Elektromotorische Antriebe für Hybrid

Elektromotorische Antriebe für
Hybrid- und Elektrofahrzeuge
VDI Wissensforum “Hybrid- und Elektroantriebe für Kraftfahrzeuge”
9.-10. Juni 2010 Frankfurt/Main
Andreas Binder
Thomas Knopik
Technische Universität Darmstadt
Institut für Elektrische Energiewandlung
[email protected]
Quelle:Toyota
Institut für Elektrische Energiewandlung | Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder /Dipl.-Ing. T. Knopik | Seite 1
Inhalt
•
Grundlagen E-Motoren
•
Bauweisen
•
Steuerung und Betriebsbereiche
•
Verluste, Wirkungsgrade
•
Zusammenfassung
Quelle: BMW
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Grundlagen E-Motoren
Beispiel: Batteriebetriebene Fahrzeuge
Batterie
System:
Wechselrichter
mit Stützkondensator
E-Motor
a) Batterie
b) Wechselrichter
c) E-Motor
d) Getriebe
untersetzend
Drei
Wechselströme
e) Rad
f) Fahrbahn
Gleichstrom
PM: Permanentmagnet-Synchronmotor
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Grundlagen E-Fahrzeuge
Dreiphasen-Wechselströme
Idealisiert:
- Amplitude Iˆ
- Frequenz f = 1/T ( = 2f)
- Phasenfolge U, V, W
od. U, W, V
über Wechselrichter einstellbar
Phasenlage bei m = 3 Strängen U,V,W
IU (t )  Iˆ cos(t  0)
IV (t )  Iˆ cos(t  120)
IW (t )  Iˆ cos(t  240)
Re
Re
t=T/2
t=0s
120°
120°
120°
Im
Im
120°
120°
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120°
Grundlagen E-Fahrzeuge
Synchronmaschinen
Ständer
 Läufer: konstantes Magnetfeld
a) Permanentmagnete
b) Gleichstrom-Spulen
(Zwei Schleifringe + Bürsten)
N
N
 Ständer: “Drehfeldwicklung”
mit Wechselströmen:
S
Erregen Drehfeld
 LORENTZ-Kraft vom Läufer-Magnetfeld
auf Strom-Leiter der Ständerwicklung:
Tangentialkraft  Drehmoment Me
AC-Spulen:
 Läufer rotiert SYNCHRON mit dem
U-X
V-Y
Ständerdrehfeld nsyn = f / p
S
DC-Spule
Läufer
W-Z
Zweipolige (2p = 2) elektrisch
erregte Synchronmaschine
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Grundlagen E-Fahrzeuge
Asynchronmaschinen
N
S
Welle
syn
Gehäuse mit
Kühlkanälen
- Läufer trägt Kurzschlusswindung
- Läufer dreht langsamer als
Ständer-Drehfeld B, erfährt Feldänderung: nmot < nsyn
- FARADAY´sches Induktionsgesetz: Spannung u in Kurzschlusswindung erzeugt
- Spannung u treibt
Kurzschlussstrom ir .
Rotornuten:
Kurzschlusskäfig - Strom ir bildet mit B eine
LORENTZ-Kraft Fe, die den Läufer
oder
Schleifringläufer antreibt.
Statornuten
Luftspalt
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Bauform: Scheibe vs. Zylinder
(Beispiel: Gleiche Leistung P)
d
Das Drehmoment
bestimmt die
Baugröße des
Motors!
P  2  n  M ~ d  l  n
2
M ~ d2 l
Quelle: EMT
M=800Nm
n=120rpm
P
Drehzahl n
Drehmoment M
Durchmesser d
Länge l
Polzahl 2p
Scheibe
Zylinder
klein
groß
groß
klein
groß
groß
klein
klein
groß
klein
nsyn = f / p
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Quelle: TUD
M=0,08Nm
n=60000rpm
Beispiel: PM-Synchron- und KäfigläuferAsynchronmaschinen
 Technische Daten Elektrische Maschinen
Bemessungsleistung PN
Nenndrehzahl nN
Maximaldrehzahl nmax
PSM M1
ASM M2
20,5 kW
15 kW
PM-Synchronmaschine
1500 min-1 2765 min-1
6000 min-1 12500 min-1
Nenn-Drehmoment MN
130 Nm
52 Nm
Außendurchmesser ds,a
286 mm
150 mm
Eisenlänge lfe
95 mm
180 mm
Bauweise
Scheibe
Zylinder
KäfigläuferAsynchronmaschine
Kühlmittel: Durchfluss: 8 l/min, Vorlauftemperatur: 85 °C
(Quelle: Daimler)
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Bauformen: Ständerwicklung
Außen- und Innenläufer
Verteilte Wicklung 2-polig
Außenläufer-PM-Synchronmaschine
Scheibentyp
Zweipoliger Ständer
RunddrahtZahnspulen mit
Einziehwicklung
Zwischenzähnen auf
Innenstator
Quelle:
Krempel
Zwischenzähne
unbewickelt
Zahnspulenwicklung 16-polig
Zahnspule
als einfache
Aufsteckspule
Quelle: TU Darmstadt
Quelle: ZF/Dr.
Müller, Fichtel &
Sachs
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Permanentmagnete
auf AußenLäuferglocke
Bauformen: Beispiel für 8-polige elektrisch
und hybrid erregte Synchronmaschine
Magnetfeld
- Zwei Schleifringe, Kohlebürsten:
kleiner DC-Erregerstrom < 16 A
- Verteilte Ständerwicklung
Erregerspulen
Drehmoment
Feldachse
- Läufermagnetfeld kann verringert oder
erhöht werden
- Wassermantelkühlung; 60 kW, 3500/min;max.
Quelle:
12000/min
Conti, Dr. Hackmann
- Grunderregung permanentmagnetisch
Magnete
- Zusatzerregung elektrisch
- Zwei Schleifringe, Kohlebürsten:
Quelle:
kleiner DC-Erregerstrom Dissertation Hadji-Minaglou,
RWTH Aachen
Elektrische
Erregerspule - Läufermagnetfeld kann in Grenzen
verringert oder erhöht werden
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Permanentmagnet-Synchronmaschine
mit vergrabenen/Oberflächen-Magneten
- Negative Reluktanz = Magnetischer
Widerstand in der Feldachse kleiner
Süd
Nord
- K(l)eine Läuferverluste, keine
Schleifringe
- Läufermagnetfeld konstant, sinkt mit
steigender Temperatur
Magnet
Läufer
Vierpolig, verteilte
Ständerwicklung
Ständer
Nord
- Kein Reluktanzeffekt = Magnetischer
Widerstand ist konstant am Umfang
Süd
- Läufermagnete müssen fixiert werden
(nichtleitfähige Bandage)
- Höherer Bedarf an Magnetmaterial
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Geschaltete Reluktanzmaschine
(Beispiel: viersträngiger Ständer, zweipoliger Motor)
Unipolarer Blockstrom
Strang 4
Strang 1
Strang 2
Wechselrichter
Gleich
-spannung je Strang
Strang 3
Ständer: Zahnspulen
- Schrittweises Weiterschalten des
Ständermagnetfelds
Läufzahnzahl  Ständerzahnzahl
-Läufer: magnetisiertes Eisen –
mitgezogen = Drehmoment
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Geschaltete Reluktanzmaschine
(Beispiel: dreisträngiger Ständer, vierpoliger Motor)
Reluktanz =
magnetischer
Widerstand!
Ständer: 3 Stränge U, V, W; 12 Zähne
Eisen: kleine
Reluktanz
Läufer:8 Zähne; robust (nur Eisen)
Luft: hohe
Reluktanz
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Quelle:
SICME, Italien
Übersicht:
E-Maschinen für Hybrid-/E-Automobile
- Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM):
A) Verteilte Wicklung, Oberflächenmagnete, kein Reluktanzmoment
B) Verteilte Wicklung, Vergrabene Magnete, Reluktanzmoment
C) Zahnspulenwicklung, Oberflächen-/Vergrabene Magnete, niedrigere
Drehzahl
- Fremd-/Hybriderregte Synchronmaschine: Verteilte Wicklung, Läuferfeld
verstellbar, Reluktanzmoment wirkt leider negativ
-Käfigläufer-Asynchronmaschine (KLASM): Verteilte Wicklung,
Läuferverluste = heißer Läufer, geringere Ausnützung, sehr kleiner Luftspalt
- Geschaltete Reluktanzmaschine: Zahnspulenwicklung, nur
Reluktanzmoment, geringere Ausnützung, sehr kleiner Luftspalt,
vergleichsweise laut
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Drehmomenterzeugung in Drehfeldmaschinen
(hier PMSM)
M
3U p I q
2  nsyn
q-Achse
~pIq
Up : Polradspannung
durch p induziert
U (V)
Up
Zeitverläufe
Zeigerdiagramm Is

Id
t (s)

Iq Drehmoment M
PM-Magnet
Fluss p
d-Achse
M/torque (Nm)
I (A)
M (Nm)
150
Is
100
t (s)
Mit
/ ohne
calculated
without
saturation
Sättigung
calculated with
50
saturation
measured
Is =
Iq (A)(A)
Is/current
0
0
100
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200
300
Feldorientierter Betrieb bei Drehfeldmaschinen –
Umrichter (hier PMSM)
up
- Sinusförmig
eingeprägter Strom über
Sinus-HysteresebandStromregler
p
- Strom hat „feinen“
pulsfrequenten
Sägezähnverlauf auf
Grund des taktenden
Umrichters
Quelle:
Tyco
up ~
(im Bild oben sichtbar)
 Strom in Phase mit der induzierten Spannung (Polradspannung) ui = up über
den Umrichter eingeprägt: is = iq („Querstrom“) >> Rotorposition messen
 „Kommutierung des Motorstroms“: Nulldurchgänge des Motorstroms vom
Umrichter festgelegt, der als Referenz die Rotorposition (gemessen über
einen Polradlagewinkel-Geber) verwendet
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Erforderliche
Umrichterausgangsspannung
-Ströme und Spannungen sinusförmig,
als (rotierende) Zeiger dargestellt
- Kreisfrequenz  =2f
- Ständerdrehfeld induziert in Ständerwicklung Selbstinduktionsspannung
(Selbstinduktivität Lq)
-Ohmscher Spannungsabfall vernachlässigt
- Polradspannung und Strom in Phase

U s  (Lq I q ) 2  U 2p ~  ~ nsyn
- Resultierende Spannung Us muss vom
Umrichter eingespeist werden.
- Us steigt proportional zur Drehzahl!
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Vergleich: PMSM Ohne vs. Mit
Feldschwächung
Ständerspannung Us = konst. = maximal!
Leistung 100%
Drehzahl 100%,
Drehmoment 100%
Strom 100%
Verluste 100%
Xs I s
Us
Leistung 100%
Drehzahl 167%,
Drehmoment 60%
Strom 73%
Verluste 52%
q
I s= I sq
Xs I s
Up ~
Us
q
Up ~
XsIsd
XsIsq
Is
3c
I sq
Feldschwächstrom
3b
p
d
I sd
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p
d
Regelstruktur Drehfeldmaschinen (hier PMSM)
Koordinatentransformation
Ud
Uq
Raumzeigermodulation
Maschinenmodell
Sollwerte
Stromregler
PMSM
Id
Iq
Strommessung
Quelle:
ETEP Vol. 8,
No. 4, 1998,
Seite 312
Koordinatentransformation
Maschinenmodell
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Feldschwächung bei PM-Synchronmaschinen
(PMSM)
Is =konst
~
- Ab Nenndrehzahl nN :
Spannungsgrenze Us,max erreicht.
- Einprägen eines negativen dStroms: in der Ständerwicklung
Gegenspannung zu Up induziert,
so dass Us konstant bleibt.
- d-Strom erzeugt kein PMDrehmoment, nur Reluktanzmoment
bei PMSM mit vergrabenen PM!
nmax,Id=0
Grunddrehzahlbereich Feldschwächbereich
- Konstanter Gesamtstrom Is: Wegen
erforderlichem d-Strom muss
der q-Strom verringert werden, so
dass das Moment M sinkt
(„Feldschwächbereich“).
Statt nmax,Id=0 (bei Us = Up) wird ein höheres nmax erreicht, aber bei
verringertem Moment, das nicht mehr zu Is proportional ist.
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Feldschwächung bei PM-Synchronmaschinen
(PMSM): Stromverläufe
q
I (A)
I s  I d2  I q2
Up
Xs I s
Is
q
Is
Id
I s= I sq
Xs I s
Us
3c
Us
Up
I sd
I sq
p
d
Iq
3b
p
d
n (min-1)
nN
nmax
Feldschwächung
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Asynchronmaschine:
Drehmoment und Strom vs. Drehzahl
Betrieb bei:
Kippmoment
- konstanter Spannung
- konstanter Frequenz
(z. B. Netzbetrieb: Us = 220V
fs = 50Hz)
Nennpunkt motorisch
Motor
Schlupf s
s
nsyn  nmot
nsyn
Stillstand
(Anlaufpunkt)
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Leerlauf
Asynchronmaschine – Betrieb bei veränderlicher
Spannung und Frequenz
- Umrichterspannung steigt linear mit Frequenz und Drehzahl!
- Ab maximaler Umrichterspannung Us,max: Magnetfeld sinkt selbsttätig bei weiterer
Drehzahlerhöhung („automatische“ Feldschwächung).
Spannung steigt
mit Frequenz
Spannung konstant:
Feldschwächung
Kippmoment sinkt invers mit
Quadrat der Frequenz !
P = konst.
Thermisch zulässiger
Dauerbetrieb
Weitere Erhöhung n bei konst. P
unmöglich, weil Mb = Mmax
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Wirkungsgrad und Verlustgruppen:
PMSM vs. KLASM
PM-Synchron-Maschine
(PMSM)
Stator-Stromwärmeverluste
Ummagnetisierungsverluste
Käfigläufer-AsynchronMaschine (KLASM)
Verluste in den Magneten und
Läufer
Ventilations- u.
Lagerreibungsverluste
Stator-Stromwärmeverluste
Ummagnetisierungsverluste
Rotor-Stromwärmeverluste
Zusatzverluste bei
Sinusstrombetrieb
Ventilations- u.
Lagerreibungsverluste
Zusatzverluste bei WR-Betrieb
Zusatzverluste bei WR-Betrieb
WR: Wechselrichter
•Bei KLASM ist auch im Leerlauf Strom zur Magnetisierung der Bleche nötig 
30% vom Nennstrom IN
•Beim PMSM ist Strom im Leerlauf Null !!
Magnetisierungsstrom sorgt für größere Stromwärmeverluste bei KLASM
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Beispiel: E-Auto (PMSM-Motor M3)
Wirkungsgrad-Kennfeld gerechnet
Getriebe, PSM-Motor, WR:
BemessungsBetrieb:
WR = 98,5%
Getriebe = 98,5%
PMSM = 94,8%
--------------------ges = 92%
  M R  R / PB
R: am Rad,
PB: Batterieleistung
ηmax = 94.5%
Teillastbereich immer
noch rel. effizient
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Beispiel: Asynchronmaschine mit
Wechselrichter (gemessen)
KLASM M2 im
BemessungsBetrieb:
WR = 98,5%
Getriebe = 98,5%
KLASM = 88,5%
--------------------ges = 85,8%
Wirkungsgrad kleiner als bei
PM Synchronmaschine
ηmax = 90.1 %
P = const.
Deutlich schlechter
im Teillastbereich im
Vgl. zu PMSM !
- Magnetisierungsstrom!
- Zus. Verluste !
Quelle: Daimler,
TSA/DDr. Neudorfer
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Beispiel: E-Auto und Motorkennfeld
(PSM Motor M3)
Verfügbare Beschleunigungskraft im Punkt 2
Frad  F fahrwid .
dv
a
 M ( n, t )
dt
m
Quelle: Brusa
PM-Synchronmotor mit
Flüssigkeitsmantelkühlung
Fahrwiderstände
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40 kW
4500/min
85 Nm
96 A
164 V
cos φ = 0.89
Beispiel: E-Auto: Häufigkeit der vorkommenden
Wirkungsgrade im FTP-72 Zyklus
Ermittlung des Energieverbrauchs
 Fläche der Punkte = Maß für Aufenthaltshäufigkeit
 Farbverlauf = Maß für Wirkungsgrad
Fahrzyklus
FTP-72
Getriebe
PMSM-Motor M3
Wechselrichter
18%
Stillstand
Nennpunkt:
MN = 85Nm
nN = 75 s-1
Fazit:
Der E-Motor wird
im FTP-72-Zyklus
meist im
Teillastbereich
beansprucht!
Vorteil für PMSM
Institut für Elektrische Energiewandlung | Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder /Dipl.-Ing. T. Knopik| Seite 28
Zusammenfassung – Vergleich
unterschiedlicher E-Motorkonzepte
E-Maschine
Momentendichte
Wirkungsgrad
Masse
Stand der Technik
Wechselrichter
Kosten Maschine
Kosten System
Fertigung
Geräusch
ASM
+/+/+
++
+
+/+/+
+
PSM
++
++
++
+
+/+/++
SRM
+
+/- Wahl hängt stark vom Fahrzyklus ab
+
+/KLASM lange schon Massenprodukt
+ PM sehr teuer, Verfügbarkeit !?!
- Teurer Umrichter bei SRM
++ PM spröde
- SRM neigt zum Schwingen
Quelle:
TSA / DDr. Neudorfer
ASM: Asynchronmaschine
PSM: Permanentmagnet-Synchronmaschine,
SRM: Geschaltete Reluktanzmaschine (Engl.: Switch Reluctance Machine)
Institut für Elektrische Energiewandlung | Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder /Dipl.-Ing. T. Knopik| Seite 29
Elektromotorische Antriebe für Hybridund Elektrofahrzeuge
Danke
für Ihre Aufmerksamkeit!
Quelle:BMW
Institut für Elektrische Energiewandlung | Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h.c. A. Binder /Dipl.-Ing. T. Knopik| Seite 30