppelt sind, wird von zwei galvanisch getrennten Wechselrichtern (WR) angesteuert. Jeder WR wandelt die Gleichspannung der 800V-Hochspannungsbatterie über die drei Halbbrücken innerhalb eines Hybridpack-Moduls in einen dreiphasigen Wechselstrom. Jede Halbbrücke enthält jeweils zwei SiC-MOSFETs (silicon carbide-metal oxide semiconductor field effect transistor). Die digitale Spannungsversorgung von 15 V wird entweder über einen Auf- und Abwärtswandler von der 12V-Batterie erzeugt oder, falls ein Fehler vorliegt, galvanisch getrennt über einen Sperrwandler von der 800V-Hochspannungsbatterie. Die WRs und die Spannungsversorgungsplatine werden über die Motorsteuerung (MCU – Motor Control Unit) gesteuert und überwacht. Strom- und Spannungsmesswerte im Leistungskreis der Wechselrichter werden über SPI (Serial Peripheral Interface) an die MCU gesendet und alle weiteren Informationen, wie beispielsweise Temperatur, Schaltüberwachung, Versorgungsspannungen werden über I²C übermittelt.
Diese Herausforderungen werden mit Hilfe von vier verschiedenen, miteinander verbundenen Leiterplatten erreicht. Um die Gate-Treiber-Platine (GDB) in das vorhandene Gehäuse des Umrichters zu integrieren, war es notwendig, die Strommessung und die SPI-Anbindung auszulagern. Die Strommessung befindet sich auf der Shunt-PCB. Diese Platine befindet sich direkt auf dem Shunt-Widerstand. Mit dieser Lösung wird eine geringere Verzerrung durch kurze Analogsignale erreicht. Um alle sechs Phasenströme zu messen, werden sechs Shunt-PCBs pro Umrichter benötigt.
Die Platine für die SPI-Anbindung wird über vier Stiftleisten direkt mit der GDB verbunden. Diese Platine enthält die Phasenspannungsmessung und die Verbindung zur Strommessung. Die SPI-PCB beinhaltet eine isolierte SPI-Verbindung zwischen den drei Phasen eines Hybridpack-Moduls. Es sind zwei SPI-PCBs pro Inverter notwendig. Die GDB ist mit der Motor Control Unit (MCU) verbunden und steuert die Gates des Hybridpack-Moduls. Darüber hinaus misst und überwacht die GDB die internen Zustände des Hybridpack-Moduls. Zur Ansteuerung des Sechs-Phasen-Motors benötigt der Umrichter zwei Hybridpack-Module und ebenfalls zwei GDBs. Zur Validierung des korrekten Schaltverhaltens einer induktiven Last wurde ein Test-Setup für eine Doppelpulsmessung erstellt. Der Doppelpuls macht sichtbar, dass die GDB eine Spannungsfestigkeit von 920 V und eine Stromtragfähigkeit von 130 A beherrscht. Die Schaltvorgänge sowohl für High Side (HS) als auch für Low Side (LS) erfolgen innerhalb einer Zeit von ~200 ns und erreichen eine maximale Schaltgeschwindigkeit von 30 V/ns.
- Entwicklung eines schnellschaltenden Gate-Treibers mit Safety-Logik und Desaturation-Schaltung
- Entwurf von DC/DC-Wandler mit hohem Übersetzungsverhältnis
- Kompaktes Schaltungsdesign für den Automotive-Bereich
- Einbinden von Verfahren für Monitoring und Messungen
Dieses Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter der Förderkennung 16ESE0257 gefördert.
