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Innovation, Technologie

Elektrische Antriebe für die E-Mobilität: Effizienz- und Kostenoptimierung

Klimawandel und zur Neige gehende fossile Primärenergiequellen haben in der Gesellschaft das Bewusstsein für die hohe Bedeutung der Energietechnik geschärft. Hinzu kommt speziell in Deutschland der aktuelle Beschluss der Bundesregierung über den Ausstieg aus der Kernenergienutzung. Von besonderer Bedeutung bei der Energiediskussion sind die elektrischen Antriebe: so wird z.B. in der europäischen Gemeinschaft etwa 50% der elektrischen Energie in elektrischen Maschinen umgesetzt. In diesem Beitrag werden elektrische Traktionsantriebe für die E-Mobilität bzgl. zweier weiterer Einflussfaktoren näher betrachtet: Je geringer die Verluste, d.h. je besser der Wirkungsgrad, desto größer ist die (derzeit noch stark begrenzte) Reichweite eines Batteriefahrzeuges. Außerdem ist neben dieser Verlustoptimierung unbedingt eine Optimierung auf minimale Kosten erforderlich, um alternative Antriebe in Kraftfahrzeugen für den Kunden erschwinglich zu gestalten. Die Kombination dieser beiden Anforderungen wird in diesem Beitrag untersucht.

Elektrische Antriebe für die E-Mobilität: Effizienz- und Kostenoptimierung
Bild 1

Einleitung

Die Bedeutung elektrischer Antriebe im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen wächst ständig. Start-Stopp-Betrieb des Verbrennungsmotors wird mehr und mehr zum Standard und nahezu jeder Automobilhersteller hat inzwischen Hybrid-Fahrzeuge im Angebot. Zudem wird bei fast allen Automobilherstellern an reinen Elektrofahrzeugen gearbeitet. 

Entscheidend für die Auslegung solcher Fahrzeuge ist aber, dass im täglichen Fahrbetrieb der Antrieb fast ausschließlich im Teillast-Betrieb genutzt wird. Dies wird in Bild 1 verdeutlicht: In der Drehmoment-Drehzahl-Ebene sind typische Betriebspunkte eingezeichnet, wobei die Betriebspunkte maximaler Leistung von 125 kW und 100 kW praktisch nicht im Zyklus angefahren werden. Es wird also deutlich, dass der elektrische Antrieb hauptsächlich in Teillast bei unter 20 % der Nennleistung betrieben wird.

1. Vergleich von Wicklungen mit verteilten und konzentrierten Spulen

Im Laufe der Entwicklung haben sich für Drehstrommaschinen (also z.B. permanentmagnet- oder stromerregte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen) Statorwicklungen mit verteilt angeordneten Spulen als technisch sehr günstig herausgestellt (siehe Bild 2a). Der wesentliche Grund ist, dass diese Art der Wicklung so gestaltet werden kann, dass ein weitgehend sinusförmiges Magnetfeld im Luftspalt der Maschine erzeugt wird. An Bild 2a wird aber auch schon der wesentliche Nachteil dieser Wicklungsart deutlich: Die ausladenden Wickelköpfe führen dazu, dass 

- die Maschine in axialer Richtung recht lang wird,
- hohes Kupfergewicht und hohe Kupferkosten anfallen und
- erhöhte Ohmsche Verluste im Wickelkopf auftreten.

Diese Nachteile können beseitigt werden, indem eine Wicklung mit konzentrierten Spulen verwendet wird; dies wird unmittelbar aus Bild 2b deutlich. Hinzu kommt der weitere Vorteil der leichteren und wirtschaftlicheren Produzierbarkeit. Allerdings hat diese Art der Wicklung den gravierenden Nachteil, dass das Luftspaltfeld eine große Anzahl Harmonischer mit hoher Amplitude enthält. Die wesentlichen Nachteile hiervon sind erhöhte Rotorverluste (im Eisen und in den Permanentmagneten) [1] und die Anregung von Kraftwellen, die zu akustischen Geräuschen führen [2]. Aufgrund dieser Nachteile haben sich solche Wicklungen bisher im Automobilbereich für Traktionsanwendungen nicht durchgesetzt.

Elektrische Antriebe für die E-Mobilität: Effizienz- und Kostenoptimierung
Bild 2 a (links) und b (rechts)

2. Optimierung von Wicklungen mit konzentrierten Spulen

In Bezug auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine ist nun vor allem erforderlich, die Harmonischen des Luftspaltfeldes zu eliminieren, die für die Verluste im Rotor verantwortlich sind. Dies gelingt mit Hilfe einer neuen Art von konzentrierten Spulen, indem bei diesen konzentrierten Spulen die letzte Windung nur halb um den Zahn gelegt wird [3]. Bei geschickter Anordnung können diese Rotorverluste weitgehend vermieden werden. Einen beispielhaften Vergleich zeigt das Bild 3: Dargestellt ist jeweils die Verteilung der Wirbelstromverluste in einem Rotorausschnitt einer solchen Maschine; die Berechnung der Wirbelstromverluste erfolgte wie in [3] beschrieben und wurde mit Hilfe der Finiten Elemente Methode (FEM) durchgeführt. Bild 3a zeigt die Verteilung der Wirbelstromverluste bei einer konventionellen Wicklung mit konzentrierten Spulen; Bild 3b die Verteilung der Wirbelstromverluste bei einer neuartigen Wicklung mit konzentrierten Spulen (beides mit gleichem Maßstab). Sehr deutlich sind die Verbesserungen zu erkennen.

Hinsichtlich der Vermeidung akustischer Geräusche bei Wicklungen mit konzentrierten Spulen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, siehe z.B. [4].

3. Auswirkungen auf den elektrischen Antriebstrang eines E-Fahrzeuges

Vergleicht man ein solches neues Motordesign (Wicklung mit konzentrierten Spulen und reduzierten Rotorverlusten) mit einem Standard-Traktionsmotor (Wicklung mit verteilten Spulen, siehe Kapitel 1), so erkennt man insbesondere im Teillast-Bereich eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades [5]. Diese Wirkungsgradverbesserung macht sich dann auch in einer deutlichen Verlustreduktion während eines typischen Fahrzyklus bemerkbar. In Bild 4 ist eine solche Fahrzyklussimulation für ein typisches E-Fahrzeug bezüglich der kumulierten Verluste im Elektromotor ausgewertet. Es zeigt sich eine deutliche Energieeinsparung gegenüber heutigen Lösungen.

Diese eingesparte Energie muss nun auch nicht über den Wechselrichter übertragen werden, so dass sich auch in dieser Leistungselektronik zusätzliche Einsparungen an Verlusten ergeben.

Das verbesserte Wicklungsdesign ist praktisch ohne Zusatzkosten in der Produktion realisierbar, bei gleichzeitiger Materialeinsparung gegenüber Wicklungen mit verteilten Spulen. Zusätzlich entstehen geringere Verluste, was die Kühlung vereinfacht. Der Wechselrichter muss weniger Leistung übertragen, was zu einem geringeren Stromniveau und zu vereinfachter Kühlung führt. Die nicht in Verluste umgesetzte elektrische Energie führt (bei gleicher Reichweite des E-Fahrzeuges) zu einer entsprechend kleineren Batterie. Alle Komponenten des elektrischen Antriebstranges werden also kostengünstiger. Eine vorsichtige Abschätzung ergibt eine Kostenreduktion des elektrischen Antriebstranges um ca. 6%, bei gleichzeitig verbesserten technischen Eigenschaften.

Elektrische Antriebe für die E-Mobilität: Effizienz- und Kostenoptimierung
Bild 3 a (links) und b (rechts)

4. Neuer Studiengang "Electromobility Engineering"

Die Elektromobilität gehört zu den wichtigsten Zukunftssektoren im Bereich Automotive. Die zunehmende Verknappung fossiler Rohstoffe sowie die stärkere Regulierung der Emissionen von Kraftfahrzeugen erzwingen die Einführung von alternativen Antriebskonzepten zum Verbrennungsmotor. Dabei spielt der elektrische Antrieb die zentrale Rolle. Das beginnt bei der Hybridisierung und endet in der Einführung von voll elektrischen Fahrzeugen.

Der neue, berufsbegleitende Master-Studiengang "Electromobility Engineering" an der Universität der Bundeswehr München vermittelt den TeilnehmerInnen vertiefte Kenntnisse im Bereich der Elektromobilität. Neben dem Schwerpunkt Elektrischer Antrieb werden darüber hinaus die Energiespeicher, Kommunikations- und Energiebordnetze sowie die zur Steuerung und Regelung eingesetzte Leistungselektronik behandelt.

Der Studiengang richtet sich an erfolgreiche AbsolventInnen eines ersten berufsqualifizierenden Hochschulstudiums in ingenieur- oder naturwissenschaftlichen Bereichen, die erste berufliche Erfahrung ? insbesondere in der einschlägigen Industrie ? gesammelt haben. Für die BewerberIn steht die Vertiefung des Fachwissens in einem der wichtigsten Zukunftssektoren im Bereich Automotive im Vordergrund. Ein erfolgreicher Abschluss qualifiziert die AbsolventInnen zur Bearbeitung technisch komplexer Problemstellungen und legt den Grundstein für die spätere Übernahme von Führungsaufgaben.

Weitere Informationen unter: www.casc.de bzw. electromobility@unibw.de

academicworld Crossmedia

Dieser Artikel ist die erweiterte Online-Version des zuerst im Magazin HI:TECH CAMPUS  Juli - September 2012 erschienenen Artikels "Zukunftskonzept E-Mobilität". 

5. Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurde auf die Bedeutung des Wirkungsgrades im Teillast-Betrieb, insbesondere bei Traktionsanwendungen im Automobilbereich, hingewiesen. Eine ähnlich hohe Bedeutung haben diese Betriebspunkte aber auch bei Pumpen- und Lüfterantrieben in der Industrie oder in Haushaltsanwendungen.

Es wurde eine extrem kostengünstige Möglichkeit zur Verlustreduktion aufgezeigt, so dass die Realisierung verbesserter technischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Kostenreduktion gegenüber heutigen Standard-Motoren äußerst wahrscheinlich ist.

Um der Bedeutung des Themenfeldes "Elektromobilität" gerecht zu werden, ist an der Universität der Bundeswehr München ein neuer, berufsbegleitender Master-Studiengang "Electromobility Engineering" eingerichtet worden. In einem der wichtigsten Zukunftssektoren können hier vertiefte Fachkenntnisse erworben werden.

Elektrische Antriebe für die E-Mobilität: Effizienz- und Kostenoptimierung
Bild 4

Literatur

[1] Magnussen, F.; Sadarangani, C.: Winding factors and Joule losses of permanent magnet machines with concentrated windings, International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC-2003), 01.-04.Juni 2003, Madison (WI), USA
[2] Dajaku, G.; Gerling, D.: Magnetic Radial Force Density of the PM machine with 12-teeth/10-poles Winding Topology, International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC-2009), 03.-06. Mai 2009, Miami (FL), USA
[3] Dajaku, G.; Gerling, D.: Eddy Current Loss Minimization in Rotor Magnets of PM Machines using High-Efficiency 12-teeth/10-slots Winding Topology, International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS-2011), 20.-23. August 2011, Beijing, China (paper accepted)
[4] Dajaku, G.; Gerling, D.: A Novel 24-Slots/10-Poles Winding Topology for Electric Machines, International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC-2011), 15.-18. Mai 2011, Niagara Falls (Ontario), Canada
[5] Gerling, D.; Dajaku, G.; Muehlbauer, K.: Electric Machine Design Tailored for Powertrain Optimization, 25th World Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition (EVS25-2010), 05.-09. November 2010, Shenzhen, China

Autoren
Prof. Dr.-Ing Dieter Gerling, Universität der Bundeswehr München, Institut für Elektrische Antriebstechnik
Dr.-Ing Gurakuq Dajaku, FEAAM GmbH
Dipl.-Ing. Klaus Mühlbauer, Universität der Bundeswehr München, Institut für Elektrische Antriebstechnik

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