Zusammenfassung Masterarbeit: Fahrer- und fahrsituationsabhängige Bewertung unterschiedlicher Elektromotorkonzepte

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1 Zusammenfassung Masterarbeit: Fahrer- und fahrsituationsabhängige Bewertung unterschiedlicher Elektromotorkonzepte Motivation Die Bundesregierung hat 2009 den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität verabschiedet, mit dem Ziel bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf die Straße zu bringen. Die flächendeckende Einführung von Elektrofahrzeugen soll zu einer Senkung der Verkehrsbedingten CO 2 Emissionen führen, die Schadstoff-, Lärm- und Feinstaubbelastung in urbanen Räumen senken und somit die Lebensqualität in diesen Räumen nachhaltig verbessern. Die heute angebotenen Elektrofahrzeugmodelle können allerdings aufgrund ihrer hohen Herstellkosten und vergleichsweise geringen Reichweite mit herkömmlichen Fahrzeugkonzepten nicht konkurrieren. Damit in Zukunft alternative Antriebstechniken nicht nur aus umweltspezifischen Gründen konventionellen Automobilen vorzuziehen sind, muss die Effizienz des Antriebsstrangs weiter verbessert werden. Bei automobilen Anwendungen wird kein fester Betriebspunkt des Motors angesteuert, stattdessen kann man sich im gesamten Betriebsbereich der elektrischen Maschine bewegen. Vergleicht man die Kennfelder von permanenterregten Synchronmaschinen (PSM), fremderregten Synchronmaschinen (FESM) und Asynchronmaschinen (ASM), fällt auf, dass die PSM zwar im Vergleich den höchsten Spitzenwirkungsgrad besitzt, jedoch insbesondere bei höheren Drehzahlen die Effizienz der beiden anderen Maschinentypen höher ausfällt. In dieser Arbeit wird untersucht, wie stark der Gesamtwirkungsgrad vom verwendeten Maschinentyp abhängt. Wenn es möglich ist, durch gezielte Optimierung und geschicktes Ausnutzen der Vorteile dieser Maschinentypen den Gesamtwirkungsgrad des Antriebs bei verschiedenen Fahranwendungen zu steigern, wäre nicht mehr der Spitzenwirkungsgrad oder die maximale Leistungsdichte bei der Wahl der Maschine entscheidend, sondern der Betriebsbereich. Je nach Anwendung würde die Maschine gewählt, die über die gesamte Betriebsdauer die größte Effizienz erzielt und somit die beschränkte Energie der Batterie optimal ausnutzt. Hierfür werden verschiedene Elektromotorkonzepte für ausgesuchte Fahrsituationen virtuell erprobt und verglichen. Statt anhand genormter Fahrzyklen erfolgt der Vergleich der Maschinen für einzelne im Alltag häufig vorkommende Fahrsituationen. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wird für alle Maschinen ein gemeinsamer Stator entworfen, in den die jeweiligen Rotoren der Maschinentypen eingepasst sind. Zusätzlich zur Effizienz des Antriebs sind die Kosten ein entscheidendes Auswahlkriterium. Deshalb können wirtschaftliche und wirtschaftspolitische Kriterien ausschlaggebend für die Wahl der verwendeten Maschine sein, falls eine fahrer- und fahrsituationsabhängige Auslegung des Motors keine Vorteile hinsichtlich der Gesamteffizienz bietet 1

2 Entwurf der Maschinen Zunächst werden die Maschinen anhand festgelegter Parameter grobausgelegt. Dies erfolgt mit dem analytischen Motorauslegungsprogramm SPEED. Es sind sowohl Leistung und Drehzahl, als auch Geometrieparameter wie die Maschinenlänge und die Nutenzahl für alle Maschinen identisch. Die Statoren der verschiedenen Maschinentypen werden aus Gründen der Vergleichbarkeit identisch entworfen. Der Nachteil dieses Maschinenaufbaus liegt klar auf der Hand. Besitzen alle Maschinen denselben Stator, handelt es sich bestenfalls um einen guten Kompromiss, da er natürlich nicht optimal auf die einzelnen Maschinentypen zugeschnitten werden kann. Wenn der Austausch des Rotors für verschiedene Fahranwendungen zu einer höheren Gesamteffizienz des Antriebs führt, resultiert daraus eine effizientere Nutzung der Batterieleistung. Das Fahrzeug könnte kundenspezifisch, je nachdem für welchen Zweck es gekauft würde, ausgelegt werden, ähnlich wie es heute schon durch die Wahl zwischen Otto- und Dieselmotoren der Fall ist. Abbildung 1 Der Austausch des Rotors ergibt drei verschiedene Maschinentypen: PSM, FESM und ASM Abbildung 2 Ablaufdiagramm der Maschinenoptimierung. Rotor und Stator werden separat optimiert. Die Optimierung der Maschinen erfolgt iterativ in zwei unabhängigen Teilprogrammen, der Rotor- und der Statoroptimierung. Diese Programme wurden selbstständig in Matlab programmiert. Matlab steuert für die Maschinenberechnungen über einen API-Server das numerische FEM-Programm FLUX2D. Als Referenzpunkt für die Optimierung wird der Wirkungsgrad am Eckpunkt der Grobauslegung herangezogen, folglich minimiert das Optimierungstool die Maschinenverluste in diesem Punkt. Die Rotoren der grobausgelegten Maschinen werden unabhängig voneinander jeweils optimal an den aktuellen Stator angepasst. Anschließend wird versucht eine bessere Statorgeometrie zu finden. Da alle Maschinen den gleichen Stator besitzen, findet die Statoroptimierung parallel statt, vergleiche Abbildung 2. Hier wird das Paretooptimum der Maschinen gesucht. Wenn beide Programme keine Verbesserung mehr erzielen, sind die Motoren optimal an die Vorgaben angepasst. Zu Beginn beider Programmteile müssen die Maschinenart, die Anzahl der Pole, die maximal zulässigen elektrischen Größen der jeweiligen Maschinen, sowie die geforderten Leistungswerte festgelegt werden. Anschließend beginnt der automatisierte Teil. Zunächst hinterlegt Matlab die 2

3 definierten Kenngrößen über den Server in Flux2D, liest für die Optimierung notwendige Maschinenparameter wie die geometrischen Abmessungen aus und speichert sie ab. Nach dieser Initialisierung beginnt die eigentliche Rechnung. Das Programm unterscheidet, um welche Maschine es sich handelt und führt die jeweilige maschinenspezifische Variation der Geometrie und die zugehörige Optimierung mit der gewählten Methode durch. Abbildung 3 Geometrie der grobausgelegten und der optimierten Maschinentypen. Die Optimierung verringerte die Verluste um bis zu 47%. Abbildung 4 Kennfelder der optimierten Maschinen. Der optimierte Eckpunkt und der optimale Wirkungsgradbereich sind markiert. Außerdem erreichen alle Maschinen das vorgegebene Moment bei maximaler Drehzahl M nmax. 3

4 Fahrzyklusanalyse Zur Bewertung der Effizienz der verschiedenen Antriebsstränge müssen zunächst entsprechende Fahranwendungen, die im Alltag eine Rolle spielen, definiert werden. Hierfür stehen genormte Fahrzyklen wie der NEFZ (Neue europäische Fahrzyklus) und der CADC (Common Artemis Driving Cycle) zur Verfügung. Der Vorteil dieser Fahrprofile liegt darin, Simulationen und Labortests beliebig oft reproduzieren zu können, ohne dass sich die Bedingungen ändern. Alle Fahrzyklen haben allerdings das Problem gemeinsam, dass sie nicht nur eine spezielle Situation im Fahrgeschehen abbilden, sondern eine ganze Folge von Aktionen. Auch mit der Unterteilung in die zu Grunde liegenden Straßenarten ist die Einteilung doch eher grob. Deshalb wird in dieser Arbeit ein anderer Ansatz gewählt. Zwar werden die verschiedenen Maschinen mit den genannten Fahrzyklen getestet, allerdings geschieht das ausschließlich im Hinblick auf die Vergleichbarkeit mit ähnlichen Studien. Zusätzlich dazu erfolgen Tests mit einfachen, im Alltag häufig vorkommenden und deshalb für das tägliche Fahrgeschehen wichtigen Fahrsituationen. Dies vermeidet Ungenauigkeiten durch Überlagerungen von Punkten im Kennfeld und ermöglicht es, direkte Aussagen über das Verhalten der Maschinen in definierten Situationen zu treffen. Die Fahrzyklen dagegen beleuchten das Fahrverhalten ausschließlich für eine bestimmte Abfolge dieser Einzelaktionen, die entweder äußerst komplex wie im CADC oder unrealistisch und statisch wie im NEFZ ist. Die Definition der Einzelsituationen erfolgt mit Hilfe von Aufzeichnungen eigener Testfahrten. Zum Vergleich wird die mittlere Effizienz der Maschinen für die betrachtete Fahrsituation ermittelt. Hierfür werden mit Hilfe der in den Betriebspunkten umgesetzten Energie die mittleren Maschinenwirkungsgrade für die betrachteten Fahrsituationen ermittelt. Die Bewertung der Maschinen anhand definierter Einzelsituationen ergibt genau definierte Betriebsbereiche in den entsprechenden Maschinenkennfeldern. Abbildung 5 Vergleich der Betriebspunkte von der Einzelsituation Autobahnauf- und Abfahrt. Man erkennt, dass es Unterschiede bei den in den Betriebspunkten umgesetzten Energien gibt. 4

5 Vergleich und Ergebnis Der Vergleich zeigt, dass die PSM insbesondere beim Rangieren und Innerorts, also im niedrigen Drehzahlbereich, in welchem charakteristisch die höchsten Wirkungsgrade des PSM Kennfeldes liegen, deutlich effizienter ist als die beiden anderen Maschinentypen. Mit zunehmender Geschwindigkeit der Fahrsituationen sinkt allerdings der Wirkungsgrad der PSM und die Wirkungsgrade der anderen Maschinen nehmen zu. Im hohen Drehzahlbereich dominieren die FESM und die ASM aufgrund ihres guten Feldschwächverhaltens. Betrachtet man allerdings eine gesamte Messfahrt oder einen gemischten Fahrzyklus (CADC road) fallen die Abweichungen trotz dieser signifikanten Unterschiede gering aus. Folglich ist aus technischer Sicht keine Maschine den anderen vorzuziehen, solange die genauen Betriebspunkte über die gesamte Lebensdauer der Maschinen nicht bekannt sind. Die Wahl des verwendeten Maschinentyps kann somit aufgrund anderer Kriterien erfolgen. Abbildung 6 Vergleich der errechneten mittleren Effizienz der drei Maschinentypen für definierte Einzelsituationen, die gesamte Testfahrt und ausgesuchte genormte Fahrzyklen. Es fällt auf, dass die heute vorwiegend verwendete PSM insbesondere bei langsamerer Fahrt vorteilhaft ist. Ausblick Diese Arbeit charakterisiert ausgewählte Maschinen angesichts definierter Betriebspunkte von im Alltag häufigen Fahrsituationen. Allerdings sind die erhobenen Messdaten nicht allgemeingültig, da dies den Umfang dieser Arbeit sprengen würde. Es ist denkbar, dass zukünftig über allgemeingültige Einzelsituationen persönliche Fahrprofile entwickelt werden können um die Auslegung zukünftiger Fahrzeuge optimal an verschiedene Kundenanforderungen anzupassen. Diese Arbeit zeigt, dass dadurch deutliche Einsparungen im Verbrauch möglich wären. Daraus resultiert entweder eine größere Reichweite des Elektroautos oder aber die Batteriekapazität kann zum Erreichen derselben Reichweite kleiner ausfallen. Infolgedessen kann die fahrer- und fahrsituationsabhängige Auslegung dazu führen, dass alternative Antriebstechniken nicht nur aus umweltspezifischen Gründen konventionellen Automobilen vorzuziehen sind, sondern dass sie tatsächlich eine Alternative zum Verbrennungsantrieb darstellen. 5