Elektrische Antriebe im Kfz

Transkript

1 Lehrveranstaltung Elektrische Antriebstechnik Grundlagen und Anwendungen Elektrische Antriebe im Kfz Prof. Dr. Ing. Ralph Kennel Technische Universität München Arcisstraße München

2 Electrical Drives in Cars What Lessons Can We Learn? Be Patient but Persistent with Good Ideas 2004 Toyota Prius Hofwagen-Fabrik J.Lohner & Co. Electrically-Powered Wheels in Early 1900 s Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

3 Electrical Drives in Cars What Lessons Can We Learn? Be Patient but Persistent with Good Ideas 2014 Tesla S

4 Sicherheit Fahrwerk und Bremsen

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7 general requirements Requirements for Electrical Drives in Cars high efficiency (especially in steady operation) low fuel consumption low weight / low size smooth motion low cost highest stress (temperature, dust, corrosion, humidity, mechanical oscillations) high reliability and overload capability (safety related functions, e. g. ABS, wiper system) different operation modes (steady state operation e. g. pumps, fans; short operation e. g. positioning)

8 Merkmale von elektrischen Antrieben im Kfz Kurzzeit- Antriebe Stell- Dauer- Antriebe Pumpen-/Lüfter- Günstiger Wirkungsgrad Geringer Raumbedarf evtl. gute Gleichlaufeigenschaften Hohes Spitzendrehmoment Konstantes Maximaldrehmoment Hohes Dauerdrehmoment Konstante Maximalleistung

9 Merkmale von elektrischen Antrieben im Kfz Kurzzeit- Antriebe Stell- Dauer- Antriebe Pumpen-/Lüfter- Günstiger Wirkungsgrad Geringer Raumbedarf evtl. gute Gleichlaufeigenschaften Hohes Spitzendrehmoment Konstantes Maximaldrehmoment Hohes Dauerdrehmoment Konstante Maximalleistung

10 Automotive Application : Electric Power Steering Modular Packaging Fuel Economy Tunable Steering Standard Equipment in Some New Models Variety of Configurations Delphi Automotive E-Steer System Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

11 Automotive Application : Electric Power Steering Modular Packaging Fuel Economy Tunable Steering Standard Equipment in Some New Models Variety of Configurations Delphi Automotive E-Steer System Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

12 Automotive Application : Electromechanical Valve Actuators Capable of providing significant engine performance benefits in areas of fuel economy, emissions and engine power density FEV Challenges include peak actuator power and noise FEV, Germany Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

13 Automotive Application : Electromechanical Valve Actuators Capable of providing significant engine performance benefits in areas of fuel economy, emissions and engine power density FEV Challenges include peak actuator power and noise FEV, Germany Source : Prof. Tom Jahns, PEMD 04, University of Wisconsin, Madison, WI, USA

14 Elektrochemische Motoren Elektromagnetische Motoren Motoren mit mechanischer Kraftübertragung bürstenbehaftete Motoren bürstenlose Motoren piezoelektrische Motoren Unipolarmotoren Gleichstrommotoren Drehfeldmotoren asynchron synchron Wanderwellenmotoren Ultraschallmotoren Feldwicklung Feldmagnete (Reihen-) Hauptschluss Schleifringläufer Nebenschluss Käfigläufer Reluktanz mit Feldwicklung Permanentmagnet Transversalfluss Doppelschluss frequenzgesteuert feldorientiert Synchron- Reluktanz Geschaltete Reluktanz Schrittmotoren trapezförmige EMK sinusförmige EMK vergrabene Magnete Oberflächenmagnete

15 Elektrochemische Motoren Elektromagnetische Motoren Motoren mit mechanischer Kraftübertragung bürstenbehaftete Motoren bürstenlose Motoren piezoelektrische Motoren Unipolarmotoren Gleichstrommotoren Drehfeldmotoren asynchron synchron Wanderwellenmotoren Ultraschallmotoren Feldwicklung Feldmagnete (Reihen-) Hauptschluss Schleifringläufer Nebenschluss Käfigläufer Reluktanz mit Feldwicklung Permanentmagnet Transversalfluss Doppelschluss frequenzgesteuert feldorientiert Synchron- Reluktanz Geschaltete Reluktanz Schrittmotoren trapezförmige EMK sinusförmige EMK vergrabene Magnete Oberflächenmagnete

16 Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen DC SM ASM Vorteile - einfach zu regeln - Innenbelüftung einfach zu realisieren - hohe Schutzart - geringer Raumbedarf - Wartungsfreiheit - niedriges Eigenträgheitsmoment - hohes Stillstands- Drehmoment - hohe Dynamik - Verlustleistung im Stator - hohe Schutzart - Wartungsfreiheit - hohe Überlastbarkeit - niedrige Kosten - hohes Stillstands- Drehmoment - großer Drehzahlstellbereich Nachteile - niedrige Schutzart - mechanischer Verschleiß (Bürsten, Kollektor) - Strombegrenzung - Stillstand (Kollektor-Lamellen) - hohe Drehzahl (Kommutierung) - max. Klemmenspannung von 200 V (Trafo notwendig) - Verlustleistung im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohe Kosten - eingeschränkter Drehzahlbereich - eingeschränkte Überlastbarkeit (Entmagnetisierungsgefahr) - Oberschwingungs- Verluste vorwiegend im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohes Trägheitsmoment - Feldstrom erforderlich (Verluste, Bauvolumen, größerer Umrichter) - komplexe Regelung - parameterabhängige Regelung

17 Vergleich von verschiedenen elektrischen Maschinen DC SM ASM Vorteile - einfach zu regeln - Innenbelüftung einfach zu realisieren - hohe Schutzart - geringer Raumbedarf - Wartungsfreiheit - niedriges Eigenträgheitsmoment - hohes Stillstands- Drehmoment - hohe Dynamik - Verlustleistung im Stator - hohe Schutzart - Wartungsfreiheit - hohe Überlastbarkeit - niedrige Kosten - hohes Stillstands- Drehmoment - großer Drehzahlstellbereich Nachteile - niedrige Schutzart - mechanischer Verschleiß (Bürsten, Kollektor) - Strombegrenzung - Stillstand (Kollektor-Lamellen) - hohe Drehzahl (Kommutierung) - max. Klemmenspannung von 200 V (Trafo notwendig) - Verlustleistung im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohe Kosten - eingeschränkter Drehzahlbereich - eingeschränkte Überlastbarkeit (Entmagnetisierungsgefahr) - Oberschwingungs- Verluste vorwiegend im Rotor (Wärmeabfuhr über Welle) - hohes Trägheitsmoment - Feldstrom erforderlich (Verluste, Bauvolumen, größerer Umrichter) - komplexe Regelung - parameterabhängige Regelung

18 historische Entwicklung bei industriellen Antrieben

19 historische Entwicklung bei industriellen Antrieben wer das Ergebnis voraussah und diesen Weg wählte, war pleite, bevor es soweit kam

20 künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben??? bis 2000 seit 2000 ab 20xx?

21 künftige Entwicklung bei Kfz-Antrieben??? bis 2000 seit 2000 ab 20xx?