hofer eds GmbH Ein Unternehmen der hofer AG

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1 Elektromotoren in der mobilen Anwendung VDI-Fachkonferenz Elektromobilität Automobilindustrie trifft Energiewirtschaft Ihr Partner für Energieeffiziente Antriebssysteme hofer eds GmbH Ein Unternehmen der hofer AG Würzburg Sedanstr. 21 B info@hofer.de Dipl.-Ing. Eberhard Wünsch, Dr.-Ing. Hailong Gao

2 Thema: Elektromotoren in der mobilen Anwendung Aufbau und Funktionsweise umrichtergespeister Elektromotoren Anforderungen mobiler Anwendungen wie Hybrid- und Elektrofahrzeuge an das Antriebssystem Optimale Konzepte mit maximaler Reichweite und hohem Wirkungsgrad Innovative Werkstoffe und Schlüsseltechnologie im Elektromotorenbau Einfluß vom Getriebe auf das Antriebssystem 2

3 Hybrid/ Elektro-Fahrzeug Elektrofahrzeug Hybridfahrzeug 3

4 Elektrisches Antriebssystem Software Elektrische Maschine Umrichter Batterie Getriebe CAN Request: -Torque -Speed CAN Actual: -Torque -Speed

5 Hydrid Fahrzeug Konzepte Leistung Spannung Funktionen Micro Hybrid 2 bis 5 kw 12 V / 42 V Start/Stop Mild Hybrid 5 bis 15 kw 60V bis 240 V Start / Stop Boost Regenerative breaking Full Hybrid 15 bis 60 kw 60V bis 900V Start / Stop Boost Regenerative breaking Pure electric drive Plug in Hybrid bis 100 kw bis zu 900 V Start / Stop Boost Regenerative breaking Pure electric drive integriertes Ladegerät 5

6 Mild Hybrid (ASM) berechneter Wirkungsgrad (motorischer Betrieb) gemessener Wirkungsgrad 6

7 hofer eds Full Hybrid (PSM)

8 PSM - permanent erregte Synchronmaschine Vorteile: Größere Leistungsdichte Höherer Wirkungsgrad bei kleineren Drehzahlen mit Zahnspulenwicklung sehr kurze Baulänge Nachteile: Niedriger Wirkungsgrad beim Teillastbetrieb Drehzahl ist begrenzt auf Grund von Fliehkräften Schleppverluste in Segelphasen Dauerhaftes Bremsmoment im Kurzschlussfall Dauerhaftes Pendelmoment im 2 Phasen KS 8

9 elektrischer Achsantrieb elektrische Hinterachse incl. Planentengetriebe 9

10 ASM - Asynchronmaschine Vorteile: Robustheit Temperaturbeständigkeit Großer Drehzahlbereich hoher Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen Kein aktives Bremsmoment im Kurzschlussfall Kleine induzierte Spannung bei höherer Drehzahl Keine Schleppverluste Geringe Herstellkosten (keine Magnete) Nachteile: Wirkungsgrad bei kleiner Drehzahl geringer Kleinere Leistungsdichte Größeres Bauvolumen bei vergleichbarer Leistung 10

11 Physik s, v, a A L F H h α m g F N x µ: Reibkoeffizient α: Steigwinkel ρ: Luftdichte c w : cw-wert Zugkraft an der Achse: - Reibung (Fahrbahn, ) - Luftreibung - Beschleunigungskraft - Hangabtriebskraft X Wirkungsgrad - Getriebe - E-Maschine - Umrichter... Geschwindigkeit = Leistung A L : effektive Aufstandsfläche t: Zeit s: Weg v: Geschwindigkeit a: Beschleunigung m: Masse h/x: Steigung J: Trägheitsmoment ü: Getriebeübersetzung R dyn : dynamischer Rad-Radius F: Kraft P: Leistung E: Energie η: Wirkungsgrad ω: Winkelgeschwindigkeit 11

12 Zugkraft, Achsleistung, DC-Energie Wärme Luftreibung F L = ρ c 2 W A L v 2 cw-wert Aufstandsfläche A L Karosserie Chassis Reibkraft F R = µ m g cosα Hangabtriebskraft F H = m g sin α Reibkoeffizient µ Geschwindigkeit v Masse m Reifen Rad Fahrer Beschleunigungskraft J ges F B = ( m + ) a 2 R dyn Beschleunigung a Trägheitsmoment J Getriebe E-Maschine F Z = F resultierende Zugkraft Umrichter Batterie Antriebsleistung P ACHS = F Z v DC-Leistung P = DC P ACHS η DC-Energie E DC FZ = PDC dt = ds η Wärme 12

13 motorischer und generatorischer Leistungsfluß VERLUSTE Batterie Umrichter E-Maschine Getriebe Bremsen Reibung Luftwiderstand dt Wärme Fahr-Energie Energiespeicher Batterie d dt dt E = E + E + E KIN dt d dt POT ROT DC- Leistungsebene Antriebs- Leistungsebene motorische Leistung generatorische Leistung 13

14 hofer eds Leistungsfluß und Wirkungsgrad-Kennfelder Wirkungsgrad Wirkungsgrad Getriebe PDC = PAC ηum,mot Wirkungsgrad E-Maschine Umrichter PAC = PEM η EM,mot PEM = PACHS ηget,mot motorische Leistung PDC PACHS = FZ v generatorische Leistung PDC = PAC ηum, gen PAC = PEM η EM, gen PEM = PACHS ηget, gen

15 zyklusspezifischer Wirkungsgrad Zyklus-Wirkungsgrad η ZYK = P ACHS P DC t t = E E ACHS DC Aufspaltung in motorischen und generatorischen Anteil: E = E + E ACHS M G motorischer Zyklus-Wirkungsgrad generatorischer Zyklus-Wirkungsgrad EM E DC ηm =, gen ηg = E DC, mot E G Wirkungsgrad Zyklus-Wirkungsgrad η ZYK Beispiel: = E M EM η M + + E E G G η Reibung+Beschleunigung: E M = +9.0 kwh E DC,mot = kwh η M = (+9.0 kwh) / (+10.0 kwh ) = 90% G Verzögerung abzgl. Reibung: E G = -2.0 kwh E DC,gen = -1.9 kwh η G = (-1.9 kwh ) / (-2.0 kwh ) = 95% Zykluswirkungsgrad: η ZYK = (+9.0 kwh 2.0 kwh) / (10.0 kwh 1.9 kwh) = 86.4% Verbrauch: E DC = E M / η M +E G η G = 10.0 kwh -1.9 kwh = 8.1 kwh 15

16 E-Maschinen-Wirkungsgrad bis zu 95% Wirkungsgrad geringer Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen im mittleren und hohen Bereich gut höherer Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen Wirkungsgrad Kupfer-Verluste (Wicklung, Wickelkopf, Füllfaktor, Kühlung) Eisen-Verluste (Hystereseverluste, Wirbelstromverluste) Lagerreibung (Größe, Vorspannung, Drehzahl) Luftreibung (Luftspalt-Geometrie, Drehzahl 3 ) Rotor-Verluste Asynchronmaschine Käfigstrom-Verluste (Schlupf, Käfigmaterial, Stromverdrängung) Permanent Erregte Synchronmaschine: Wirbelstromverluste im Magneten sonstige Verluste (Oberwellen, ) 16

17 Eisenverluste Steinmetz-Formel 1 ) P Fe = V k H f f 0 + k W f f 0 2 B B 0 2 Hystereseverluste Wirbelstromverluste 1 ) Folie aus Vortrag Magnetische Eigenschaften und Verluste nichtkornorientierter Elektrobandsorten anläßlich FEMAG-Anwendertreffen 2009 mit freundlicher Genehmigung von Hr. Dr. K. Telger, ThyssenKrupp Steel Europe V: Eisenvolumen f: Drehfeld-Frequenz B: magnetische Induktion 17

18 Wirbelstromverluste im Magneten axiale Segmentierung tangentiale Segmentierung NdFeB SmCo P M = V k M σω 2 b 2 2 M ˆB AlNiCo Hart- Ferrite V: Magnetvolumen σ: spez. elektrischer Leitwert [Ω -1 / m] ω: elektrische Kreisfrequenz b M : Segment-Breite B: magnetische Induktion 18

19 Einfluß vom Fahrzyklus NEFZ: neuer europäischer Fahrzyklus ECE 15: Stadtzyklus des NEFZ EUDC: Überlandfahrt des NEFZ 10-Mode: japanischer Stadtzyklus 15-Mode: japanischer Überlandzyklus Federal Test Procedure: FTP 72: alter amerikanischer Fahrzyklus FTP 75: neuer amerikanischer Fahrzyklus E DC,mot (motorische DC-Energie) E DC,gen (generatorische DC-Energie) E DC,mot + E DC,gen Verbrauch ohne Rekuperation: 1.84 kwh kwh 1.46 kwh 16.9 kwh/100km Entfernung: m Dauer: 19 Min : 47 Sek Stillstand: 4 Min : 48 Sek Durchschnitt: 44.1 km/h (33.4 km/h) Verbrauch: 13.3 kwh/100km 19

20 Einfluß vom Fahrzyklus Die Wahl des Zyklus hat sehr großen Einfluß auf die Optimierung: Durch den Wechsel vom NEFZ auf den FTP-75 hat sich in diesem Beispiel der Verbrach um 0.5 kwh/100km reduziert (von 13.3 auf 12.7). Eine Erhöhung des zyklusspezifischen Systemwirkungsgrades um 1% würde den Verbrauch um lediglich 0.2 kwh/100km reduzieren ( von 12.7 auf 12.5 ). Der Verbrauch bei Verwendung eines realen, aus Überlandtestfahrten ermittelten Fahrzyklus liegt deutlich höher (ca. 17 kwh). E DC,mot (motorische DC-Energie) E DC,gen (generatorische DC-Energie) E DC,mot + E DC,gen Verbrauch ohne Rekuperation: 3.13 kwh kwh 2.25 kwh 17.6 kwh/100km Entfernung: Dauer: Stillstand: Durchschnitt: Verbrauch: m 41 Min : 18 Sek 15 Min : 41 Sek 41.6 km/h (25.8 km/h) 12.7 kwh/100km 20

21 Antriebs-Optimierung - Methodik Optimierungsplan Variation div. Haupt-Parameter (Außendurchmesser, Bohrung, Luftspalt, ) E-Maschinen- Parameter Sub-Optimierung der E-Maschinenparameter Kennlinien Vergleich der Kennlinien mit verschiedenen Getriebeübersetzungen Kennfelder Auswahl potentieller Favoriten und Berechnung der Kennfelder (E-Maschine, Umrichter, Getriebe) Fahrzyklus Berechnung des Zyklus-Wirkungsgrades und Energieverbrauchs in kwh/100km 21

22 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 22