Reduktion der Batteriekapazität in Elektrofahrzeugen durch Wirkungsgradsteigerung des elektrischen Antriebstranges

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1 Reduktion der Batteriekapazität in Elektrofahrzeugen durch Wirkungsgradsteigerung des elektrischen Antriebstranges Eva Knischourek, Klaus Mühlbauer, Dieter Gerling Abstract Reduction of energy losses in the components of an electric vehicle is a vital issue to ensure a larger range or reductions of certain components. This paper presents ways to improve the efficiency of electric machine and power electronics which leads to a possible reduction of battery size by several percent. An effect which makes this efficiency improvement possible is the fact that electric vehicles operate at partial load most of the time and therefore an optimization of the components regarding medium or low load operation is necessary. Said optimization is achieved by implementing a new winding system for the electric machine and an improved topology for the inverter. The effects these changes have on the power losses of the electric drive train are shown in simulation for an example driving cycle. A comparison between improved and standard components is made. Kurzfassung Die Reduzierung von Verlustleistung in den Komponenten eines Elektrofahrzeugs ist essentiell, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen oder Einsparungen an anderen Komponenten zu ermöglichen. In diesem Beitrag werden Möglichkeiten vorgestellt, die Effizienz von elektrischer Maschine und Leistungselektronik zu erhöhen, was eine Verkleinerung der Batteriekapazität um einige Prozent ermöglicht. Diese Effizienzsteigerung basiert auf der Tatsache, dass Elektrofahrzeuge hauptsächlich im Teillastbereich betrieben werden, was eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Komponenten hinsichtlich des Betriebs bei kleinen und mittleren Leistungen nötig werden lässt. Diese wird durch ein neuartiges Wicklungssystem für die elektrische Maschine und eine verbesserte Invertertopologie erzielt. Die Folgen hiervon für die Verlustleistung des elektrischen Antriebs werden durch Simulation anhand eines exemplarischen Fahrzyklus aufgezeigt. Ein Vergleich der verbesserten mit herkömmlichen Komponenten wird außerdem gezogen. 1. Einleitung Trotz beachtlicher Fortschritte in der Batterietechnologie in den letzten Jahren ist die verfügbare Energie in einem Elektrofahrzeug stark limitiert und der Energiegehalt heutiger Batterien mit dem von herkömmlichen Kraftstoffen kaum zu vergleichen. Die Größe der Batterie bestimmt hierbei maßgeblich die verfügbare Energie und damit die Reichweite des Fahrzeugs. Jedoch kann die Batteriekapazität, die dem Volumen

2 und Gewicht der Batterie proportional ist, nicht beliebig vergrößert werden. Daher ist es notwendig, die zur Verfügung stehende Energie bestmöglich zu nutzen. Eine weitere Motivation, den Energieverbrauch im Fahrzeug zu reduzieren, sind die Einsparungen, die an der Batterie möglich wären. Bleibt die Reichweite des Fahrzeugs unverändert, die aus der Batterie entnommene Energie wird jedoch reduziert, so ist es möglich die Kapazität des Speichers in gleichem Maße zu verringern. Hierzu werden im Folgenden zwei neue Topologien für elektrische Maschine und Leistungselektronik vorgestellt, die besonders im Teillastbetrieb einen verbesserten Wirkungsgrad, verglichen mit herkömmlichen Komponenten, aufweisen. Von besonderer Bedeutung ist hier die Betrachtung des gesamten Antriebs, also der Kombination von Leistungselektronik und Maschine, da diese sich gegenseitig beeinflussen was auch im Wirkungsgrad bemerkbar wird. 2. Verlustbetrachtung des elektrischen Antriebsstrangs Um auf die Reduzierung der Verluste in den Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs detaillierter eingehen zu können, ist es notwendig einen Überblick über die in der elektrischen Maschine und der Leistungselektronik auftretende Verlustleistung zu bekommen. Die verschiedenen Arten von Verlustleistungen werden in diesem Kapitel zusammengefasst. Die übrigen Fahrzeugkomponenten wie Regelung, Hochvoltverbraucher und Niedervoltbordnetz werden hier nicht betrachtet. 2.1 Verluste in der elektrischen Maschine In der elektrischen Maschine, in diesem Fall eine permanenterregte Synchronmaschine, treten drei Arten von Verlustleistung auf: elektrische, magnetische und Reibungsverluste [1]. Elektrische Verluste treten in den Wicklungen der Maschine, verursacht durch deren ohmschen Widerstand, auf. Sie lassen sich nach folgender Gleichung (1) berechnen. P V,el = R Wicklung I² (1) Magnetische Verluste lassen sich untergliedern in Hysterese- und Wirbelstromverluste. Beide werden durch das magnetische Feld beziehungsweise dessen Änderung verursacht und wie in (2) und (3) dargestellt berechnet. P V,hyst = σ hyst f el B max ² m Fe dm (2) P V,wirb = σ wirb f el ² B max ² m Fe dm (3) Die dritte Verlustart, Reibungs- oder mechanische Verluste, sind auf die Reibung in den Lagern der Maschine zurückzuführen. Sie berechnen sich nach (4). P V,reib = k reib D PSM π l PSM (r PSM ω mech ) (4)

3 Aus Gleichungen (1) bis (4) wird ersichtlich, dass die Verlustleistung, die in der elektrischen Maschine entsteht von Strom und elektrischer Frequenz abhängig ist. Damit hat der aktuelle Betriebspunkt einen großen Einfluss auf die Verluste, wobei ein hohes Drehmoment in erster Näherung einem hohen Strom und eine hohe Drehzahl einer hohen Frequenz entspricht. 2.2 Verluste in der Leistungselektronik Bei der Effizienzbetrachtung der Leistungselektronik wird zwischen Durchlass- und Schaltverlusten unterschieden [2]. Schaltverluste treten beim Ein- und Ausschalten des Transistors und beim Ausschalten der Diode auf. Daher hängt die entstehende Verlustleistung von der Schaltfrequenz und der für den Schaltvorgang benötigten Energie ab, was aus (5) und (6) ersichtlich wird. P V,schalt,D = E rec,a0 2 P V,schalt,T = + E rec,a1 π E on,a0 + E on,a1 2 π E off,a0 2 + E off,a1 π 2 I AC + E rec,a2 n D 4 2 I AC + E on,a2 n T 4 2 I AC + E off,a2 n T 4 2 I 2 AC n D 2 I 2 AC n T 2 I AC n T n D f S + 2 n T f S U DC U DC,nom U DC U DC,nom (5) (6) E on, E off und E rec beziehen sich hierbei auf die Schaltenergien von Transistor und Diode. Diese sind komponentenspezifische Parameter und ungefähr proportional zur aktiven Chipfläche bezogen auf die Gate-Source-Kapazität. Die Durchlassverluste hängen in erster Linie vom Strom durch den Halbleiter und dem Widerstand von Transistor und Diode ab. Nach (7) lassen sich die Durchlassverluste, unter Verwendung der jeweiligen Parameter, berechnen. 2 I AC u D0 nd P V,durchl,D/T = T E rec,a2 r D/T 4 1 2π α cos φ I AC n D/T α 3π cos φ n D/T (7) 3. Nutzung von Elektrofahrzeugen Die Effizienz der Komponenten eines Antriebs bestimmt dessen Wirkungsgrad. Da die Komponenten darauf ausgelegt sind, eine bestimmte maximale Leistung bereitzustellen, ist ihr Wirkungsgrad für diese Betriebspunkte hoher Leistung üblicherweise am besten. Allerding treten solche Bedingungen während des normalen Betriebs eines Elektrofahrzeugs, beispielsweise im Stadtverkehr, sehr selten auf. Hier wird eher

4 eine geringe bis mittlere Leistung gefordert [3]. Als Beispiel für diese typische Nutzung von Elektrofahrzeugen soll hier der Artemis Road Fahrzyklus dienen. Bild 1 zeigt die Häufigkeiten der Betriebspunkte im Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld, wobei deutlich wird, dass die meisten Betriebspunkte bei mittleren Drehzahlen und kleinen Momenten liegen. Hohe Leistungen werden so gut wie nie gefordert. Bild 1: Häufigkeit der Betriebspunkte für den Artemis Road Fahrzyklus Diese Tatsache verdeutlicht die Notwendigkeit einer Wirkungsgradverbesserung der Antriebskomponenten im Teillastbereich, um die Verlustleistung im Fahrzeug zu verringern. Im Folgenden werden Möglichkeiten hierzu vorgestellt. 4. Methoden zur Effizienzsteigerung Neuartige Varianten von elektrischer Maschine und Leistungselektronik, um den Wirkungsgrad im Teillastbereich zu verbessern wurden entwickelt und mit herkömmlichen Komponenten verglichen. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Simulation des Artemis Road Zyklus für den jeweiligen Antrieb vorgestellt. Um eine aussagekräftige Beurteilung treffen zu können, wurden für jede Komponente dieselben Randbedingungen angenommen: Nominale DC-Spannung: U DC = 300V Maximales Drehmoment: T max = 4700min -1 ( P 123kW ) Maximale Drehzahl: n max = min -1 Drehmomentwelligkeit: T ripple 5%

5 4.1 Elektrische Maschine Eine Möglichkeit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu verbessern liegt in einer Veränderung der Wicklung [4]. Hier soll speziell auf permanenterregte Synchronmaschinen eingegangen werden. Diese sind üblicherweise mit einer dreiphasigen, verteilten Wicklung ausgestattet. Für die hier als Standard angenommene Maschine hat diese 8 Pole und 48 Nuten. Hinreichend bekannt ist ebenfalls eine 10-polige Anordnung mit 12 Nuten und konzentrierter Wicklung, die gegenüber der Standardvariante einfacher umzusetzen und effizienter ist. Jedoch weist diese Wicklung große Nachteile wie Vibration und Geräuschentwicklung auf, was auf radiale Kräfte und Oberwellen des magnetischen Flusses zurückzuführen ist. Diese Oberwellen tragen nicht zur Drehmomentbildung bei, verursachen aber hohe Verluste im Eisen und den Magneten. Daher ist eine solche Wicklungstopologie für die Anwendung im Elektrofahrzeug ungeeignet. Durch eine Anpassung der Wicklung werden die zuvor genannten Nachteile umgangen. Diese neue Wicklung besteht aus zwei Wicklungssystemen mit je 12 Nuten und 10 Polen, die um einen Winkel α W geometrisch verschoben und dann in die Nuten eingelegt werden wobei sich die Nutzahl auf 24 erhöht. Ein Schema dieser Wicklung ist in Bild 2 dargestellt. Bild 2: Wicklungsschema der optimierten elektrischen Maschine Das Ergebnis ist eine verringerte Drehmomentwelligkeit und daher weniger Vibration und Geräusche. Die Vorteile einer konzentrierten Wicklung, wie kürzere Wickelköpfe und einfachere Produktion, bleiben erhalten. Weiterhin benötigt die Maschine mit der neuen Wicklung einen geringeren Strom um dasselbe Moment bereitzustellen wie die Standardmaschine. Nach Formel (1) ergibt sich hierdurch eine Verringerung der Verluste. Die Differenz des Wirkungsgrads beider Maschinen ist in Bild 3 gezeigt. Vor allem im Teillastbereich übertrifft die optimierte Maschine die herkömmliche, in den aus Bild 1 ersichtlichen relevanten Betriebspunkten liegt die Verbesserung im Wirkungsgrad bei etwa 5 bis 10 Prozentpunkten.

6 Bild 3: Differenz der Wirkungsgrade von optimierter und herkömmlicher Maschine Der geringere Strombedarf der neuen Maschine wirkt sich auch positiv auf den Wirkungsgrad der Leistungselektronik aus, die nach Gleichungen (5) bis (7) ebenso vom Strom beeinflusst werden. Die verringerte Verlustleistung und der niedrigere Strom machen eine Neuauslegung und Einsparungen beim Umrichter möglich, beispielsweise was die Kühlung betrifft. Somit werden Vorteile bezüglich des Wirkungsgrads und der Kosten möglich [5], [6]. 4.2 Leistungselektronik Neben einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Leistungselektronik aufgrund eines geringeren Stroms in der Maschine, bestehen noch weitere Möglichkeiten deren Effizienz vor allem im Teillastbetrieb zu steigern [7]. Eine neuartige Topologie ermöglicht die Variation der aktiven Chipfläche im Betrieb. Dies wird durch einen Aufbau ermöglicht, bei dem mehrere parallel geschaltete IGBTs pro Ventil verwendet werden, um den benötigten Strom zu leiten. Durch zusätzliche Schalter im Ansteuerungspfad besteht die Möglichkeit, die Anzahl der aktiven Chips zu variieren, was einer Veränderung der aktiven Chipfläche gleichkommt. In Bild 4 ist ein schematischer Aufbau eines solchen Ventils mit den zusätzlichen Schaltern (gestrichelter Kreis) gezeigt. Da nach Gleichungen (5) und (6) die Chipfläche in Form der Schaltenergien zur Verlustleistungsentstehung beiträgt, werden durch eine Verkleinerung der Chipfläche auch die Schaltverluste geringer.

7 Bild 4: Schematischer Aufbau eines Ventils der neuen Topologie Andererseits bedeutet eine kleinere aktive Chipfläche eine Erhöhung der Durchlassverluste aufgrund eines größeren Widerstands. Daher hat die Anzahl der aktiven Chips einen großen Einfluss auf die Verluste in der Leistungselektronik und muss abhängig vom Betriebspunkt gewählt werden. So sollten bei hohem Strom alle IGBTs genutzt werden, in Teillast sind weniger notwendig. Eine Effizienzsteigerung ergibt sich daraus, dass im Bereich hoher Leistung die Durchlassverluste überwiegen, bei kleinen Strömen allerdings die Schaltverluste. Eine Simulation zeigt, dass der optimierte Inverter im Vergleich mit einem Standardbauteil für den Artemis Road Zyklus eine um 36 % kleinere Verlustenergie erzeugt, wie in Bild 5 als gepunktete Linie dargestellt. Diese Abbildung zeigt ebenfalls die Verlustenergien für die beiden elektrischen Maschinen (gestrichelte Linien) und den Standard- sowie den optimierten Antrieb (durchgezogenen Linie). Es sind unterschiedliche Strategien möglich, die Anzahl der aktuell aktiven Chips zu ermitteln. Beispielsweise könnte sie proportional zur Stromanforderung in Schrittweiten, die der Stromtragfähigkeit der Chips entsprechen, gesteigert werden. Mit jeder Erhöhung der benötigten Stromstärke um beispielsweise 100 A würde ein weiterer 100A-IGBT hinzu geschaltet. Eine weitere Ansteuerungsmöglichkeit liegt darin, nach oben erwähnten Gleichungen die aktuelle Verlustleistung zu berechnen und durch Ableiten die optimale Chipanzahl für minimale Verluste zu ermitteln. Bild 5: Verlustenergien der optimierten und Standardkomponenten

8 5. Auswirkungen auf die Batteriekapazität Für die Batterie ist vor allem der Gesamtwirkungsgrad des gesamten Antriebs, also Leistungselektronik kombiniert mit elektrischer Maschine, entscheidend [8]. Bereits aus Bild 5 wird ersichtlich, dass eine Verringerung der Verlustenergie mit dem optimierten Antrieb von etwa 26 % erzielt wird. Wie in Bild 6 gezeigt, ist der Wirkungsgrad des optimierten Antriebs über den gesamten Verlauf des Fahrzyklus größer als der des Standardantriebs, in Maxima um über 10 %. Der mittlere Wirkungsgrad, im Bild als gestrichelte Linien dargestellt, wurde um ca. 6 % verbessert. Bild 6: Wirkungsgradverlauf für optimierten und herkömmlichen Antrieb Ein weiteres Simulationsergebnis zeigt die Energie, die während des Fahrzyklus aus der Batterie entnommen wird, dargestellt in Bild 7. Während die Verlustenergie der beiden Antriebe kontinuierlich aber mit verschiedenen Gradienten ansteigt, wird auch die Different der aus der Batterie entnommenen Energie immer deutlicher. Am Ende des Zyklus liegt der Unterschied bei etwa 6 %. Einerseits steht nun diese eingesparte Energie für den Antrieb des Fahrzeugs oder andere Verbraucher zur Verfügung, wenn für beide Fälle dieselbe Batterie verwendet wird. Damit lässt sich die Reichweite des Fahrzeugs erhöhen.

9 Bild 7: Aus der Batterie entnommene Energie für beide Antriebe Andererseits bietet es sich an, die Batteriekapazität zu verringern, da für dieselbe Reichweite weniger Energie benötigt wird. Der Energieinhalt der Batterie ist als das Produkt von Spannung und Kapazität definiert. Da die Spannung hier als konstant angenommen wird und der benötigte Energieinhalt sinkt, nimmt in gleichem Maße die nötige Kapazität ab. In diesem Fall um etwa 6 %. Die Gesamtkapazität des Speichers setzt sich aus den Kapazitäten der einzelnen Zellen, die parallel geschaltet sind, zusammen. Benötigt die neue Batterie nur noch 94 % der ursprünglichen Kapazität lässt sich daraus folgern, dass die Anzahl der parallelen Zellen ebenfalls reduziert werden kann. Die Zahl der Zellen in Reihenschaltung bleibt konstant, um eine gleichbleibende Spannung an den Klemmen der Batterie zu gewährleisten. Somit kann die Anzahl der Zellen im Speicher um 6 % reduziert werden. Diese mögliche Verkleinerung des Speichers bringt eine Vielfalt an Vorteilen. Zum einen bietet die kleinere Batterie viele positive Aspekte aus Sicht des Gesamtfahrzeugs. Weniger Zellen bedeuten einen geringeren Bauraumbedarf und verringertes Gewicht der Batterie. Da weniger Zellen verbaut werden, können diese eventuell, bezogen auf den zur Verfügung stehenden Platz, geschickter im Fahrzeug verteilt werden, was Vorteile beim Packaging und der Gewichtsverteilung bringt. Das verringerte Fahrzeuggewicht wiederum wirkt sich positiv auf den Verbrauch und die Fahrdynamik aus. Ein weiterer wichtiger Faktor ist der ökonomische Vorteil einer kleineren Batterie. Da der Speicher den teuersten Teil eines Elektrofahrzeugs ausmacht, wirken sich hier Verbesserungen besonders deutlich auf den Preis des Endprodukts aus. Des Weiteren verringern sich die Kosten für den Antriebsstrang aufgrund der neuartigen Komponenten. Einsparungen bei der Leistungselektronik durch den geringeren Strombedarf der elektrischen Maschine sind möglich und die neue Wicklungstopologie bietet eine Kostenreduzierung im Herstellungsprozess, da die neue Maschine einfacher zu produzieren ist als die Standardvariante. Insgesamt lässt sich somit abschätzen,

10 dass die Kosten des elektrischen Antriebsstrangs, bestehend aus Batterie, Leistungselektronik und elektrischer Maschine, um etwa 5 % verringert werden können [9]. 6. Zusammenfassung In diesem Beitrag wurden neuartige Komponenten für den elektrischen Antrieb eines Elektrofahrzeugs vorgestellt, die besonders auf eine Steigerung des Wirkungsgrads im Teillastbetrieb hin optimiert sind. Simulationen haben eine deutliche Reduzierung der Verlustleistung des Antriebs gezeigt. Basierend auf dieser geringeren Verlustenergie kann, da die Energie, die die Batterie bereitstellen muss verringert wird, eine Neudimensionierung des Speichers erfolgen, so dass dieser um einige Prozent verkleinert werden kann. Der Umfang der möglichen Einsparungen hängt allerdings stark vom betrachteten Fahrzyklus ab. Da die neuen Komponenten für kleine und mittlere Leistungen eine höhere Effizienz aufweisen als die Standardelemente, sind für Szenarien in denen der Teillastbetrieb deutlich überwiegt größere Verbesserungen zu verzeichnen. Im Betrieb mit hoher Leistungsanforderung ist die Differenz im Wirkungsgrad weniger deutlich. Zukünftige Schritte beinhalten den Aufbau von Prototypen der neuen Komponenten, um die Simulationsergebnisse zu verifizieren sowie die Entwicklung weitere Optimierungsstrategien. Literatur [1] G. Mueller, K. Vogt, B. Ponick, Berechnung elektrischer Maschinen, Wiley- Vch, Deutschland, [2] D. Schroeder, Leistungselektronische Schaltungen (Power electronic circuits), Springer, Deutschland, [3] S. Williamson, A. Emadi, and K. Rajashekara, Comprehensive Efficiency Modelling of Electic Traction Motor Drives for Hybrid Electric Vehicle Propulsion Applications, IEEE Transactions on Vehicular Technology, [4] G. Dajaku and D. Gerling, A Novel 24-Slots/10-Poles Winding Topology for Electric Machines, International Electric Machines and Drives Conference, Niagara Falls, Canada, [5] D. Gerling, G. Dajaku, and K. Muehlbauer, Electric Machine Design Tailored for Powertrain Optimization, The 25th World Battery, Hybrid and Fuell Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition, Shenzhen, China, [6] K. Muehlbauer, F. Bachl, and D. Gerling, Analysis of Power Losses in AC/DC- Converter for Electric Vehicle Drive, Vehicle Power and Propulsion Conference, Chicago, USA, [7] K. Muehlbauer and D. Gerling: Improvement of Energy Efficiency in Power Electronics at Partial Load, 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Melbourne, Australia, [8] E. Knischourek, K. Muehlbauer and D. Gerling: Power Losses Reduction in an Electric Traction Drive at Partial Load Operation, International Electric Vehicle Conference, Greenville S.C., USA, 2012.

11 [9] D. Gerling, G. Dajaku, and K. Muehlbauer: Cost-Effective Electric Traction Drive with High Efficiency at Low-Load Operation, VDE-Kongress, Leipzig, Germany, 2010.

12 Autoren / The Authors: Dipl.-Ing. Eva Knischourek, FEAAM GmbH, Neubiberg Dipl.-Ing. Klaus Mühlbauer, Universität der Bundeswehr München, Lehrstuhl für Elektrische Antriebstechnik und Aktorik, Neubiberg Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Gerling, Universität der Bundeswehr München, Lehrstuhl für Elektrische Antriebstechnik und Aktorik, Neubiberg