Berechnung von Fahrzeugantrieben mit FEMAG

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Jakob Bachmeier
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1 Berechnung von Fahrzeugantrieben mit FAG 1

2 Übersicht Vorstellung Produkte Elektrischer Antrieb PESM Analytische Antriebsberechnung FemKe - F-basierte Antriebsberechnung Ausblick 2

3 Vorstellung /1/ - Marcus Alexander Studium der Elektrotechnik an der Universität Hannover Vordiplom 1990 Hauptdiplom 1994 Fachrichtung Energietechnik, Schwerpunkt elektrische Maschinen und Antriebe Diplomarbeit bei Siemens in Nürnberg Berechnung von Gleichstrombahnantrieben Promotion am IAL (Uni Hannover) Netzrückwirkungen von Windkraftanlagen Fa. Schorch in Mönchengladbach Auslegung von High-Speed Asynchronmaschinen Seit 2003 bei der Robert Bosch GmbH Auslegung Motorkühlgebläse in Bühl bis Ende 2004 Auslegung von permanenterregten Synchronmaschinen und Asynchronmaschinen für Hybridfahrzeuge bis 2008 bei Fa. Bosch in Schwieberdingen Seit 2008 Teamleiter Magnetkreisauslegung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge 3

Drehmomente: bis 300Nm Drehzahlen: bis 18.

4 Vorstellung /2/ - Entwicklungsbereich SG-EHM Elektrische Maschinen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge Schwerpunkt: Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) Kühlung: Wassermantel Außendurchmesser: mm Drehmomente: bis 300Nm Drehzahlen: bis rpm Leistungen: bis 110kW Weitere Studien mit Asynchronmaschinen, elektrisch erregten Synchronmaschinen und Reluktanzmaschinen, etc. Ca. 80 Mitarbeiter am Standort Schwieberdingen (Tamm) 4

5 Vorstellung /3/ - Electric Machine Product Portfolio D o[mm] [kw] HEV Pm ca. 250V dc IMG 300 IMG mhev SMG Bosch covers HEV / EV market requirements Flexible design-kits w/ scalable design & production line concept 1 300Nm SMG 180 (P)HEV 2 200Nm Nm 100Nm Rough estimation! L Fe[mm] 5 EV 3 220Nm EV Pm ca. 400V dc [kw] SMG Targets for Standardization: IMG: SMG: P1 / P2 Hybrid City EV / ead / edct (E-W) Compact EV BSG (Belt-P1) edct (N-S) D o : Outer stator diameter L Fe : Iron length IMG Integrated Motor Generator Separate Motor Generator

6 Elektrischer Antrieb /1/ Batterie Wechselrichter Elektr. Maschine I DC I L U L-L U DC Rotorposition DC-Spannung U DC Max. DC-Strom I DC,max Übersetzungsverhältnis k WR Max. Ausgangsfrequenz f WR,max Max. Phasenstrom I L,max Verluste P V,WR Verfügbarer Bauraum M(n) (M,n) M p-p (M,n) I KS 6

7 Elektrischer Antrieb /2/ Ziele der Berechnung: Auslegung von Magnetkreisen, die ein Optimum bezüglich mehrerer Kriterien darstellen Drehmoment bei kleinen Drehzahlen Leistung bei hohen Drehzahlen Wirkungsgrad im Fahrzyklus Drehmomentwelligkeit Kosten Minimierter Bauraum Berechnung von Kennfeldern für nachgeschaltete Fahrzeugsimulationen, z.b. Antriebwirkungsgrad Motorverluste 7

8 PESM - Analytische Antriebsberechnung /1/ Seit 2004 unter Matlab in Verwendung ~ R DS,on R kb I S U V,eff U DC U KLi U S R bi U b0 8

9 PESM - Analytische Antriebsberechnung /2/ Eigenentwicklung der Robert-Bosch GmbH (Matlab) Schnelle Berechnungsmethode, weil ein vereinfachtes magnetisches Ersatzschaltbild verwendet wird In jedem Betriebspunkt wird eine Magnetkreisrechnung durchgeführt (inkl. Sättigung). Ein Betriebspunkt wird so berechnet, dass sich entweder maximales Drehmoment oder maximaler Antriebswirkungsgrad (Teillastbereich) ergibt. Nachteile: - Nur vorgegebene Standardgeometrien berechenbar - Berechnungsgenauigkeit für Magnetkreis mit vereinfachtem Ersatzschaltbild nicht vergleichbar mit FE-Methode 9

Betriebspunkte im Antrieb mit FemKe (Matlab) Schritt 3: Darstellung der Ergebnisse

10 FemKe F-basierte Antriebsberechnung /1/ Seit 2007 in der Entwicklung Schritt 1: 100 Betriebpunkte mit FAG (M, d q, M pp, P V,Fe ) Schritt 2: Berechnung optimaler Betriebspunkte im Antrieb mit FemKe (Matlab) Schritt 3: Darstellung der Ergebnisse Batterie PWR Pro Blechschnitt ca h mit 1 Prozessor 1 Kennlinie: s 1 Kennfeld: 5 20 min 10

11 FemKe F-basierte Antriebsberechnung /2/ RB-Eigenentwicklung Kombiniert die Vorteile von FE-Methode und analytischer Magnetkreisberechnung Berechnung beliebiger Blechschnitte möglich Magnetkreisberechnung wird für jeden Blechschnitt nur einmalig durchgeführt (100 Betriebspunkte, inkl. Sättigung) Applikation (Änderung Windungszahl und/oder Länge) ohne erneute F- Rechnung durchführbar. Einfache Anpassung im GUI möglich. Ein Betriebspunkt wird so berechnet, dass sich entweder maximales Drehmoment oder maximaler Antriebswirkungsgrad (Teillastbereich) ergibt. Nachteile: - Zeitaufwand für initiale FE-Berechnung mehrere Stunden (reduzierbar durch gleichzeitige Nutzung mehrerer Prozessoren) - Parameterstudien für Optimierung der Blechschnittgeometrie aufwändig - Änderung der Magnettemperatur (Remanenz) erfordert neue FE-Rechnung 11

12 FemKe F-basierte Antriebsberechnung /3/ Vergleich Messung / Rechnung Differenz berechneter Wirkungsgrad [%] - gemessener Wirkungsgrad [%] Vergleich in ca. 100 Gitterpunkten Messung mit Erfassung Wicklungs- und Rotortemperatur Rechnung mit konstanten Korrekturfaktoren Größere Abweichungen bei kleinen Drehmomenten und Drehzahl durch Mess- und Rechenungenauigkeit bei sehr kleinen Leistungen 12

13 FemKe Letzte Neuerungen /1/ 1) Automatisierte Parameterstudien durch Nutzung der fsl-skripte möglich. Max.shaft power Max.Torque 13

2) Automatisierte Kennfeldberechnung (Betriebspunkte Antrieb) 3) Analyse der Eisenverluste inkl. graphischer Darstellung im Kennfeld.

14 FemKe Letzte Neuerungen /2/ Automatisierte Analyse der Eisenverluste nach Frequenz, Bereich und Art (Hysterese- oder Wirbelstromverluste) 1) Definition von 5 Subregionen im FAG- Modell. 2) Automatisierte Kennfeldberechnung (Betriebspunkte Antrieb) 3) Analyse der Eisenverluste inkl. graphischer Darstellung im Kennfeld. Schritt 1: 100 Betriebpunkte mit FAG (M, d q, M pp, P V,Fe ) Schritt 2: Berechnung optimaler Betriebspunkte im Antrieb mit FemKe (Matlab) Batterie PWR Eisenverlustberechnung erfolgt über Auswertung der LIS-Datei 14

Ausblick Multizieloptimierung Magnetkreis Kopplung an CR-Multizieloptimierer mit Hilfe von CR/ARE3 (Wegst, Albunnni) Ziel: Testlauf auf CR-Rechencluster bis E2010 Automatisierung: Schnittstellen zu

15 Ausblick Multizieloptimierung Magnetkreis Kopplung an CR-Multizieloptimierer mit Hilfe von CR/ARE3 (Wegst, Albunnni) Ziel: Testlauf auf CR-Rechencluster bis E2010 Automatisierung: Schnittstellen zu thermischer und mechanischer Auslegung Elektromagnetisch Mechanisch Schritt 1: Berechnung Schritt 2: Berechnung Antrieb Schritt 3: Darstellung Ergebnisse Auslegung Batt. PWR Thermisch CR-Multizieloptimierer Kopplung in Arbeit 15

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