Elektromaschine und Elektromaschinen-Elektronik

Elektromaschine und Elektromaschinen-Elektronik (EME)

Die Elektromaschine ist eine permanent erregte Synchronmaschine. Sie kann die elektrische Energie von der Hochvolt-Batterieeinheit in Bewegungsenergie umwandeln, wodurch das Fahrzeug angetrieben wird.

Es ist sowohl elektrisches Fahren bis ca. 125 km/h möglich, als auch die Unterstützung des Verbrennungsmotors, z. B. bei Überholvorgängen (eBOOST) oder der aktiven Momentenunterstützung beim Gangwechsel.

Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten wird die Elektromaschine vom Antrieb abgekoppelt. Um dies zu erreichen, ist im Elektromaschinen-Getriebe eine elektrisch angesteuerte Elektromaschinen-Kupplung untergebracht.

Beim Bremsen und im Schubbetrieb wandelt die Elektromaschine Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Die Elektromaschine speist diese Energie in die Hochvolt-Batterieeinheit (Energierückgewinnung).

Die Elektromaschinen-Elektronik (EME) dient als Steuerelektronik für die Elektromaschine. Sie übernimmt dabei auch folgende Aufgabe: Umwandlung der Gleichspannung aus der Hochvolt-Batterieeinheit (bis zu ca. 340 V Gleichspannung) in eine dreiphasige Wechselspannung (bis zu ca. 360 V Wechselspannung) für die Ansteuerung der Elektromaschine als Motor.

Umgekehrt, wenn die Elektromaschine als Generator arbeitet, wandelt die Elektromaschinen-Elektronik (EME) die dreiphasige Wechselspannung der Elektromaschine in eine Gleichspannung um und kann so die Hochvolt-Batterieeinheit laden. Dies geschieht z. B.bei der Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation). Für diese beiden Betriebsarten ist ein bidirektionaler Umrichter notwendig, der als Wechselrichter und als Gleichrichter arbeiten kann.

Hinweis!

Die Elektromaschine und die Elektromaschinen-Elektronik (EME) sind Hochvolt-Komponenten!

Beispiel F45PHEV

Index Erklärung Index Erklärung
1 Elektrischer Kältemittelkompressor 2 Hochvolt-Startergenerator
3 Elektrischer Zuheizer 4 Ladeanschluss
5 Hochvolt-Batterieeinheit 6 Elektromaschine
7 Elektromaschinen-Elektronik (EME) 8 Komfortladeelektronik (KLE)

 

Beispiel F49PHEV

Index Erklärung Index Erklärung
1 Hochvolt-Batterieeinheit 2 Elektromaschine
3 Elektromaschinen-Elektronik (EME) 4 Komfortladeelektronik (KLE)
5 Elektromaschinen-Getriebe

 

Beispiel F49PHEV

Index Erklärung Index Erklärung
1 Hochvolt-Batterieeinheit 2 Entgasungseinheit
3 Anschluss Potenzialausgleich 4 Steckverbindung 24-polig
5 Hochvolt-Steckverbindung 6 Anschluss Potenzialausgleich

 

Beispiel F45PHEV und F60PHEV

Index Erklärung Index Erklärung
1 Hochvolt-Batterieeinheit 2 Elektromaschine
3 Elektromaschinen-Elektronik (EME) 4 Komfortladeelektronik (KLE)
5 Elektromaschinen-Getriebe

Bauteil-Kurzbeschreibung

Folgende Bauteile werden beschrieben:
  • Elektromaschinen-Getriebe mit Elektromaschinen-Kupplung
  • Elektromaschine mit Temperatursensor und Rotorlagesensor
  • Kühlung der Elektromaschine
  • Elektromaschinen-Elektronik (EME)

Elektromaschinen-Getriebe mit Elektromaschinen-Kupplung

Das Elektromaschinen-Getriebe ist mit der Elektromaschine verschraubt und am Hinterachsträger befestigt. Ein festes Übersetzungsverhältnis von 12,5:1 überträgt Drehzahl und Drehmoment über eine formschlüssige Kupplung (Elektromaschinen-Kupplung) von der Elektromaschine auf die hinteren Antriebsräder. Sowie während der Rekuperation auch wieder an die Elektromaschine.

Nach Überschreiten folgender Geschwindigkeitsschwellen wird die Elektromaschinen-Kupplung geöffnet und damit der elektrische Antrieb über die Hinterachse unterbrochen.

  • ECO PRO: 100 km/h
  • AUTO eDRIVE: 135 km/h

Dadurch wird der Verbrennungsmotor unterstützt sowie bei Bedarf der elektrifizierte Allradantrieb dargestellt. Um Schäden an der Elektromaschine durch hohe Drehzahlen zu vermeiden, bleibt die Elektromaschinen-Kupplung oberhalb von 135 km/h dauerhaft geöffnet.

Ein Aktor (Magnetspule) schließt die Elektromaschinen-Kupplung. Die Magnetspule wird von der Elektromaschinen-Elektronik (EME) angesteuert.

Ein Positionssensor (Hallsensor) erfasst die Position der Elektromaschinen-Kupplung. Der Hallsensor liefert sein Signal ebenfalls an die Elektromaschinen-Elektronik.

Index Erklärung Index Erklärung
1 Abtrieb rechts 2 Aktor (Magnetspule) Elektromaschinen-Kupplung
3 Steckverbindung Positionssensor (Hallsensor) 4 Antrieb mit Zahnhülse
5 Flansch zur Elektromaschine

Das nachfolgende Video zeigt die Arbeitsweise der Elektromaschinen-Kupplung:

 

Elektromaschine mit Temperatursensor und Rotorlagesensor

Die Elektromaschine ist mit dem Elektromaschinen-Getriebe auf der Hinterachse verschraubt und treibt beide Hinterräder elektrisch an.

Beispiel F45PHEV

Bei der Elektromaschine handelt es sich um eine Synchronmaschine. Der Läufer (Rotor) befindet sich innen und ist mit Permanentmagneten bestückt. Der Ständer (Stator) ist ringförmig außen um den Läufer angeordnet und wird durch die 3-phasigen Wicklungen mit Eisenkernen gebildet. Wird eine 3-phasige Wechselspannung an die Wicklungen des Stators angelegt, erzeugen sie ein rotierendes Magnetfeld, das (im Motorbetrieb) die Magneten im Läufer mitzieht.

Index Erklärung Index Erklärung
1 Gehäuse der Elektromaschine 2 Wicklungen (U, V, W)
3 Stator 4 Hochvolt-Anschluss(U, V, W)
5 Deckel (darf im Service nicht geöffnet werden) 6 Rotor
7 Permanentmagnete 8 Rotorwelle

Am Gehäuse der Elektromaschine befinden sich folgende Anschlüsse:

  • Rotorlagesensor
  • Hochvolt-Leitungen
  • Kühlmittelleitungen
Index Erklärung Index Erklärung
1 Anschluss Hochvolt-Leitungen 2 Anschluss Rotorlagesensor
3 Kennzeichnung der E-Maschine 4 Anschluss Kühlmittelleitungen

Über den Hochvolt-Anschluss wird den Wicklungen der Elektromaschine elektrische Energie zugeführt. Der Hochvolt-Anschluss verbindet die Elektromaschinen-Elektronik mit der Elektromaschine über eine dreiphasige, abgeschirmte Hochvolt-Leitung. Die Hochvolt-Stecker sind an die Elektromaschinen-Elektronik und an die Elektromaschine geschraubt.

Die maximale Leistung von 65 kW kann für höchstens 10 Sekunden bereitgestellt werden. Die Elektromaschine stellt eine dauerhafte Leistung von ca. 28 kW bereit.

Das maximale Drehmoment von 165 Nm steht bereits ab dem Stillstand der Elektromaschine zur Verfügung.

Der Wirkungsgrad der Elektromaschine beträgt bis zu 96 %. Der Drehzahlbereich reicht von 0 bis 14000 1/min.

Die Elektromaschine besitzt zur eindeutigen Erkennung und Zuordnung eine Kennzeichnung. Diese Kennzeichnung ist zudem für die Genehmigung durch die Behörden nötig.

Index Erklärung Index Erklärung
1 Rotor des Rotorlagesensors 2 Stator des Rotorlagesensors

Der Rotorlagesensor erfasst die exakte Position des Rotors der Elektromaschine. Der Rotorlagesensor ist aufgebaut wie eine Synchronmaschine: durch den besonders geformten Rotor, der mit dem Rotor der Elektromaschine verbunden ist. Sowie durch den besonders geformten Stator, der mit dem Stator der Elektromaschine verbunden ist. Die durch Drehung des Rotors in den Wicklungen des Stators induzierten Spannungen werden von der Elektromaschinen-Elektronik (EME) ausgewertet und so der Rotorlagewinkel errechnet.

Der Rotorlagewinkel ist für eine exakte, feldorientierte Regelung der Elektromaschine zwingend erforderlich, um passend zur Position des Rotors die Spannungen an den Wicklungen des Stators zu erzeugen.

Hinweis!

Bei Erneuern der Elektromaschine oder der Elektromaschinen-Elektronik ist ein Abgleich des Rotorlagesensors mithilfe des Diagnosesystems erforderlich.

Um eine Schädigung der Komponenten aufgrund von zu hoher Temperatur zu vermeiden, gibt es 2 Temperatursensoren in der Elektromaschine. Die Signale werden analog von der Elektromaschinen-Elektronik (EME) eingelesen und ausgewertet.

Die Elektromaschinen-Elektronik vergleicht das Temperatursignal mit dem errechneten Temperaturmodell und reduziert gegebenenfalls die Leistung der Elektromaschine, wenn sich die Temperatur der Elektromaschine dem maximal zulässigen Wert nähert.

EME: Elektromaschinen-Elektronik

Die Elektromaschinen-Elektronik (EME) dient als Steuerelektronik für die Elektromaschine und den Hochvolt-Startergenerator. Die Elektromaschinen-Elektronik übernimmt dabei auch die Aufgabe, die Gleichspannung aus der Hochvolt-Batterieeinheit (bis zu ca. 340 V) in eine dreiphasige Wechselspannung für die Ansteuerung der Elektromaschine und des Hochvolt-Startergenerators zu wandeln. Umgekehrt, wenn die Elektromaschine sowie der Hochvolt-Startergenerator als Generator arbeiten sollen, wandelt die Elektromaschinen-Elektronik die dreiphasige Wechselspannung der Elektromaschine in eine Gleichspannung um und kann so die Hochvolt-Batterieeinheit laden. Dies geschieht z. B. bei der Bremsenergierückgewinnung (Rekuperation). Für diese beiden Betriebsarten ist ein bidirektionaler DC/AC-Wandler notwendig, der als Wechselrichter und als Gleichrichter arbeiten kann.

Über den ebenfalls in der Elektromaschinen-Elektronik integrierten DC/DC-Wandler wird die Spannungsversorgung des 12-V-Bordnetzes gewährleistet.

Beispiel F45PHEV

Die Anschlüsse an der Elektromaschinen-Elektronik lassen sich einteilen wie folgt:

  • Niedervolt-Anschlüsse
  • Hochvolt-Anschlüsse
  • 3 Gewindebohrungen für den Potenzialausgleich
  • Anschlüsse für Kühlmittelleitungen
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1 Hochvolt-Anschluss (AC) zum Hochvolt-Startergenerator 2 Niedervolt-Anschluss
3 Ausgang DC/DC-Wandler, -12 Volt 4 Hochvolt-Anschluss für AC-Laden von der Komfortladeelektronik
5 Ausgang DC/DC-Wandler, +12 Volt 6 Hochvolt-Anschluss (DC) zur Hochvolt-Batterieeinheit
7 Hochvolt-Anschluss (AC) zur Elektromaschine 8 Anschluss Kühlmittel-Rücklaufleitung
9 Anschluss Kühlmittel-Vorlaufleitung

 

Übersicht Hochvolt-Anschlüsse

An der Elektromaschinen-Elektronik gibt es insgesamt 4 Hochvolt-Anschlüsse, um die Leitungen zu anderen Hochvolt-Komponenten zu kontaktieren. Die Anschlüsse für den elektrischen Kältemittelkompressor und den elektrischen Zuheizer befinden sich an der Komfortladeelektronik.

Index Erklärung Index Erklärung
1 Elektrischer Zuheizer 2 Elektromaschine
3 Hochvolt-Startergenerator 4 Fahrzeugbatterie (12 V)
5 Hochvolt-Batterieeinheit 6 Hochvolt-Ladeanschluss
7 Elektrischer Klimakompressor 8 Unidirektionaler AC/DC-Wandler
9 Komfortladeelektronik (KLE) 10 Elektromaschinen-Elektronik (EME)
11 Bidirektionaler DC/AC-Wandler 12 Bidirektionaler DC/AC-Wandler des Hochvolt-Startergenerators
13 Unidirektionaler DC/DC-Wandler 14 Überstromsicherung (in der Versorgungsleitung zum elektrischen Klimakompressor und zum elektrischen Zuheizer (60A))

 

Hinweis!

Die Isolationsüberwachung stellt fest, ob der Isolationswiderstand zwischen aktiven Hochvolt-Komponenten (z. B. Hochvolt-Leitungen) und der Masse oberhalb eines geforderten Mindestwerts liegt. Wenn der Isolationswiderstand den Mindestwert unterschreitet, besteht die Gefahr, dass Fahrzeugteile unter einer gefährlichen Spannung stehen. Bei Berühren einer zweiten, aktiven Hochvolt-Komponente bestünde die Gefahr eines elektrischen Schlags.

Deshalb gibt es für das Hochvolt-System eine vollautomatisch ablaufende Isolationsüberwachung. Sie wird von der Speichermanagement-Elektronik (SME) während des aktiven Hochvolt-Systems in regelmäßigen zeitlichen Abständen ausgeführt.

Systemfunktionen

Folgende Systemfunktionen werden beschrieben:
  • Kühlung
  • Funktionsübersicht

Kühlung

Die Elektromaschinen-Elektronik (EME) und die Komfortladeelektronik (KLE) werden durch einen eigenständigen Kühlmittelkreislauf (Niedertemperatur) gekühlt.

Index Erklärung Index Erklärung
A Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher (Kühlmittelkreislauf der Hochvolt-Komponenten) B Ausgleichsbehälter für Kühlmittel (Kühlmittelkreislauf der Hochvolt-Komponenten)
C Elektrische Kühlmittelpumpe (Kühlmittelkreislauf der Elektromaschinen-Elektronik, 80 Watt) D Hochvolt-Startergenerator
E Komfortladeelektronik (KLE) F Elektromaschinen-Elektronik (EME)
G Elektromaschine
1 Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 2 Elektrolüfter
3 Kennfeldthermostat (Verbrennungsmotor) 4 Mechanische Kühlmittelpumpe (Verbrennungsmotor)
5 Abgasturbolader 6 Verbrennungsmotor
7 Elektrische Kühlmittelpumpe für den Heizkreislauf (20W) 8 Heizungswärmetauscher
9 Elektrischer Zuheizer 10 Elektrisches Umschaltventil (Heizkreislauf)
11 Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher 12 Elektrische Kühlmittelpumpe für Abgasturbolader
13 Ausgleichsbehälter für Kühlmittel (Kühlmittelkreislauf Verbrennungsmotor)

Funktionsübersicht

Die Elektromaschinen-Elektronik (EME) führt zusammengefasst folgende Funktionen aus:

  • Steuerung der internen Komponenten durch das EME-Steuergerät
  • Versorgung des 12-V-Bordnetzes über den DC/DC-Wandler
  • Regelung der Elektromaschine (Drehzahl, Drehmoment) mithilfe des Umrichters
  • Anschluss der Elektromaschine über Hochvolt-Leitungen
  • Anschluss der Hochvolt-Batterie
  • Anschluss der Komfortladeelektronik
  • Anschluss des elektrischen Klimakompressors
  • Anschluss des elektrischen Zuheizers
  • Kommunikation mit anderen Steuergeräten
  • Kühlung der Elektromaschinen-Elektronik
  • Ansteuerung der elektrischen Unterdruckpumpe
  • Aktive und passive Entladung der Zwischenkreiskondensatoren auf eine Spannung kleiner 60 Volt
  • Aktive Signalauswertung für Hochvolt-Kontaktüberwachung
  • Selbsttest und Diagnosefunktionen

Hinweise für den Service

Allgemeine Hinweise

Warnung!

Hybrid-Fahrzeuge haben ein zusätzliches Hochvolt-Bordnetz, bei dem spezielle Sicherheitsvorschriften zu beachten sind.

Arbeiten an spannungsführenden Hochvolt-Komponenten sind generell verboten. Vor jedem Arbeitsschritt, bei dem eine Hochvolt-Komponente betroffen ist, muss das Hochvolt-System spannungsfrei geschaltet und gegen unbefugte Wiederinbetriebnahme gesichert werden:
  1. Zündung ausschalten.
  2. Hochvolt-Sicherheitsstecker (Service Disconnect) abstecken.
  3. Hochvolt-Sicherheitsstecker gegen Wiedereinstecken sichern.
  4. Zündung einschalten.
  5. Wartezeit von 10 s zwingend einhalten bis die Check-Control-Meldung “Hochvolt-System abgeschaltet” (ID 636) in der Instrumentenkombination angezeigt wird.

Diagnosehinweise

Hinweis!

Servicefunktionen beachten!

Über das Diagnosesystem stehen mehrere Servicefunktionen für die Elektromaschinen-Elektronik zur Verfügung:

Pfad: Servicefunktionen > Antrieb > Hybrid-Fahrzeug > Elektromaschinen-Elektronik

 

Druckfehler, Irrtümer und technische Änderungen vorbehalten.

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