10-03-17 VDI Elektromotoren in der mobilen Anwendung hofer eds

Ihr Partner fürEnergieeffiziente Antriebssysteme

Elektromotoren in der mobilen AnwendungVDI-Fachkonferenz Elektromobilität Automobilindustrie trifft Energiewirtschaft

17.03.2010www.hofer.de

hofer eds GmbHEin Unternehmen der hofer AG

• 97082 Würzburg • Sedanstr. 21 B

• E-Mail: [email protected]

• www.hofer.de

Dipl.-Ing. Eberhard Wünsch, Dr.-Ing. Hailong Gao Dr.-Ing. Heinz Schäfer

hofer edsThema: 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

www.hofer.de 17.03.2010Dipl.-Ing. Eberhard Wünsch, Dr.-Ing. Hailong Gao, Dr.-Ing. Heinz Schäfer

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hofer edsHybrid/ Elektro-Fahrzeug

Elektrofahrzeug Hybridfahrzeug


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hofer eds

•Umrichter

•Elektrische Maschine

•Software

Elektrisches Antriebssystem


•Batterie •Getriebe

•CAN Request:

•-Torque

•-Speed

•CAN Actual:

•-Torque

•-Speed

hofer edsHydrid 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 / StopBoost

Regenerative breaking


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Full Hybrid 15 bis 60 kW 60V bis 900V Start / StopBoost

Regenerative breakingPure electric drive

Plug in Hybrid bis 100 kW bis zu 900 V Start / StopBoost

Regenerative breakingPure electric drive

integriertes Ladegerät

hofer edsMild Hybrid (ASM)

gemessener Wirkungsgrad

berechneter Wirkungsgrad (motorischer Betrieb)


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hofer edsFull Hybrid (PSM)


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hofer edsPSM - 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


8

Schleppverluste in Segelphasen

Dauerhaftes Bremsmoment im Kurzschlussfall

Dauerhaftes Pendelmoment im 2 Phasen KS

hofer edselektrischer Achsantrieb

elektrische Hinterachse

incl. Planentengetriebe


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hofer edsASM - Asynchronmaschine

Vorteile:

Robustheit

Temperaturbeständigkeit

Großer Drehzahlbereich

hoher Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen

Kein aktives Bremsmoment im Kurzschlussfall

Kleine induzierte Spannung bei höherer

Drehzahl

Keine Schleppverluste


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Keine Schleppverluste

Geringe Herstellkosten (keine Magnete)

Nachteile:

Wirkungsgrad bei kleiner Drehzahl geringer

Kleinere Leistungsdichte

Größeres Bauvolumen bei vergleichbarer

Leistung

hofer edsPhysik

µ: Reibkoeffizient

α: Steigwinkel

ρ: Luftdichte

cw: cw-Wert

gm ⋅

HF

NF

LA

α

h

x

avs ,,


11

AL: effektive Aufstandsfläche

t: Zeit

s: Weg

v: Geschwindigkeit

a: Beschleunigung

m: Masse

h/x: Steigung

J: Trägheitsmoment

ü: Getriebeübersetzung

Rdyn: dynamischer Rad-Radius

F: Kraft

P: Leistung

E: Energie

η: Wirkungsgrad

ω: Winkelgeschwindigkeit

Zugkraft an der Achse:

- Reibung (Fahrbahn,…)

- Luftreibung

- Beschleunigungskraft

- Hangabtriebskraft

Wirkungsgrad

- Getriebe

- E-Maschine

- Umrichter ...

Geschwindigkeit

= Leistung

X

hofer edsZugkraft, Achsleistung, DC-Energie

Getriebe

FahrerMasse m

Beschleunigung a

Geschwindigkeit v

Reibkoeffizient µ

cw-Wert

Aufstandsfläche AL

αµ cos⋅⋅⋅= gmFR

2

2vAcF LWL ⋅⋅=

ρ

αsin⋅⋅= gmF H

J

Karosserie

Reifen

Chassis

Rad

Luftreibung

Reibkraft

Hangabtriebskraft

Beschleunigungskraft

Wärme


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vFP ZACHS ⋅=

∑= FFZBatterie

Umrichter

E-Maschine

Getriebe

Trägheitsmoment J

Beschleunigung a

aR

JmF

dyn

ges

B )(2

+=

∫ ∫== dsF

dtPE ZDCDC

ηηACHS

DC

PP =

resultierende Zugkraft

Antriebsleistung

DC-Leistung DC-Energie

Wärme

hofer edsmotorischer und generatorischer Leistungsfluß

ROTPOTKIN EEEE ++=

Fahr-Energie

d

Energiespeicher

VERLUSTE

Bat

terie

Um

richt

er

E-M

asch

ine

Get

riebe

Bre

mse

n

Rei

bung

Luft

wid

erst

and

Wärme∫ dt


13

∫ dt

dt

d∫dt

dt

d

Bat

terie

DC-

Leistungsebene

Antriebs-

Leistungsebene

motorische Leistung

generatorische Leistung

hofer edsLeistungsfluß und Wirkungsgrad-Kennfelder

Wir

ku

ng

sg

rad

Umrichter E-Maschine Getriebe

Wir

ku

ng

sg

rad

Wir

ku

ng

sg

rad


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motGET

ACHSEM

PP

,η

=motEM

EMAC

PP

,η

=motUM

ACDC

PP

,η

=

motorische Leistung

generatorische LeistungvFP ZACHS ⋅=

genUMACDC PP ,η⋅= genEMEMAC PP ,η⋅= genGETACHSEM PP ,η⋅=

DCP

hofer edszyklusspezifischer Wirkungsgrad

DC

ACHS

DC

ACHS

ZYKE

E

tP

tP=

∆⋅

∆⋅=∑∑

η

Zyklus-Wirkungsgrad

motDC

MM

E

E

,

=η

motorischer Zyklus-Wirkungsgrad

G

genDC

GE

E ,=η

generatorischer Zyklus-Wirkungsgrad

GMACHS EEE +=

Aufspaltung in motorischen und generatorischen Anteil:


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motDCE , GE

GGMM

GMZYK

EE

EE

ηηη

⋅+

+=

Zyklus-Wirkungsgrad

Reibung+Beschleunigung:

EM = +9.0 kWh EDC,mot = +10.0 kWh

ηM = (+9.0 kWh) / (+10.0 kWh ) = 90%

Beispiel:

Verzögerung abzgl. Reibung:

EG = -2.0 kWh EDC,gen = -1.9 kWh

ηG = (-1.9 kWh ) / (-2.0 kWh ) = 95%

Zykluswirkungsgrad: ηZYK = (+9.0 kWh – 2.0 kWh) / (10.0 kWh – 1.9 kWh) = 86.4%

Verbrauch: EDC = EM / ηM +EG ηG = 10.0 kWh -1.9 kWh = 8.1 kWh

Wir

ku

ng

sg

rad

hofer edsE-Maschinen-Wirkungsgrad

Wir

ku

ng

sg

rad

bis zu 95% Wirkungsgrad

geringer Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen

im mittleren und hohen Bereich gut

höherer Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen

Kupfer-Verluste

(Wicklung, Wickelkopf, Füllfaktor, Kühlung)

Eisen-Verluste

(Hystereseverluste, Wirbelstromverluste)

Lagerreibung

(Größe, Vorspannung, Drehzahl)


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Wir

ku

ng

sg

rad

(Größe, Vorspannung, Drehzahl)

Luftreibung

(Luftspalt-Geometrie, Drehzahl3)

Rotor-Verluste

Asynchronmaschine

Käfigstrom-Verluste

(Schlupf, Käfigmaterial, Stromverdrängung)

Permanent Erregte Synchronmaschine:

Wirbelstromverluste im Magneten

sonstige Verluste

(Oberwellen, …)

hofer edsEisenverluste


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2

0

2

00

⋅

+⋅⋅=

B

B

f

fk

f

fkVP WHFe

Steinmetz-Formel

Hystereseverluste Wirbelstromverluste

V: Eisenvolumen

f: Drehfeld-Frequenz

B: magnetische Induktion1) Folie aus Vortrag „Magnetische Eigenschaften und Verluste nichtkornorientierter Elektrobandsorten“

anläßlich FEMAG-Anwendertreffen 2009 mit freundlicher Genehmigung von Hr. Dr. K. Telger, ThyssenKrupp Steel Europe

1)

hofer edsWirbelstromverluste im Magneten

axiale Segmentierung tangentiale Segmentierung

NdFeB


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222BbkVP MMM σω⋅⋅=

V: Magnetvolumen

σ: spez. elektrischer Leitwert [Ω-1 / m]

ω: elektrische Kreisfrequenz

bM: Segment-Breite

B: magnetische Induktion

SmCo

AlNiCo

Hart-

Ferrite

hofer edsEinfluß 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


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Entfernung: 11009 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

EDC,mot (motorische DC-Energie) 1.84 kWh

EDC,gen (generatorische DC-Energie) -0.38 kWh

EDC,mot + EDC,gen 1.46 kWh

Verbrauch ohne Rekuperation: 16.9 kWh/100km

hofer edsEinfluß 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 System-

wirkungsgrades um 1% würde den Verbrauch

um lediglich 0.2 kWh/100km reduzieren

( von 12.7 auf 12.5 ).


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Entfernung: 17766 m

Dauer: 41 Min : 18 Sek

Stillstand: 15 Min : 41 Sek

Durchschnitt: 41.6 km/h (25.8 km/h)

Verbrauch: 12.7 kWh/100km

Der Verbrauch bei Verwendung eines realen,

aus Überlandtestfahrten ermittelten Fahrzyklus

liegt deutlich höher (ca. 17 kWh).

EDC,mot (motorische DC-Energie) 3.13 kWh

EDC,gen (generatorische DC-Energie) -0.88 kWh

EDC,mot + EDC,gen 2.25 kWh

Verbrauch ohne Rekuperation: 17.6 kWh/100km

hofer edsAntriebs-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


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GetriebeübersetzungenAuswahl potentieller

Favoriten und

Berechnung der Kennfelder

(E-Maschine, Umrichter, Getriebe)

Fahrzyklus

Berechnung des Zyklus-Wirkungsgrades und –Energieverbrauchs in kWh/100km

hofer eds


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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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