BZ_Turbolader - Entwicklung eines rekuperativen Luftladesystems für Brennstoffzellen; Teilvorhaben: Entwicklung verlustarmer Leistungselektronik und eines Multiphasen-Motors für den Hochdrehzahl-Verdichter

Abstract

Silver Atena's contribution to the BZ_Turbolader joint project consisted of developing the turbocharger inverter with integrated central fuel cell control unit and the stator for the turbocharger motor. The conceptual work on the integrated electric motor and inverter included the investigation of various inverter and motor topologies. The conceptual studies showed that the 3-phase 3-level TNPC inverter offers the optimum combination of efficiency, performance and number of pieceparts for our application. A further concept study on the most suitable motor topology showed that an air gap winding, although difficult to manufacture, is the best choice. Winding tests and impregnation tests were carried out to optimise the electrical and thermal properties of the stator. The Hybrid Manager was modelled for the control system of the fuel cell turbocharger. Its main functions include monitoring and controlling the battery charge status (SOC), coordinating the FC output with the vehicle's recuperation during braking, keeping the power demand on the fuel cell system as constant as possible, and optimally combining the power supplied by the battery and fuel cell. The developed inverter and motor were tested both at Silver Atena and by external partners. We set up a test bench in-house to perform an idle test on the motor. For the final validation, we entered into a cooperation with the Universität der Bundeswehr in Munich (UniBW), which has a suitable motor test bench. The overall performance of the inverter is very good. At high outputs, the efficiency is around 98%, and at special operating points it can exceed 99%. Even at low outputs, it always achieves more than 95%. The efficiency of the motor falls slightly short of expectations at around 80% for high loads.

Der Beitrag von Silver Atena zum Verbundvorhaben BZ_Turbolader bestand in der Entwicklung des Turbolader-Wechselrichters (Inverter) mit integriertem zentralen Brennstoffzellen-Steuergerät sowie des Stators für den Turbolader-Motor. Die Konzeptarbeiten zum integrierten E-Motor und Wechselrichter beinhalteten die Untersuchung verschiedener Inverter- sowie Motortopologien. Aus den Konzeptstudien ergab sich, dass der 3-phasige 3-Level TNPC Inverter für unseren Anwendungsfall ein Optimum aus Wirkungsgrad, Performance und Bauteilanzahl bietet. Eine weitere Konzeptstudie zur bestgeeigneten Motortopologie ergab, dass eine Luftspaltwicklung, obwohl schwierig zu fertigen, die beste Wahl ist. Es wurden Wickelversuche sowie Imprägniertests durchgeführt, um die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Stators zu optimieren. Für das Regelungssystem des BZ-Turbolader wurde der sog. Hybrid Manager modelliert. Dessen Hauptfunktionen umfassen die Überwachung und Regelung des Batterieladezustands (SOC), die Abstimmung der BZ-Leistung auf die Rekuperation des Fahrzeugs während Bremsvorgängen, möglichst konstante Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem und die optimale Kombination von Leistungsbereitstellung durch Batterie und Brennstoffzelle. Die Erprobung des entwickelten Inverters und Motors fand sowohl bei Silver Atena als auch bei externen Partnern statt. Bei uns im Haus wurde ein Prüfstand für einen Leerlauftest des Motors aufgebaut. Für die finale Validierung wurde eine Kooperation mit der Universität der Bundeswehr München (UniBW) eingegangen, welche über einen geeigneten Motorprüfstand verfügt. Die Leistungsfähigkeit des Inverters ist insgesamt als sehr gut einzuordnen. Bei hohen Leistungen liegt der Wirkungsgrad bei etwa 98%, bei speziellen Betriebspunkten kann er bis über 99% hinausgehen. Auch bei niedrigen Leistungen werden immer mehr als 95% erreicht. Der Wirkungsgrad des Motors fällt mit ca. 80% bei hohen Leistungen etwas hinter den Erwartungen zurück.