SIMULATION VON HYBRIDFAHRZEUGANTRIEBEN MIT

Smulaton von Hybrdfahrzeugantreben mt optmerter Synchronmaschne 1 SIMULATION VON HYBRIDFAHRZEUGANTRIEBEN MIT OPTIMIERTER SYNCHRONMASCHINE H. Wöhl-Bruhn 1 EINLEITUNG Ene Velzahl von Untersuchungen hat sch berets mt den Anforderungen an elektrsche Maschnen als Antreb n enem Elektrschen Fahrzeug (EV) beschäftgt. De Übernahme der Fahrmotorenauslegungen auch für Hybrdfahrzeuge (HEV) lag daher nahe. So baseren vele Smulatonen auf den bekannten Wrkungsgradkennfeldern von Fahrmotorenauslegungen. Durch de Kombnaton von Verbrennungskraftmaschne (VKM) und elektrscher Maschne n enem Parallelhybrdfahrzeug (PHEV) verändert sch jedoch das geforderte Egenschaftsprofl des E-Motors, so dass zu erwarten st, dass auch de Maschnenauslegung enes klassschen Fahrzeugantrebsmotors ncht optmal zu den Anforderungen n enem PHEV passt. In desem Betrag sollen neben den generell notwendgen Egenschaften von elektrschen Maschnen m Antrebsstrang enes Fahrzeugs de unterschedlchen Anforderungen an E-Maschnen m EV- und HEV-Ensatz n ener exemplarschen Smulaton mt dem Programm PSAT (Verson 5.2) für Matlab/Smulnk herausgestellt werden. Der gezelte Entwurf der E-Maschne führt zu verbesserten Maschnenegenschaften, de für den Betreb m PHEV optmert snd. Der Enfluss deser Parameter, nsbesondere der Verbesserung des Wrkungsgradkennfeldes auf das Verbrauchsverhalten des Fahrzeugs, wrd abschleßend analysert und das möglche Ensparungspotenzal aufgezegt. 2 E-MASCHINEN IM ANTRIEBSSTRANG VON FAHRZEUGEN Elektrsche Maschnen m Antrebsstrang von EV und HEV müssen allgemenen Anforderungen gerecht werden. Dazu gehören: - hoher Wrkungsgrad - gernges Gewcht - Wartungsfrehet / gernger Verschleß - lange Lebensdauer / hohe Zuverlässgket - Vbratons- / Geräuscharmut - hohe Schutzart - EMV-gerechte Konstrukton (elektromagnetsche Verträglchket) - gernge Kosten

2 Jahresbercht 2003 Neben desen allgemenen Anforderungen vareren de weteren spezellen Egenschaften bezüglch Lestung, Moment und Drehzahlberech je nach Ensatzort der Maschne m Antrebsstrang des Fahrzeugs. Zusätzlch hat de Ensatzstelle enen starken Enfluss auf de Häufgketsvertelung der Betrebspunkte der Maschnen m Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld. Exemplarsch soll her en Verglech von Häufgketsvertelungen der Betrebspunkte von E-Maschnen zweer aus der Praxs stammender Fahrzeuge durchgeführt werden. Dazu wurde das Betrebsverhalten der Maschne enes EV und enes PHEV smulert. An deser Stelle se darauf hngewesen, dass das Betrebsverhalten enes Antrebs n enem EV mt dem enes Serenhybrdes verglchen werden kann. 3 SIMULATION VON EV UND PHEV Zur Analyse der Häufgketsvertelung der Betrebspunkte von EV und PHEV wurde ene Smulaton mt dem Programm PSAT für zwe aus der Praxs stammende Fahrzeuge durchgeführt. De unterschedlchen Antrebsstrukturen snd Bld 1 zu entnehmen. 1 2 3 4 5 6 2 5 6 4 Antrebsstruktur PHEV Antrebsstruktur EV 1 Verbrennungskraftmaschne 2 Elektrsche Maschne 3 Kupplung 4 Getrebe 5 Lestungselektronkenhet 6 Battere Bld 1: Antrebsstrukturen untersuchter Fahrzeuge Als PHEV wurde en Enwellenhybrd mt enem Otto-Motor und ener permanentmagneterregten Synchronmaschne (PMSM) gemäß Tabelle 1 gewählt. Angenommen wurde weterhn ene Anordnung, be der de E-Maschne vor dem Getrebe fest mt der Kurbelwelle der VKM verbunden st. Das EV dagegen st mt ener PMSM mt ener maxmalen Lestung von 74 kw und enem maxmalen Moment von 370 Nm ausgerüstet. De Daten der Fahrzeuge snd der Tabelle 1 zu entnehmen, se entsprechen denen realer Fahrzeuge und stammen wetgehend aus mtgeleferten Intalserungsdaten des Programms PSAT. Ledglch de Daten des Chasss des EV wurden aus Gründen der Verglechbarket denen des PHEV angepasst, wobe das höhere Gesamtgewcht m Wesentlchen aus der deutlch höheren Batteremasse resultert.

Smulaton von Hybrdfahrzeugantreben mt optmerter Synchronmaschne 3 Tabelle 1: Daten der Fahrzeuge Daten HEV EV Gesamtgewcht (nkl. Zuladung) 900 kg 1028 kg Fahrzeug Frontfläche 1,9 m² 1,9 m² cw-wert 0,25 0,25 max. Lestung 50 kw / 6700 1/mn max. Drehmoment 91 Nm / 4800 1/mn Ottomotor Hubraum 995 ccm Leerlaufdrehzahl 950 1/mn max. Drehzahl 6500 1/mn Typ PMSM PMSM max. Lestung 10 kw / 3000 1/mn 74 kw / 2000 1/mn max. Moment 46,5 Nm / 1000 1/mn 370 Nm / 500 1/mn Elektromaschne max. Drehzahl 7500 1/mn 6300 1/mn max. Strom 300 A 400 A geometrsche Abmessungen ø ~330mm x 60 mm kene Angaben Masse WR+Maschne (15+45) kg (16+74) kg Getrebe Schaltung 5 Gang und Endübersetzung feste Übersetzung Battereart Nckelmetallhydrd Nckelmetallhydrd Anzahl der Zellen n Rehe pro Module 6 12 Anzahl der Module (Zellen alle n Rehe) 20 25 mn. Zellspannung 1 V 0,7 V Battere max. Zellspannung 1,5 V 1,3 V mn. SOC 0,2 0,3 max. SOC 0,8 1 Batterekapaztät 6,5 Ah 90 Ah Masse pro Modul ~ 1kg 11,6 kg Zur Durchführung der Smulaton wurden der ECE-Zyklus und zusätzlch der Verglech mt dem dynamscheren SC03-Zyklus aus den USA herangezogen, de n Bld 2 darstellt snd. Bld 2: Verwendete Fahrzyklen Für de folgende Betrachtung wurde de Betrebsstratege des PHEV so gewählt, dass der gleche Battereladezustand (State of Charge = SoC), der vor der Smulaton vorlag, auch nach der Smulaton mt ener maxmalen Abwechung von 0,1 % errecht wrd. Der Ensatz der Maschnen kann durch das Betrebsmanagement n bestmmten Grenzen varert werden. In dem verwendeten Modell wurde der Ensatz der E-Maschne durch das Moment varert, ab dem dese de VKM unterstützt. Dabe wurde davon ausgegangen, dass sch de prnzpellen Häufungen der Betrebspunkte m Drehzahl - Drehmoment - Kennfeld durch gernge Varatonen des Ensatzes der E-Maschne ncht ändern. Be Anscht der Kennfelder als Ergebns deser Smulaton des PHEV für den SC03 n Bld 3 st festzustellen, dass sch ene Mehrzahl der Betrebspunkte m mttleren bs oberen Drehzahlberech des Ankerstellbereches und an der Grenze zum Feldschwächberech befndet. Deutlch st auch de starke

4 Jahresbercht 2003 Häufung der Betrebspunkte be maxmaler Lestung, deren Entstehung vor allem durch de hnterlegte Betrebsstratege, ener sehr frühen Unterstützung der VKM, begründet st. Bld 3: Häufgketsvertelung be ECE-Zyklus (lnks) und SC03-Zyklus (rechts): Lestung E-Maschne, PHEV Im Verglech dazu snd de Häufungen n den Kennfeldern des EV n Bld 4 offenschtlch anders strukturert. Her st deutlch ene Anhäufung von Betrebspunkten m Tellastbetreb über enen größeren Drehzahlberech zu erkennen, begründet durch ene feste Getrebeübersetzung der E-Maschne mt der Antrebswelle der Räder. Be den gegebenen Zyklen wurde de maxmale Lestung der Maschne ne abverlangt, so dass davon ausgegangen werden kann, dass derartge Anforderungen auch m Stadtverkehr nur selten auftreten. Trotzdem muss der Antreb für alle Lastfälle (z. B. Befahren von Parkhausrampen mt hoher Stegung oder Volllastbetreb mt maxmaler Geschwndgket) ausgelegt werden. Bld 4: Häufgketsvertelung be ECE-Zyklus (lnks) und SC03-Zyklus (rechts): Lestung E-Maschne, EV Der Verglech der Smulatonsrechnungen bestätgt de bekannte Tatsache, dass sch de Betrebswesen der Elektroantrebe für de beden Fahrzeuge deutlch vonenander unterscheden. Ene Klassfzerung der Betrebspunkte nach Drehmoment, Drehzahl und Betrebsdauer quantfzert de Unterschede aus der Smulaton noch deutlcher (Bld 5). Betrachtet wurde her der generatorsche Betreb, da der Enfluss der Betrebsstratege dort als gernger angenommen wrd als m motorschen Betreb. Der Nullpunkt wurde bem Hybrdfahrzeug unterdrückt, da m Gegensatz zum EV ene sehr große Zahl von Betrebspunkten be M = 0, z. B. m SC03-Zyklus, zu fnden st: EV- Betrebsdauer mt M = 0: PHEV- Betrebsdauer mt M = 0: 180 Sekunden, d.. 3 % der Gesamtzykluszet 4196 Sekunden, d.. 71 % der Gesamtzykluszet

Smulaton von Hybrdfahrzeugantreben mt optmerter Synchronmaschne 5 Bld 5: Vertelung der Betrebszeten m Drehzahl-Drehmoment-Kennfeld be generatorschem Betreb m SC03-Zyklus: EV (lnks) und PHEV (rechts) Damt ergeben sch für den Elektromaschnenentwurf jewels völlg unterschedlche Bedngungen, de n der bshergen Lteratur noch ncht ausrechend berückschtgt worden snd. Während der Elektrofahrmotor des EV auch für Dauerbetreb be max. Lestung ausgelegt sen muss und glechzetg enen guten Tellastwrkungsgrad sowe ene hohe Kraftdchte haben sollte, muss der Elektromotor des PHEV für kurzzetge Pulslasten (thermsche Überlastbarket), hohe Dynamk und guten Wrkungsgrad m Berech des maxmalen Momentes ausgelegt werden. Der Dauerbetreb be maxmaler Lestung wrd dagegen durch den Verbrennungsmotor abgedeckt, der ebenfalls angepasst ausgelegt sen muss. 4 GEZIELTER ENTWURF DER E-MASCHINE Aus der Smulaton des PHEV st zu erkennen, dass de elektrsche Maschne oft sowohl motorsch als auch generatorsch m Tellastberech betreben wrd. De Entwurfsmethode muss also darauf abzelen, de Maschne so auszulegen, dass de maxmale Lestung gewährlestet wrd und glechzetg m Tellastbetreb en optmerter Wrkungsgrad vorlegt. Um enen Referenzpunkt be der Auslegung der Maschne zu bekommen, wrd jewels für Motorund Generatorbetreb der mttlere Betrebspunkt der Maschne für jeden smulerten Fahrzyklus berechnet. Trennt man alle motorschen Betrebspunkte von den generatorschen, wrd en gewchteter Mttelwert für bede Betrebsarten nach Glechung (1) und (2) bestmmt: M t Pmech M m = (1) t P mech ω t Pmech ω m = (2) t P mech

6 Jahresbercht 2003 Dabe ergbt sch das mttlere Moment (M m ) bzw. de mttlere Drehzahl (ω m ) durch de mt der mechanschen Lestung der E-Maschne (P mech ) gewchtete Aufsummerung der Momente pro Smulatonsschrtt (M ) bzw. Drehzahlen pro Smulatonsschrtt (ω ), wobe jeder Smulatonsschrtt ener Zetdauer von t entsprcht. Der mttlere Betrebspunkt glt als Orenterungspunkt be der Auslegung der Maschne. In Bld 6 wrd das Kennfeld des Maschnenentwurfs am Bespel ener verbesserten PMSM mt ener für dese Applkaton am Markt erhältlchen PMSM verglchen. In der Graphk enthalten snd de Betrebspunkte des SC03 (Krese) und der mt den Gl. (1) und (2) berechnete mttlere Betrebspunkt jewels für den motorschen und generatorschen Berech (Dreeck). Weße Flächen markeren Bereche, n denen de optmerte Maschne enen besseren Wrkungsgrad bestzt, graue Bereche solche mt enem schlechteren Wrkungsgrad. Deutlch zu erkennen st de Verbesserung des Kennfeldes n Berechen mt maxmalem Moment, de relatv häufg auftreten. Bld 6: Dfferenzkennfeld PMSM mt SC03-Fahrzyklus - Betrebspunkten 5 SIMULATIONEN MIT ENTWORFENEN MASCHINEN 5.1 Allgemenes Für de Smulaton der verbesserten Maschnen wurden Intalserungs- und Berechnungsdateen der Smulatonssoftware unter anderem dahn gehend erwetert, dass zur Berechnung der Verluste für den motorschen und generatorschen Fall der E-Maschne auf de jewelgen Kennfelder zurückgegrffen werden kann. Verluste des Wechselrchters wurden mt 2 % der Maschnenlestung angenommen.

Smulaton von Hybrdfahrzeugantreben mt optmerter Synchronmaschne 7 5.2 Untersuchung von Egenschaften der E-Maschne Zur Optmerung der elektrschen Maschne wurden dre Egenschaften der Maschne untersucht: Zunächst wurde der Enfluss der Masse auf den Gesamtenergeverbrauch des Fahrzeugs betrachtet. Durch de Masse des Rotors auf der Kurbelwelle wurde nachfolgend zusätzlch der Enfluss der Änderung des polaren Träghetsmoments auf den Verbrauch abgeschätzt. In enem letzten Schrtt wurde de Auswrkung der gezelten Veränderung der Wrkungsgradkennfelder durch Optmerung untersucht. Unterstellt wurde dabe das Auftreten enes Zelkonflktes: Im Allgemenen hat ene Maschne mt ener höheren Masse nfolge ener großzüggeren Dmensonerung des Esenkreses und Erhöhung der Kupfermasse prnzpell enen höheren Wrkungsgrad. Allerdngs bedeutet ene höhere Masse auf der Kurbelwelle auch höhere Verluste, de durch de Notwendgket der Beschleungung der Masse n translatorscher und rotatorscher Rchtung während des Betrebes begründet snd. Im Folgenden werden de Randbedngungen der Smulatonen und deren Ergebnsse vorgestellt. 5.3 Enfluss der Masse auf den Gesamtverbrauch Der Enfluss der Masse der E-Maschne wurde angeschts des Verhältnsses zur Gesamtfahrzeugmasse als sehr gerng angenommen. Zur Überprüfung deser Hypothese wurde de Betrebsstratege dahngehend verändert, dass der SoC bem Start und zum Ende der Smulaton 70 % betrug, enschleßlch ener Abwechung von maxmal ± 0,6 %. Es wurde weterhn en Maschnenentwurf n de Smulaton engebettet, be dem ledglch de Maschnenmasse (Stator und Rotor) varert wurde, ohne andere Parameter von Fahrzeug oder Maschne zu verändern. De Maschnenmasse wurde zwschen 20 kg und 39 kg varert, zusätzlch wurde en konstantes Gewcht für den Wechselrchter von jewels 15 kg angenommen. Als Testzyklus wurde der dremalge Durchlauf des dynamscheren SC03- Zyklus gewählt mt ener Gesamtdauer von 1782 s. Trotz der Annahme enes Enflusses der E-Maschnenmasse auf den Gesamtverbrauch konnten de Smulatonsergebnsse kene sgnfkante Veränderung des Kraftstoffverbrauches zegen. 5.4 Enfluss des Träghetsmoments auf den Gesamtverbrauch Zur Untersuchung des Enflusses der Veränderung der polaren Träghet wurden de glechen Randbedngungen für de Smulaton we be der Überprüfung des Enflusses der Masse unterstellt. Zusätzlch zur Veränderung der Masse wurde de Änderung des polaren Träghetsmoments der Rotoren n de Berechnung ntegrert. De auf desem Weg berechneten Trägheten betrugen zwschen 0,0688 kgm² und 0,1342 kgm². Nach Smulaton enes drefachen SC03-Zyklus wurde festgestellt, dass ene Veränderung des Kraftstoffverbrauches erkennbar st. Veränderungen lagen m Berech von ca. 4 %. Enen zusätzlchen Enfluss auf de Wrkung der Massenträghet hat de Schaltstratege des Fahrzeugs. De Drehzahl der VKM betrug maxmal nur ca. 4000 1/mn, zusätzlch st aus Bld 6 zu erkennen, dass en Großtel der Betrebszustände m Berech zwschen 1000 und 2000 1/mn legen. En sport-

8 Jahresbercht 2003 lcheres Fahrverhalten könnte her zu deutlcheren Veränderungen bezüglch des Enflusses des polaren Träghetsmomentes auf den Kraftstoffverbrauch führen. Für de Auslegung der E- Maschne sollte en Kompromss zwschen guten Fahregenschaften des Fahrzeuges und verbessertem Wrkungsgrad der E-Maschne gefunden werden. 5.5 Enfluss durch gezelte Veränderung des Kennfeldes Zur Überprüfung des Enflusses geänderter Kennfelder mt der Verschebung hoher Wrkungsgrade hn zu Berechen mt großer Häufgket von Betrebspunkten wurden de Kennfelder aus den Entwürfen herangezogen. Zusätzlch zu den jewelgen Kennfeldern wurden de tatsächlchen Massen und Trägheten der Maschnen n der Smulaton berückschtgt, um Auswrkungen deser je Maschne unterschedlchen Parameter n de Smulatonsergebnsse enfleßen zu lassen. Smulert wurde desmal jewels über den SC03 und den ECE-Zyklus. Um ene möglchst funderte Entschedung bezüglch der Egnung der Maschne für de gegebene Antrebsstruktur und für das gegebene Fahrzeug zu treffen, wurde für de E-Maschne ene separate Energeblanz aufgestellt. Für Smulatonsschrtte mt der Zetdauer t mt generatorschen Zuständen der E-Maschne (Index j) wurde de Energe aus der VKM n de E-Maschne (P mech ), für motorsche Zustände (Index k) de Energe aus der Battere n de E-Maschne (P el ) aufsummert. Aus der Gesamtsumme der n der E-Maschne umgesetzten Energe und der n der Maschne über de Kennfelder berechneten Verluste (P verl ), wurde en energetscher Wrkungsgrad berechnet, der für de gegebene Fahrzeugkonstellaton fahrzyklus- und betrebsstrategeabhängg st (Gl. 3). Für dre PMSM-Entwürfe fasst Tabelle 2 de Ergebnsse zusammen. Pmech t j + Pel tk Pverl t = j k η (3) P t + P t j mech j Tabelle 2: Verglech Wrkungsgrade E-Maschnen k el k PMSM lecht mttel schwer standard η SC03 /η ECE [%] 88,6/89,6 89,9/90,4 90,7/91,2 82,9/86,3 Dese Wrkungsgrade wesen aus, we geegnet de Entwürfe für den Ensatz n der zugrunde gelegten Antrebskonfguraton snd. In hnen st der Enfluss von Masse und Träghet der Maschne auf den Betreb m Fahrzyklus, ncht aber der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs enthalten. Ebenfalls wurde der Energegewnn, der aus der Optmerung des Kennfeldes der E-Maschne resultert, berechnet. Deser kann zu ener Abschätzung von Verbrauchsensparungen denen. Zur Abschätzung des Energegewnns durch Kennfeldverbesserung der optmerten Maschne kann de Energedfferenz zwschen den Verlusten der Maschne berechnet werden. Dazu wurde zunächst en mttlerer Wrkungsgrad der VKM aus den Zyklen von 25 % bestmmt. Verglchen wurde bespelhaft de Dfferenz der Energeverluste während des SC03-Zyklusses der Maschnen, welcher enem gefahrenen Weg von 5,739 km entsprcht.

Smulaton von Hybrdfahrzeugantreben mt optmerter Synchronmaschne 9 De Energedfferenz wurde auf 100 km hochskalert und anschleßend der Energegewnn berechnet, der sch n Lter/100 km darstellt. Dese Betrachtung erfolgt unter der Prämsse, dass de so engesparte Energe von der VKM ncht erzeugt werden muss und drekt zum Antreb oder von Verbrauchern genutzt werden kann. De Umrechnung wrd durch Tabelle 3 zusammengefasst: Tabelle 3: Abschätzung Ensparung Kraftstoffverbrauch durch Kennfeldoptmerung Energeensparung für SC03-Zyklus PMSM-St. opt. PMSM Umgesetzte Energe [Ws] 6,852E+05 6,910E+05 Verluste [Ws] 1,167E+05 0,638E+05 Energedfferenz durch Optmerung [Ws] 5,285E+04 Energeentnahme aus Tank η_vkm = 0,25 [Ws] 2,114E+05 Energedfferenz n Benzn [kg] 0,0050 Energedfferenz n Benzn [l] 0,0065 Energedfferenz n Benzn [l/100km] 0,1126 Das Ergebns aus Tabelle 3 zegt, dass de gezelte Veränderung des Kennfeldes der E- Maschne en Ensparungspotental für den Gesamtverbrauch des Fahrzeugs darstellt. Gemessen an dem Gesamtverbrauch des Fahrzeugs von 3,2 l/100 km m SC03-Zyklus beträgt de Kraftstoffensparung n desem Bespel mmerhn 3,1 %. Wetere Verglechsrechnungen mt anderen E-Maschnen zegen, dass das Ensparungspotental bs zu 6 % betragen kann. 6 ZUSAMMENFASSUNG In desem Bercht wurden Anforderungen an elektrsche Maschnen m Antrebsstrang von Elektro- und Parallelhybrdfahrzeugen generell und für vorgegebene Enbaustellen untersucht. Anhand zweer exemplarscher Fahrzeuge wurden de Unterschede der Häufgketsvertelungen der Betrebspunkte aufgezegt, de als Bass zur Auswahl des Maschnentyps und des Maschnenentwurfes verstanden werden müssen. Es zegt sch, dass zwschen beden Anwendungen deutlche Unterschede bezüglch spezfscher Belastung und der häufgsten Drehzahlen vorlegen. Ene Gegenüberstellung der Entwurfsergebnsse von optmerter und Standard-PMSM für den Hybrdantreb zegt, dass n der gezelten Optmerung der Maschne en erkennbares Ensparpotenzal besteht. De Smulatonsergebnsse zur Untersuchung des Zelkonflktes E-Motorenmasse Wrkungsgrad bestätgen de Annahme, dass der Enfluss der Masse der E-Maschne kenen sgnfkanten Enfluss auf den Verbrauch des Fahrzeugs hat. De Massenträghet des Rotors darf dagegen ncht vernachlässgt werden. Je gernger se st, desto mehr Verbrauchsensparung st möglch. Der Zelkonflkt zegt, dass für ene gute Maschne en optmertes Kennfeld be glechzetg nedrger Rotorträghet das größte Ensparpotenzal auf der elektrschen Sete betet. In zukünftgen Untersuchungen sollen mt Hlfe der Smulatonsrechnungen auch Enflüsse der Betrebsstratege der Maschnen, des Verhältnsses von VKM-Lestung zur E-Maschnenlestung und unterschedlche Maschnentopologen mt gezelten Entwürfen untersucht werden.