Power en Motor Controller

De rol van een power en motor controller in een elektrische auto

Hoewel de termen motor controller en power controller soms door elkaar worden gebruikt, zijn ze niet precies hetzelfde, hoewel hun functies sterk overlappen.

Motor controller: Dit is specifiek gericht op het beheren van de elektromotor. Het regelt het vermogen en de snelheid van de motor, evenals het koppel dat aan de wielen wordt geleverd. Het zorgt voor de juiste timing en de juiste stroom naar de motor.
Power controller: Dit heeft een bredere functie en regelt niet alleen de motor, maar ook de interactie tussen de batterij, de omvormer (inverter), en andere elektrische systemen. Het beheer van het energieverbruik en de energie-terugwinning (zoals regeneratief remmen) is ook een belangrijke taak.

In sommige gevallen kunnen de functies van beide controllers in één systeem worden gecombineerd, afhankelijk van het ontwerp van het voertuig.

Vermogensregeling op basis van rijgedrag

Een van de belangrijkste taken van de power controller is het beheren van het motorvermogen op basis van het rijgedrag van de bestuurder. Wanneer je het gaspedaal indrukt, interpreteert de controller dit signaal en bepaalt hoeveel elektrische stroom uit de batterij moet worden geleverd aan de elektromotor. Dit resulteert in een soepel en krachtig acceleratiegedrag. Laat je het gaspedaal los of rem je af, dan verlaagt de controller het motorvermogen of schakelt hij zelfs om naar een andere functie: regeneratief remmen.

Conversie tussen gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC)

EV-batterijen slaan energie op in de vorm van gelijkstroom (DC), terwijl de meeste elektromotoren draaien op wisselstroom (AC). De power controller bevat daarom ook een zogeheten inverter (omvormer) die verantwoordelijk is voor de omzetting van DC naar AC. Tijdens het rijden zorgt de inverter ervoor dat de elektromotor de juiste frequentie en spanning krijgt, afhankelijk van de gewenste snelheid en het benodigde koppel. Bij regeneratief remmen wordt het proces omgekeerd: de motor fungeert als generator en de AC-stroom die daarbij wordt opgewekt, wordt door de controller terug omgezet in DC om de batterij bij te laden.

Energie terugwinnen via regeneratief remmen

Een geavanceerde functie van de power controller is het beheer van regeneratief remmen. In plaats van energie te verspillen als warmte, zoals bij traditionele remsystemen, kan een elektrische auto kinetische energie terugwinnen tijdens het vertragen. De elektromotor verandert in zo’n situatie in een dynamo en wekt stroom op. De controller vangt deze energie op, zet ze om naar de juiste laadspanning en stuurt deze terug naar de batterij. Dit verhoogt de efficiëntie van het voertuig en vergroot de actieradius.

Bewaking en beveiliging van het systeem

Naast het regelen van de aandrijving speelt de power controller ook een belangrijke rol op het gebied van veiligheid en efficiëntie. Hij bewaakt continu parameters zoals:

De temperatuur van de elektromotor, omvormer en batterij
De spanning en stroomsterkte in het systeem
Eventuele afwijkingen zoals kortsluiting of overbelasting

Wanneer onveilige of inefficiënte situaties worden gedetecteerd, kan de controller automatisch ingrijpen door bijvoorbeeld het vermogen te beperken, componenten af te schakelen of foutcodes door te geven aan het voertuigbeheersysteem.

Samenwerking met andere systemen

De power controller werkt nauw samen met andere elektronische systemen in de auto, zoals het Battery Management System (BMS), dat toezicht houdt op de toestand van de batterij. Samen zorgen deze systemen voor een optimale balans tussen prestaties, veiligheid, energieverbruik en duurzaamheid van de aandrijflijn.

De power controller is dus veel meer dan alleen een schakelaar tussen de batterij en de elektromotor. Het is het intelligente regelcentrum van de elektrische aandrijving, dat voortdurend beslissingen neemt over hoe energie moet worden ingezet en teruggewonnen. Dankzij deze controller kan een elektrische auto soepel accelereren, efficiënt omgaan met energie, en op een veilige manier presteren onder allerlei rijomstandigheden.

Simultaan testen en de uitdagingen

HIL en PHIL Testing van Power en Motor Controllers:

In de ontwikkeling van elektrische voertuigen (EV’s) en hun componenten, zoals power controllers en motor controllers, is het essentieel om uitgebreide tests uit te voeren voordat ze in de werkelijke voertuigen worden geïnstalleerd. Een van de meest gebruikte testmethoden is de Hardware-in-the-Loop (HIL) test en een de Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) testen. Beide zijn cruciaal voor het waarborgen van de prestaties, veiligheid en efficiëntie van de controllers. Deze testsystemen simuleren de werking van een voertuig in een gecontroleerde omgeving, zodat engineers de controllers kunnen evalueren zonder fysieke prototypes te hoeven bouwen. In dit artikel duiken we dieper in deze testmethoden, de benodigde hardware, en de rol van bi-directionele voedingen en elektronische belastingen.

Wat is HIL Testing?

Hardware-in-the-Loop (HIL) is een testmethode waarbij echte hardware (zoals een motorcontroller of powercontroller) wordt geïntegreerd in een simulatiesysteem dat de voertuigdynamica en andere systemen nabootst. Het idee is om de controller te testen in een virtuele maar realistische omgeving zonder dat er een fysiek voertuig nodig is. HIL maakt gebruik van een real-time simulator die het gedrag van andere componenten (zoals de batterij, motor en laadsystemen) simuleert, terwijl de controller (bijvoorbeeld de motorcontroller) de input ontvangt die het in de echte wereld zou krijgen.

Hoe werkt HIL Testing?

In HIL-testing wordt de controller aangesloten op een real-time simulator, die een model van de elektrische aandrijflijn creëert. Dit model kan de motor, batterij, en andere kritieke systemen van het voertuig simuleren. De controller wordt vervolgens blootgesteld aan verschillende rijomstandigheden, zoals:

Acceleratie
Regeneratief remmen
Stationair draaien
Zware belasting

De simulator geeft de benodigde input naar de controller en meet de output die door de controller wordt geproduceerd. Dit proces stelt ingenieurs in staat om de prestaties, efficiëntie en veiligheid van de controller te evalueren zonder daadwerkelijk te rijden of fysiek componenten in een voertuig te testen.

Wat is PHIL Testing?

Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) is een geavanceerdere testmethode die specifiek wordt gebruikt om de interactie van power controllers te testen, zoals de omvormer (inverter) en de energiebeheercontroller. In plaats van alleen de motorcontroller te testen, wordt in PHIL de krachtstroom hardware zelf getest, waaronder de batterij en de omvormer.

Hoe werkt PHIL Testing?

In een PHIL-test wordt de daadwerkelijke hardware van de powercontroller, zoals een omvormer, aangesloten op een real-time simulatiesysteem. Het belangrijkste verschil met HIL is dat de batterij, de omvormer, en de motor fysiek worden aangesproken en getest. PHIL wordt vaak gebruikt om de prestaties van de energieomzetting te evalueren, zoals het omzetten van gelijkstroom (DC) naar wisselstroom (AC) en omgekeerd bij regeneratief remmen.

Bij PHIL wordt ook de interactie tussen de controller en de energiebronnen (zoals de batterij) gesimuleerd, wat erg belangrijk is voor het testen van efficiëntie, energieverliezen, en de duurzaamheid van de hardware.

Benodigde Hardware voor HIL en PHIL Testing

Om HIL en PHIL succesvol uit te voeren, is er specifieke testhardware nodig die de simulatie van verschillende componenten en systemen mogelijk maakt. Hier bespreken we enkele van de belangrijkste hardware-elementen die essentieel zijn voor het testen van power en motor controllers.

Bi-directionele Voedingen

Bi-directionele voedingen zijn een van de belangrijkste onderdelen van zowel HIL als PHIL-testing. Ze worden gebruikt om de energie-uitwisseling tussen de controllers en de rest van het voertuig te simuleren. Dit kan zowel het leveren van energie aan de controller als het terughalen van energie tijdens regeneratief remmen omvatten.

Wat doen ze? Bi-directionele voedingen kunnen stroom leveren aan de motorcontroller tijdens het accelereren, maar ook energie terug leveren aan de batterij tijdens regeneratief remmen. Dit is essentieel voor het testen van het gedrag van de controller in dynamische rijomstandigheden, waar energie zowel in als uit de controller stroomt.
Waarom belangrijk? In elektrische voertuigen varieert de belasting voortdurend, afhankelijk van de rijomstandigheden. Bij HIL en PHIL wordt de controller getest op verschillende belastingniveaus en energie-uitwisselingsscenario’s, zoals wanneer de motor als generator werkt om energie terug naar de batterij te sturen.

Voorbeelden van Bi-directionele Voedingen:

ITECH, NF Corp, H&H en Cinergia bieden high-performance bi-directionele voedingen die in staat zijn om zowel energie te leveren als op te slaan tijdens tests van de motorcontroller en powercontroller. Zie ook onze pagina met onze beschikbare bi-directionele voedingen.

Elektronische Belastingen

Naast bi-directionele voedingen zijn elektronische belastingen essentieel voor het simuleren van de belasting die door de motor op de controller wordt uitgeoefend. Elektronische belastingen kunnen variabel zijn en worden gebruikt om krachtige simulaties van motorkarakteristieken uit te voeren.

Wat doen ze? Ze simuleren de variabele belasting die de motorcontroller kan ondervinden in verschillende rijomstandigheden. Dit kan bijvoorbeeld zijn wanneer de auto versnelt, afremt, of een constante snelheid aanhoudt.
Waarom belangrijk? Het gedrag van de controller moet getest worden onder verschillende belastingtoestanden. Elektronische belastingen helpen hierbij door realistische belastingcondities te bieden die het systeem moet aankunnen.

Voorbeelden van Elektronische Belastingen:

ITECH, Cinergia en H&H bieden geavanceerde elektronische belastingen die gebruikt kunnen worden om de motor- en powercontroller te testen bij verschillende belastingniveaus. Zie ook elektronische belastingen

Real-Time Simulators en Software

De real-time simulators zijn de ruggengraat van HIL en PHIL-testing. Deze systemen creëren het virtuele model van het voertuig en de aandrijflijn, inclusief de motor, batterij en andere subsystemen. Ze genereren de input die naar de controller wordt gestuurd en verzamelen de output die door de controller wordt geproduceerd.

Wat doen ze? Real-time simulators draaien de voertuigmodellen die de dynamica van het voertuig nabootsen. De simulator kan bijvoorbeeld de motorkarakteristieken, batterijstatus, en energieverliezen tijdens acceleratie of regeneratief remmen simuleren. De data die hieruit voortkomt, worden gebruikt om de controller te testen en te optimaliseren.
Waarom belangrijk? Deze systemen helpen ingenieurs om de controllers te testen in variabele en complexe rijomstandigheden, zonder dat ze een fysiek voertuig hoeven te gebruiken.

Voorbeelden van Real-Time Simulators:

Opal RT, dSPACE, Typhoon en Speedgoat bieden krachtige real-time simulators die geschikt zijn voor zowel HIL als PHIL-testen. Deze systemen worden vaak gecombineerd met Simulink van MathWorks voor modellering van voertuigdynamica.

Voordelen van HIL en PHIL Testing

Kostenbesparing: HIL en PHIL verminderen de behoefte aan fysieke prototypes en uitgebreide rijtesten, wat kosten bespaart in de ontwikkelingsfase.
Veiligheid: Door het testen in gecontroleerde omgevingen kunnen veiligheidsproblemen vroegtijdig worden opgespoord zonder het risico van schade aan voertuigen of gevaar voor testers.
Betrouwbaarheid: Door de controllers grondig te testen in diverse scenario’s kunnen ingenieurs ervoor zorgen dat de controllers betrouwbaar presteren onder alle omstandigheden die ze in de echte wereld kunnen tegenkomen.
Snelheid: HIL en PHIL stellen ontwikkelaars in staat om snel verschillende scenario’s en omstandigheden te testen, zonder de tijd die fysieke testen zouden vereisen.

HIL en PHIL testen zijn krachtige technieken voor het testen en valideren van motor- en powercontrollers in elektrische voertuigen. Door realistische simulaties en gebruik te maken van geavanceerde tests hardware zoals bi-directionele voedingen en elektronische belastingen, kunnen ingenieurs de prestaties van de controllers onder diverse rijomstandigheden evalueren. Deze testmethoden dragen bij aan het optimaliseren van de efficiëntie, veiligheid en prestaties van elektrische voertuigen, terwijl ze tegelijkertijd kosten en tijd besparen in de ontwikkelingsfase.

Voor uitgebreide informatie over PHIL systemen verwijzen wij u graag naar ons specifieke e-book PHIL.