Überblick über Elektroantriebe Kurzfassung - FVEE · 2014. 3. 10. · elektrische Energie direkt...
Transcript of 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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. 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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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)
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
Anforderungen an individuelle Mobilität
EinzelraddynamikSicherheit
ModularitätFinanzierbarkeit
Hohes AnzugsdrehmomentDrehmoment
Nutzung regenerativer EnergienUmwelt schonen
RückspeisefähigkeitEnergieeffizienz
Integrierbarkeit ins VerbundnetzNachhaltigkeit
Was bieten Elektroantriebe?Was braucht das Fahrzeug-/Antriebskonzept?
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
ElektroantriebeAnwendungen im KraftfahrzeugRadnabenantriebe
Hybridantriebe
Elektroantriebe
Generatoren zur Reichweitenerhöhung (Range-Extender)
Heute vorwiegend permanantmagnet-erregte Synchron-maschinen
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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)
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
ElektroantriebeZukünftige Package-Konzepte
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
ElektroantriebeZukünftige Package-Konzepte
Source: „Opels Brennstoffzellenautos,Wasser marsch für die Zukunft“,GM Adam Opel AG 2003
F-Cell Daimler B-Klasse
IntegrationsbeispielPEFC-System im Doppelboden
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
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
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
Ausblick: Zukünftige Elektroantriebe Radnabenmotoren
Straße Schiene Flughafen
bis 250 km/h bis 440 km/h 25 km/h
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
Ausblick: Zukünftige Elektroantriebe
Zukünftige Elektroantriebe bieten:
- Neue Packagekonzepte aufgrund Wegfall der mechanischen Antriebswellen
- Integration der Antriebskomponenten in die Struktur
- Radnabenantriebe für höheren Funktionalität
Institut für Fahrzeugkonzepte, Workshop FVEE, 20.01.2010, Ulm, Dr. Michael Schier
Ausblick: Zukünftige Elektroantriebe
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Elektroantriebe bieten die Möglichkeit, völlig neue Fahrzeugkonzepte zu realisieren