Untersuchung verschiedener Konzepte für energieeffiziente Klimaanlagen in Elektrofahrzeugen

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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT CHEMNITZ Untersuchung verschiedener Konzepte für energieeffiziente Klimaanlagen in Elektrofahrzeugen Dipl.-Ing. Christoph Danzer Dr.-Ing. Rico Baumgart Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge Tel: +49 () 371/

2 EINLEITUNG Ziele Entwicklung und Optimierung der Antriebsstränge von E-Fahrzeugen Einfluss verschiedener Optimierungsmaßnahmen auf die Reichweite Untersuchung unterschiedlicher Getriebevarianten z.b. 2 Gang / 3 Gang Analyse verschiedener Schaltstrategien Optimierung der Elektroantriebe Optimierung der Klimaanlage 2

3 MODELL E-FAHRZEUG Geometrie- und prozessbasierte Simulationsmodelle Elektromotor Fahrzeug Fahrer Batteriesystem Leistungselektronik Antriebsstrang Getriebe: Ein- oder Mehrgang Reifen Regelung Streckenprofil Quellen:

4 MODELL E-FAHRZEUG Geometrie- und prozessbasierte Simulationsmodelle Modell zur Simulation des elektrischen Antriebszweiges geometrie- und prozessbasierte Teilmodelle für Permanenterregte Synchronmaschine mit Vektorstromregelung Wechselrichter mit Konverter Batterie Getriebe Reifen und Fahrzeug Verbindung der Teilmodelle zu einem Gesamtmodell Abbildung der elektrischen Vorgänge und Kopplung mit dem Fahrzeugmodell über den simulierbaren Antriebsstrang 4

5 MODELL E-FAHRZEUG Modell permanenterregte Synchronmaschine Permanenterregte Synchronmaschine (PSM): Modellierung durch geometrie- und prozessbasierte Gleichungen Simulation: Längs- und Querspannungen Längs- und Querströmen Berücksichtigung von Ohmschen-, Hysterese-, Wirbelstrom-, Sättigungs-, und Reibungsverlusten Berechnung der dynamischen Phasenströme, -spannungen und -winkel Strangstrom [A] , Phasenstrom Phasenspannung -4,15,2,25 Zeit [s] Strangspannung [V] Geometrieauslegung (Packaging) Ausführungsabhängige Maschinenverluste 5

6 MODELL E-FAHRZEUG Modell permanenterregte Synchronmaschine 3 Vektorstromregelung: Wirkungsgradoptimaler Betrieb der Maschine Arbeitspunktabhängige Stromregelung Feldschwächbetrieb möglich Stromregelebene 2 Simulation im Zeitbereich 3 Stromkomponente I q [A] Drehmomentkennlinie AP1-AP3 Drehzahl/Spannungskennlinie AP1-AP3 Gesamtstrombegrenzung MMPA-Trajektorie Ankerstellbereich Stromkomponente I d [A] Strom [A] Strom I d Strom I q Spannung U d -2 Spannung U q Zeit [s] 2 1 Spannung [V] 6

7 MODELL E-FAHRZEUG Modell Wechselrichter und Konverter Leistungselektronik Modellierung durch prozessbasierte analytische Gleichungen Berücksichtigung: Schalt- und Durchlassverluste von IGBT s und Freilaufdioden Pauschale Oberwellenverluste Zusatzverluste von Steuerung und Peripherie Verlustleistungsmodell Konverter Drehmoment [Nm] Wirkungsgradkennfeld Wechselrichter Drehzahl [1/min] 7

8 MODELL E-FAHRZEUG Modell Batterie Batterie Modellierung mittels prozessbasierten analytischen Gleichungen Simulation von: Klemmspannungsverlauf aktuell verfügbare Kapazität (SOC/SOD) nichtlineare Batterieverlustleistung Temperatur thermische Abhängigkeit aller Kenngrößen Zellenspannung [V] 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 2,9 T 2, SOD [%] 8

9 MODELL E-FAHRZEUG Modell Getriebe und Reifen Mehrgang-Getriebe- und Reifenmodell Variables Getriebemodul zur Simulation von Mehrgang-Getrieben Berücksichtigung von Verzahnungs-, Reib- und Schleppverlusten Nichtlineares Reifenmodell F zrad F yrad F xrad 9

10 MODELL KLIMAANLAGE Geometrie- und prozessbasierte Simulationsmodelle Modell zur Simulation der Vorgänge in Pkw-Klimaanlagen geometrie- und prozessbasierte Teilmodelle für den Kältemittelverdichter die Wärmeübertrager das Expansionsventil die Fahrgastzelle Druck lg p R Enthalpie h R Verbindung der Teilmodelle zu einem Gesamtmodell Untersuchung verschiedener Optimierungsansätze hinsichtlich der Reichweitenerhöhung 1

11 MODELL KLIMAANLAGE Teilmodelle Kältemittelverdichter: Ventildynamik Ventilhub [mm] 1,5 1,,5, Antriebswinkel [ ] 11

12 MODELL KLIMAANLAGE Kältemittelverdichter: Teilmodelle Ventildynamik Rückströmungen an den Ventilen Sauggasaufheizung Differentialgleichungssystem Wärmeübertrager: Unterteilung in Zellen Energiebilanz für jede Zelle luft- und kältemittelseitige Austrittszustände für jede Zelle Modell liefert u.a.: - sämtliche Kräfte im Verdichter - Antriebsleistung - Massenstrom - Auslasstemperatur Modell liefert u.a.: - Austrittszustand des Kältemittels - Austrittszustand der Luft 12

13 MODELL KLIMAANLAGE Fahrgastzelle y z x Polygone Vernetzung der Flächen Fahrgastzelle: Konvektion Wärmestrahlung (num. Berechnung der Einstrahlzahlen) 13

14 MODELL KLIMAANLAGE Fahrgastzelle y z x Fahrgastzelle: Konvektion Wärmestrahlung (num. Berechnung der Einstrahlzahlen) Sonnenstrahlung im Innenraum, (Schattenbildung im Innenraum) Atmung und Transpiration des Fahrers 14

15 GESAMTMODELL Verknüpfung der Modelle y x Druck lg p R TXV Kondensator Verdampfer Verdichter z Enthalpie h R Fahrgastzelle Kältekreisprozess Antriebsstrang E-Fahrzeug Gesamtmodell 15

16 SIMULATIONSRECHNUNG Randbedingungen E-Fahrzeug Eigenschaften PSM Max. Drehmoment Max. Drehzahl Wert 21 Nm (Dauer) 1 1/min Max. Leistung 8 kw (Dauer) Max. Wirkungsgrad 96,1 % (585 1/min, 59 kw) Außendurchmesser Luftspaltlänge 28 mm 1,3 mm Wechselrichter Wert Max. Wirkungsgrad 98,6 % (69 1/min, 2 kw) Batterie (Li-Ion) Energiekapazität Nennspannung Max. Dauerleistung Wert 1, kwh 3 V 6 kw (kurzzeitig 1 kw) Wellenleistung [kw] Wirkungsgrad PSM und Wechselrichter Eff max = 94,8% Drehzahl [1/min] 16

17 SIMULATIONSRECHNUNG Randbedingungen E-Fahrzeug Fahrzeugdaten Wert Fahrzeugsegment Kompakt Klasse Fahrzeugmasse 15 kg Stirnfläche 2, m² Luftwiderstandsbeiwert,3 Luftdichte 1,21 kg/m³ Reifendurchmesser,625 m Rollwiderstandbeiwert,9 Getriebe Wert Getriebetyp Stufengetriebe Anzahl Fahrgänge 2 Synchronisation Aktiv über PSM Schaltstrategie Wirkungsgradoptimal Übersetzung Gang 1 15,6 Übersetzung Gang 2 6,5 Achsübersetzung 4,5 Simulationsrandbedingungen E-Antrieb: Unbegrenzter Rekuperationsleistungsfluss Wirkungsgradoptimale Schaltstrategie Berücksichtigung eines elektrischen Grundleistungsbedarfes im Fahrzeug von 25 W 17

18 SIMULATIONSRECHNUNG geregelter 7-Zyl. Axialkolbenverdichter direkt an Traktionsmotor angebunden Rad E-Motor (Traktionsmotor) Getriebe (mit Neutralstellung) Verdichter Riementrieb Vorteile: bei Fahrzeugstillstand schaltet das Getriebe in die Neutralstellung Verdichter wird von E-Motor weiter angetrieben (hier mit 15 1/min) kein separater E-Motor + Elektronik für Verdichter Bauraum und Kosten durch Betriebspunktverschiebung ist Auslastung des E-Motors im Zugbetrieb höher und im Rekuperationsbetrieb geringer Zugbetrieb tritt häufiger auf geringere Verluste 18

19 SIMULATIONSRECHNUNG geregelter 7-Zyl. Axialkolbenverdichter direkt an Traktionsmotor angebunden Rad E-Motor (Traktionsmotor) Verdichter Getriebe (mit Neutralstellung) Riementrieb Nachteile: hubvolumengeregelter Kältemittelverdichter notwendig bei geringem Hubvolumen Verdichterwirkungsgrad in Stillstandszeiten wird großer E-Motor zum Antrieb des Verdichters weiterbetrieben el. Wirkungsgrad 19

20 SIMULATIONSRECHNUNG geregelter 7-Zyl. Axialkolbenverdichter direkt an Traktionsmotor angebunden Rad E-Motor (Traktionsmotor) Verdichter Getriebe (mit Neutralstellung) Riementrieb 1. Schritt: Untersuchungen für hubvolumengeregelten Axialkolbenverdichter mit 7 Zylindern und maximalem Hubvolumen von 155 cm³ Umgebungsbedingungen aus dem Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes (Region 13) (23. Mai und 5.Juli) Fahrzyklus 2

21 SIMULATIONSRECHNUNG Fahrzyklus Chemnitz Chemnitz-Zyklus Wert Wegstrecke [km] 22,88 Zyklusdauer [min] 39, Durchschnittsgeschwindigkeit [km/h] 44,54 mittlere Zugleistung [kw] 5,79 mittlere Schubleistung [kw] 2,38 Verhältnis Zug/Schubenergie 2,13 N F Geschwindigkeit [km/h] Stau Autobahn Zykluszeit [min] Richtung F [ ] W Zykluszeit [min] S O

22 ERGEBNISSE geregelter 7-Zyl. Axialkolbenverdichter direkt an E-Motor angebunden (5.Juli) Temperatur [ C] Strahlungsintensität [W/m²] untersuchter Zeitraum Gesamt Direkt Diffus mitteleuropäische Uhrzeit [h] 12 min Parken Fahrt 31,7 C 58,4 C Zykluszeit [min] Temperatur [ C] Temperatur [ C] untersuchter Zeitraum mitteleuropäische Uhrzeit [h] 7 6 Behaglichkeits- 5 temperatur Kälteleistung z.t. 4 erreichtnicht ausreichend Zykluszeit [min] 22

23 ERGEBNISSE geregelter 7-Zyl. Axialkolbenverdichter direkt an E-Motor angebunden (5.Juli) rel. Hubvolumen [%] 1 Hubvolumen hoch Zykluszeit [min] Drehzahl [1/min] Stau Drehzahl sehr gering Autobahn Drehzahl hoch Riemenübersetzung nicht beliebig wählbar Zykluszeit [min] Temperatur [ C] min Parken Fahrt 31,7 C 58,4 C 31,7 C 58,4 C Zykluszeit [min] Temperatur [ C] Kälteleistung z.t. nicht ausreichend Zykluszeit [min] 23

24 ERGEBNISSE geregelter 7-Zyl. Axialkolbenverdichter direkt an E-Motor angebunden (5.Juli) rel. Hubvolumen [%] Antriebsleistung [kw] ,5 2 1,5 1,5 Hubvolumen hoch Zykluszeit [min] 2,5 kw! Zykluszeit [min] Drehzahl [1/min] Temperatur [ C] Stau Drehzahl sehr gering Autobahn Drehzahl hoch Riemenübersetzung nicht beliebig wählbar Zykluszeit [min] Kälteleistung z.t. nicht ausreichend Zykluszeit [min] 24

25 Reichweite ohne Klimaanlage: 84,9 km 5. Juli 23. Mai Verkürzung der Reichweite [km] ,8 km (23,3 %) 8,9 km (1,5 %) ERGEBNISSE Verkürzung der Reichweite Variante 1 = geregelter 7-Zylinder-Verdichter direkt mit Traktionsmotor verbunden 25

26 ERGEBNISSE ungeregelter Verdichter mit separatem E-Motor Rad E-Motor (Traktionsmotor) Getriebe (mit Neutralstellung) Verdichter E- Motor Verdichterdrehzahl mit E-Motor geregelt 7-Zylinder-Verdichter mit festem Hubvolumen (155 cm³) Mindestdrehzahl des Verdichters hier beispielhaft auf 5 1/min festgelegt (Vermeidung von Geräuschbildung) 26

27 ERGEBNISSE ungeregelter Verdichter mit separatem E-Motor Rad E-Motor (Traktionsmotor) Getriebe (mit Neutralstellung) Verdichter E- Motor 3-Phasige PM Synchronmaschine P max = 5 kw, n max = 4 1/min (begrenzt) Max. Wirkungsgrad (PSM+WR) = 93,6% DC/DC Konverter mit konstant angenommenen Wirkungsgrad von 95% Drehmoment [Nm] 12 1 Wirkungsgrad PSM+WR Eff max = 93,6% Drehzahl [1/min] 27

28 Reichweite ohne Klimaanlage: 84,9 km 5. Juli 23. Mai Verkürzung der Reichweite [km] ,8 km (23,3 %) 8,9 km (1,5 %) ERGEBNISSE Verkürzung der Reichweite 21,1 km (24,8 %) 14,6 km (17,2 %) Variante 1 = geregelter 7-Zylinder-Verdichter direkt mit Traktionsmotor verbunden 2 = 7-Zylinder-Verdichter (155 cm³) mit separatem E-Motor 28

29 Reichweite ohne Klimaanlage: 84,9 km 5. Juli 23. Mai Verkürzung der Reichweite [km] ,8 km (23,3 %) 8,9 km (1,5 %) ERGEBNISSE Verkürzung der Reichweite 21,1 km (24,8 %) 14,6 km (17,2 %) Temperatur [ C] Variante Kälteleistung im Stau aufgrund der niedrigen Drehzahlen nicht ausreichend Zykluszeit [min] 1 = geregelter 7-Zylinder-Verdichter direkt mit Traktionsmotor verbunden 2 = 7-Zylinder-Verdichter (155 cm³) mit separatem E-Motor 29

30 Reichweite ohne Klimaanlage: 84,9 km 5. Juli 23. Mai Verkürzung der Reichweite [km] ,8 km (23,3 %) 8,9 km (1,5 %) ERGEBNISSE Verkürzung der Reichweite 21,1 km (24,8 %) 14,6 km (17,2 %) Temperatur [ C] Variante Mit drehzahlgeregeltem Verdichter Kälteleistung immer ausreichend Zykluszeit [min] 1 = geregelter 7-Zylinder-Verdichter direkt mit Traktionsmotor verbunden 2 = 7-Zylinder-Verdichter (155 cm³) mit separatem E-Motor 3

31 Reichweite ohne Klimaanlage: 84,9 km 5. Juli 23. Mai Verkürzung der Reichweite [km] ,8 km (23,3 %) 8,9 km (1,5 %) ERGEBNISSE Verkürzung der Reichweite 21,1 km (24,8 %) 14,6 km (17,2 %) 16,9 km (19,9 %) 8,1 km (9,4 %) Variante 1 = geregelter 7-Zylinder-Verdichter direkt mit Traktionsmotor verbunden 2 = 7-Zylinder-Verdichter (155 cm³) mit separatem E-Motor 3 = 5-Zylinder-Verdichter (111 cm³) mit separatem E-Motor 31

32 Reichweite ohne Klimaanlage: 84,9 km 5. Juli 23. Mai Verkürzung der Reichweite [km] ,8 km (23,3 %) 8,9 km (1,5 %) ERGEBNISSE Verkürzung der Reichweite 21,1 km (24,8 %) 14,6 km (17,2 %) 16,9 km (19,9 %) 8,1 km (9,4 %) 16,6 km (19,5 %) 7,93 km (9,33 %) 16,3 km (19,2 %) Variante 7,9 km (9,3 %) 1 = geregelter 7-Zylinder-Verdichter direkt mit Traktionsmotor verbunden 2 = 7-Zylinder-Verdichter (155 cm³) mit separatem E-Motor 3 = 5-Zylinder-Verdichter (111 cm³) mit separatem E-Motor 4 = 5-Zylinder-Verdichter (111 cm³) mit separatem E-Motor, Transmissionsgrad der Fahrzeugscheiben =,4 5 = 5-Zylinder-Verdichter (111 cm³) mit separatem E-Motor, Transmissionsgrad der Fahrzeugscheiben =,3 32

33 ZUSAMMENFASSUNG/AUSBLICK Modell für die gesamte Klimaanlage inklusive der Fahrgastzelle vollständig geometrie- und prozessbasiertes Modell Optimierung von Pkw-Klimaanlagen hinsichtlich Energieeffizienz Modell für E-Fahrzeug vollständig geometrie- und prozessbasiertes Modell Entwicklung von effizienten Betriebsstrategien Verlustanalyse von Modifikationen im Antriebsstrang Gesamtmodell gesamtheitliche Betrachtung des kompletten Fahrzeuges mit allen Komponenten 1. Schritt: Untersuchung verschiedener Varianten mit Axialkolbenverdichter Einfluss des Transmissionsgrades der Scheiben auf Reichweite Ausblick Betrachtung weiterer Verdichterprinzipien, wie z.b. Spiralverdichter Untersuchung von TM-Maßnahmen mit Speisung aus elekt. Verlusten 33