PUMBAA Motorsteuergerät (MCU) für Elektrofahrzeuge PMC20A

(1) Energieumwandlungsfunktion. Realisierung der Bremsenergierückgewinnung zur Verbesserung der Fahrzeugreichweite;

(2) Drehmomentausführungsfunktion. Der Regler sendet negative Drehmomentwerte an den Motorregler, um Energieverluste zu reduzieren;

(3) Aktive Entladefunktion. Die Selbstentladung von Kondensatoren mit hoher Kapazität über einen längeren Zeitraum birgt Hochspannungsrisiken;

(4) Sicherheitsschutzfunktionen. Motorsystem mit Fehlererkennungs-, Fehlerwarn-, Fehlerbehandlungs- und anderen Sicherheitsschutzfunktionen;

(5) Hochgeschwindigkeits-CAN-Netzwerkkommunikationsfunktion. Effektive Umsetzung der Strategie für die Elektromotorsteuerung und die Gesamtfahrzeugfunktion, Steuerung des sicheren und zuverlässigen Betriebs des Motorsystems zur Gewährleistung des sicheren Fahrzeugbetriebs.

In Elektrofahrzeugen ist die Motorsteuereinheit (MCU), auch Wechselrichter oder elektrisches Steuerungssystem genannt, eine der drei Kernkomponenten (neben Batterie, Motor und elektrischem Steuerungssystem). Ihre Leistungsfähigkeit beeinflusst maßgeblich Fahrverhalten, Energieverbrauch und Zuverlässigkeit. Die Hauptfunktion der MCU besteht darin, den von der Batterie gelieferten Hochspannungs-Gleichstrom (DC) präzise in den vom Antriebsmotor benötigten Drehstrom (AC) umzuwandeln. Sie passt außerdem Drehzahl und Drehmoment des Motors anhand der Befehle der Fahrzeugsteuereinheit (VCU) an und steuert so Beschleunigung, Verzögerung und Konstantgeschwindigkeitsbetrieb des Fahrzeugs. Ihr Funktionsprinzip lässt sich in vier Kernprozesse unterteilen: Signalempfang, Energieumwandlung, Motoransteuerung und Statusrückmeldung.

1. Signalempfang: Empfang von Fahrzeugsteuerungsbefehlen

Während des Fahrbetriebs werden die Fahrereingaben (z. B. Gaspedalstellung) zunächst an das VCU (Vehicle Control Unit) übermittelt. Das VCU berechnet anhand von Parametern wie Gaspedalstellung, Fahrzeuggeschwindigkeit, Batterieladestand (SOC) und Gangposition das vom Motor benötigte Solldrehmoment bzw. die Solldrehzahl. Anschließend sendet es diesen Befehl über den CAN-Bus (Controller Area Network) an das MCU (Mikrocontroller-Steuergerät).

2. Energieumwandlung: Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom

Die Antriebsbatterie liefert Hochspannungs-Gleichstrom (typischerweise 300–800 V), während die Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen (vorwiegend Permanentmagnet-Synchronmotoren) Drehstrom benötigen. Diese Wandlung erfolgt durch den Wechselrichter des Mikrocontrollers (MCU), dessen Kernstück ein dreiphasiger Brückenwechselrichter mit sechs IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) ist – zwei pro Phase (oberer und unterer Brückenzweig). Jeder IGBT fungiert als steuerbarer Schalter. Der Hauptsteuerchip des MCU gibt PWM-Signale (Pulsweitenmodulation) aus, um die Ein- und Ausschaltzeiten sowie das Tastverhältnis der sechs IGBTs präzise zu regeln. Beispielsweise bildet das Einschalten des oberen Brückenarm-IGBTs der Phase A bei gleichzeitigem Ausschalten des unteren Brückenarms und das Einschalten des unteren Brückenarm-IGBTs der Phase B bei gleichzeitigem Ausschalten des oberen Brückenarms eine Stromschleife zwischen den Phasen A und B. Durch zyklische Steuerung der Schaltfolge der IGBTs in den Phasen A, B und C erzeugt der Mikrocontroller einstellbaren dreiphasigen Wechselstrom (wobei die Frequenz die Motordrehzahl und die Amplitude das Drehmoment bestimmt).

(MCU)

3. Motorantrieb: Wechselstrombetrieb des Motors

Der vom Wechselrichter erzeugte Drehstrom wird direkt in die Statorwicklung des Antriebsmotors eingespeist. Der durch die Statorwicklung fließende Strom erzeugt ein rotierendes Magnetfeld, das den Rotor durch elektromagnetische Kraft in Rotation versetzt. Dadurch wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die über das Getriebe und die Antriebswelle auf die Räder übertragen wird und so das Fahrzeug antreibt.

4. Statusrückmeldung: Geschlossene Regelung und Sicherheitsschutz

Der Mikrocontroller (MCU) gibt nicht nur einmalig Befehle aus, sondern nutzt einen geschlossenen Regelkreis aus Sensordatenerfassung und Feedback-Anpassung, um den ordnungsgemäßen Motorbetrieb sicherzustellen und Fehler zu vermeiden. Stromsensoren erfassen die Phasenströme in Echtzeit, Spannungssensoren überwachen die Busspannung und Temperatursensoren erfassen die Temperaturen von IGBT und Motor. Der Hauptsteuerchip vergleicht Ist-Strom und -Drehzahl mit Soll-Werten. Bei Abweichungen korrigiert er die PWM-Signale der IGBTs in Echtzeit, um die Wechselstrom-Ausgangsparameter zu stabilisieren und Drehmoment und Drehzahl zu stabilisieren. Werden anormale Signale (z. B. zu hoher Strom, überhitzte IGBTs) erkannt, leitet der MCU Schutzmaßnahmen ein, wie z. B. die Reduzierung der Ausgangsleistung, die Abschaltung der IGBT-Ausgabe oder die Meldung von Fehlern an die VCU. Dadurch werden Schäden am Motor oder MCU verhindert und die Betriebssicherheit gewährleistet.

(MCU)

Schlussfolgerung

Der NEV-Mikrocontroller (MCU) ist ein hochentwickeltes System, das Leistungselektronik, Mikroelektronik, Regelungstechnik und Wärmemanagement integriert. Als intelligenter Wechselrichter nutzt er vektorgesteuerte Regelkreise, um das Schalten von Leistungshalbleitern (IGBTs/SiCs) präzise zu steuern, den Gleichstrom der Batterie in steuerbaren Wechselstrom umzuwandeln, der den Motor antreibt und eine effiziente Energierückgewinnung ermöglicht. Rasante Fortschritte in der MCU-Technologie – wie die Entwicklung von IGBTs hin zu hocheffizienten SiC-Materialien – haben es modernen NEVs ermöglicht, außergewöhnliche Beschleunigungswerte, ein sanftes Fahrgefühl und eine größere Reichweite zu erzielen.