Determination and Application of Optimized Pulse Patterns for an 800V eDrive System with a Permanent Magnet Synchronous Machine

Improving the efficiency of today´s eDrive systems requires individual measures tailored to the specific system. One is the concept of Optimized Pulse Patterns (OPP). It is an attractive alternative to classical voltage generation techniques like pulse-width modulation (PWM) since the OPPs can be calculated offline for a particular eDrive system. By reducing the harmonic distortion of the currents or the switching losses of the inverter, they allow to achieve better system efficiency as well as lower motor and junction temperatures within the power modules. In the present contribution, the OPP concept is applied to a three-phase Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) with an 800V Silicon Carbide (SiC) voltage source inverter. In contrast to the general OPP methods from the literature that mainly focus on the inverter, the proposed approach also considers the full nonlinearity of the PMSM explicitly in the optimization. The advantages over the classical PWM and OPP approaches are demonstrated by simulation and measurement results. Moreover, it is shown by measurement results that - contrary to the general opinion in the literature - the presented OPP strategy is also capable of performing highly dynamic torque and speed changes, both essential for an eDrive application.

Um die Effizienz heutiger moderner eDrive-Systeme noch zu steigern, bedarf es Lösungen, die für die jeweilige Antriebseinheit maßgeschneidert sind. Ein mögliches Konzept ist es die Pulsmuster zu optimieren und damit individuell zu bestimmen. Dies ist eine vielversprechende Alternative im Vergleich zu klassischen Konzepten zur Bestimmung von Pulsmustern wie bspw. der Raumzeigermodulation (SVPWM), wobei die optimierten Pulsmuster (OPP) vorab individuell für das Antriebssystem berechnet werden können. Ziel der Optimierung ist eine Reduktion des Klirrfaktors (THD) oder der Schaltverluste, womit die optimierten Pulsmuster eine Steigerung der Gesamteffizienz ermöglichen. Zugleich kann eine geringere Stator- und Rotortemperatur im Motor sowie eine Reduktion der Sperrschichttemperatur der Halbleiter im Inverter erreicht werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das OPP-Konzept an einer dreiphasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine (PMSM) in Kombination mit einem 800V Silizium Karbid (SiC) Inverter getestet. Im Gegensatz zu den bekannten OPP-Methoden aus der Literatur, die sich primär auf den Umrichter konzentrieren, berücksichtigt der vorgeschlagene Ansatz auch die vollständige Nichtlinearität der PMSM explizit in der Optimierung. Die Vorteile dieses erweiterten OPP-Konzepts werden dabei sowohl anhand von Simulationen als auch anhand von Messdaten aufgezeigt. Insbesondere wird anhand von Messdaten gezeigt, dass - im Gegensatz zur gängigen Meinung der Literatur - mit dem OPP-Konzept auch hochdynamische Geschwindigkeits- und Momentenänderungen realisiert werden können, beides essentielle Voraussetzungen für die Anwendung in einem Antriebssystem.