Überblick über Elektroantriebe Kurzfassung - FVEE · 2014. 3. 10. · elektrische Energie direkt...

Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier

Überblick über ElektroantriebeKurzfassungElektroantriebe bieten vielfältige Möglichkeiten, den globalen Anforderungen nach Reduzierung der Schadstoffemissionen zu entsprechen. Dazu gehören die vorteilhaften Eigenschaften, Energie zu rekuperieren, zu speichern mit der Option der Integration des Speichers in das Verbundnetz, aber auch mit elektrischen Einzelradantrieben neue Packagekonzepte und Fahrdynamikverbesserungen zu erzielen. Es kommen außer dem rein elektrischen Antrieb auch Rangeextender-Konzepte mit Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor in Frage.

Der Antrieb besteht i.a. aus dem Energiespeicher (Batterie), einem elektronischen Energiewandler (Umrichter/Ladegerät/Gleichspannungswandler) und einem elektromagnetischen (Motor) sowie einem mechanischenEnergiewandler (Getriebe). In dieser Struktur besteht ein hohes Potential an Integrationsmöglichkeiten unterschiedlicher Aufgaben, was sich auch entsprechend auf die Zuliefererstruktur auswirken kann.

Speziell bei den Elektromotoren führt die jeweilige Antriebsaufgabe zur Auswahl einer Maschinenart oder einer ihrer Sonderbauformen, wobei für Fahrantriebe meist permanentmagnetisch erregte Synchronmaschinen oder des Kostenfaktors wegen auch Asynchronmaschinen eingesetzt werden. Verschiedene Auswahlkriterien und einige Besonderheiten werden kurz aufgezeigt.

Wegen des Wegfalls mechanischer Antriebswellen kann das Package- und damit das Fahrzeugkonzept völlig neu gestaltet werden. Beispiele zeigen dies an der Unterbringung der Antriebskomponenten in einer Doppelbodenstruktur, die es dann auch erlaubt, die Fahrzeugnutzungsfunktion von der Chassisfunktion zu trennen, modulare Bauweisen und damit Kostenskalierungseffekte zu erzielen.

Zukunftspotential besteht in der Antriebstopologie durch den Einsatz beispielsweise eines am DLR in Entwicklung befindlichen Freikolbenlineargenerators, einer Brennkraftmaschine, bei der ohne den Umweg über die Kurbelwelle elektrische Energie direkt aus der Bewegungsenergie eines freifliegenden Kolbens über eine elektromagnetische Kopplung umgewandelt wird. Ebenso besteht großes Potential durch die Nutzung der vielfältigen mechanischen Freiheitsgraden von radintegrierten Antrieben.

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß Elektroantriebe die Möglichkeit bieten, völlig neue Fahrzeugkonzepte zu realisieren, dies im Besonderen in den Package-Konzepten und durch den Einsatz von radintegrierten Antrieben.

Überblick über ElektroantriebeInstitut für FahrzeugkonzepteDr. Michael Schier


Überblick über ElektroantriebeInhaltMotivation-Herausforderungen-Vision

- Limit climate change

- Anforderungen an individuelle Mobilität

Elektroantriebe

- Prinzipielle Architektur eines Elektroantriebs

- Maschinenarten

- Bauformen und Sonderbauformen elektrischer Antriebe

- Besonderheiten elektrischer Antriebe

- Package-Konzepte

Ausblick: Zukünftige Elektroantriebe

- Freikolbenlineargenerator und Radnabenantrieb


Motivation for CO2eq LCA in automotive industry: Limit climate change!European policy target: stay below 2 degree Celsius earth average temperature above pre-industrial levels

Source: European Commission 2005, 2007

Probability to reach 2°C

0

10

20

30

40

50

60

1990 205020402030202020102000

Global CO2 emission path

CO2eq stabilization level(ppmv)

Reduction of CO2eq emissions to ~10 Gt

„business as usual“Gt

Developed countries

Developing countries

EnergyIndustry

Transport

Reduction


Business as usual

Herausforderungen CO2-Emissionen aus Fahrzeugen weltweit

Referenzszenario#

Jahr 2000

+ 110%

2°C-Szenario- 40%

4

2

GtC

O2

6

2000 2025 2050

Sonstiges Asien und ehem. SowjetunionIndien

China Afrika und Mittlerer Osten

LateinamerikaNordamerika

Europa Ozeanien

# WBCSD(2004)


Neue Fahrzeugkonzepte

Innovative Fahrzeugkonzepte (FK)

FK ist als Systeminstitut angelegtFK erarbeitet, koordiniert und integriert fahrzeugkonzeptionelle Forschungsleistungen

Nachhaltige, sichere und finanzierbare

„Individuelle Mobilität“

Vision

Technologie-bewertung

Erhöhung der Energieeffizienz

Reduzierung der Fahrwiderstände


Anforderungen an individuelle Mobilität

EinzelraddynamikSicherheit

ModularitätFinanzierbarkeit

Hohes AnzugsdrehmomentDrehmoment

Nutzung regenerativer EnergienUmwelt schonen

RückspeisefähigkeitEnergieeffizienz

Integrierbarkeit ins VerbundnetzNachhaltigkeit

Was bieten Elektroantriebe?Was braucht das Fahrzeug-/Antriebskonzept?


Anforderungen an individuelle MobilitätDrehmoment erzeugen

Zentralantrieb Einzelradantrieb

Motor

Differential

M

„Transaxle“-Bauweise

„radnahe“ Motoren

„radintegrierte“ Motoren mit beliebigen Bewegungs-Freiheitsgraden

M M

MM

D

Quelle: MagnetMotor


Elektroantrieb mit VM-Range-Extender

Elektroantrieb mit BZ-Range-Extender

Elektroantrieb

Batterie

Motor

Motor

Batterie

Motor

Motor

VM(Viel-Stoff)

Batterie

Motor

Motor

BZ H2

VM VerbrennungsmotorBZ BrennstoffzelleH2 Wasserstoff

Anforderungen an individuelle MobilitätFinanzierbarkeit durch Modularität


ElektroantriebePrinzipielle Architektur eines Elektroantriebs

Energieversorgung

elektromechanischer Energiewandler (elektrische Maschine)

Die Antriebsaufgabe bestimmt den Antrieb

ggfls. elektrischer Energiewandler (Umrichter)

Energie-speicher(Batterie)

ggfls. mechanischer Energiewandler (Getriebe)

ggfls. elektrischer Energiewandler (Ladegerät)

ggfls. elektrischer Energiewandler (DC/DC-Wandler)

Hohes Potential zur Integration

Mögliche Änderung der Zuliefererstruktur


ElektroantriebeAnwendungen im KraftfahrzeugRadnabenantriebe

Hybridantriebe

Elektroantriebe

Generatoren zur Reichweitenerhöhung (Range-Extender)

Heute vorwiegend permanantmagnet-erregte Synchron-maschinen


Elektroantriebe MaschinenartenGleichstrommaschine GM

Synchronmaschine SYM

Asynchronmaschine ASM

Jacobi 1834 Siemens 1866 1895 Audi 1995

Oerlikon 1891 Kraftwerkgeneratoren Audi 2010

Tesla 1882 Teslamotors 2007

elektronisch kommutierteGM,

bürstenlose GM (BLDC),

PM-erregteSynchron-maschine

Alle: Feld und Strom müssen „synchron“miteinander umlaufen


ElektroantriebeSonderbauformen elektrischer AntriebeUniversalmaschinen (z.B. Bahn)

Reluktanzmaschinen (SRM, wicklungsloser Rotor)

Transversalflußmaschinen (hochpolig für kleinere Drehzahlen)

Unipolarmaschinen (schnelldrehend bei kleinen Spannungen)

Elektrostatische Maschinen (selbsthemmend bei kraftschlüssiger Verbindung Rotor-Stator)

Memorymotor (Feld im Betrieb anpaßbar)

Statorerregte Synchronmaschinen (wicklungsloser Rotor)

Kombiniert permantmagnetisch/elektrisch erregte Synchronmaschinen (magnetisch unwirksam im elektrisch unerregten Zustand)


ElektroantriebeAuswahlkriterien bei elektrischen Antrieben

- Stillstehender oder umlaufender Magnet

- Innenläufer oder Außenläufer

- Mechanische oder elektronische Kommutierung

- Strangzahl

- Stromflußrichtung

- Wicklungsschaltung offen, im Stern oder im Ring

- Ansteuerverfahren sinusförmig oder rechteckförmig

- Rotorlageerkennung sensorbehaftet oder sensorlos


ElektroantriebeBesonderheiten elektrischer AntriebeBaugrößen- und kostenbestimmend ist das Drehmoment

Drehmoment ist durch Stromdichte, Induktion und damit thermisch begrenzt

Der Drehzahlbereich ist begrenzt

Hohe Drehmomente gehen zu Lasten des Wirkungsgrades bei hohen Drehzahlen

Gesamtsystem aus Stromversorgung, Maschine und ggfs. Getriebe ist zu betrachten

Jede Maschinenart hat ihren speziellen Vorteil in einer bestimmten Antriebsaufgabe

Die elektromagnetische Verträglichkeit ist ein bestimmender Faktor

Der Umgang mit hohen Spannungen erfordert spezielle Prozesse


ElektroantriebeZukünftige Package-Konzepte



11,5

93,0

69,038,0 97,0

16,5

16,5

44,79

21,0LUFTVERDICHTERmit Motor

38,0

WASSERSTOFFSPEICHER

WASSERSTOFFSPEICHER

LUFT/WASSER-TRENNBEHÄLTER

Um

richter Verdichter

DRUCK-REGELUNG

MEDIENVERTEILER

MEDIEN-ANSCHLUSS 1

MESSER

MEDIEN-ANSCHLUSS 2

MESSER

Heckschublade (unten)

Blockgehäuse (oben)

6,1

Ladeluftkühler

Primärkühler

57,0

19,0

102,074,0

AKG

HAU

PTKÜ

HLER

AKG

59,3

12,00 mm

93,0

46,5

60,0

24V-

DC/D

C--

WAN

DLER

BRUS

A

VERDICHTER-

STEUERUNG

12V-DC/DC--WANDLERBRUSA

200V

-DC/

DC--

WAN

DLER

. FhG

Druck-minderer

45,0

Filter

Luft / Luft-KON

DEN

SATOR

RIETSCHLE

Tropfen-abscheider

10,0

7,5 7,5

VE-Wasser-Filter

MAHLE

Wasserglykol-filter

21,0 MAHLE

Batterie

Batterie

LUFTAU

SLASS

BatterieraumSeitentascheFahrerseite

58,0

SeitentascheBeifahrerseite

Kühlerraum

Mahle

22,0

20,0

WÜ

11,5

8,2VE-Wasser-

Pumpe

WG

-Pum

pe

8,2

33,0

SV

SV

Flammen- sperre

RV-H2-1

Frontbereich

Mittelkonsole

Kond-Behält.

BRENNSTOFFZELLEN

NUVERA

25,0BRENNSTOFFZELLEN

NUVERA

VE-Wasser-

Pumpe

Heiz.

2/3-Wege-Ventil

Freq

.Um

richt

erM

ES D

EA

IA-Pat.-HercoLeitfähigkeit

WG-Beh.

Taktung

AKG

AKG

31,0

8,6

32,023,0

33,0

21,3

18,5

23,0

HEI

ZUN

G

PASS

AGIE

R-

RAU

M

14,0

Steuergerät

ElektronikWasserstoffsensoren

Heckbereich

Fahrerseite

Beifahrerseite

AKG

Mahle

Zellspannungsmessung

SMART

41,9

32,5

FU A

nsch

lüss

e na

ch re

chts

FhG

- Ans

chlü

sse

nach

vor

ne

21,5

Elektrik AnschlüsseVE- Anschlüsse

Luft- Anschlüsse

Wasserstoff- Anschlüsse



Source: „Opels Brennstoffzellenautos,Wasser marsch für die Zukunft“,GM Adam Opel AG 2003

F-Cell Daimler B-Klasse

IntegrationsbeispielPEFC-System im Doppelboden


Ausblick: Zukünftige Elektroantriebe Freikolbenlineargenerator FKLG - Funktionsprinzip

Brennraum RückfederraumStator LäuferLadungswechsel Ventile Steuerventil

Verbrennungszylinder

Variabler HubVariable VerdichtungAnpassung des Verbrennungsprozesses

Hoher Wirkungsgrad in Teillast Vielstoff-Tauglichkeit

Lineargenerator Rückfederraum


Ausblick: Zukünftige Elektroantriebe Radnabenmotoren

Straße Schiene Flughafen

bis 250 km/h bis 440 km/h 25 km/h



Zukünftige Elektroantriebe bieten:

- Neue Packagekonzepte aufgrund Wegfall der mechanischen Antriebswellen

- Integration der Antriebskomponenten in die Struktur

- Radnabenantriebe für höheren Funktionalität



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Elektroantriebe bieten die Möglichkeit, völlig neue Fahrzeugkonzepte zu realisieren

Überblick über Elektroantriebe Kurzfassung - FVEE · 2014. 3. 10. · elektrische Energie direkt...

Documents

Transcript of Überblick über Elektroantriebe Kurzfassung - FVEE · 2014. 3. 10. · elektrische Energie direkt...