Der Elektromotor im Hybridfahrzeug

Vergleich von drei unterschiedlichen Elektromotorentypen


Bachelorarbeit, 2009

36 Seiten, Note: sehr gut


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Vorwort

2 Einführung in die Hybridtechnologie
2.1 Hybridantriebe
2.2 Rolle der E-Maschine im Hybridantrieb

3 Anforderungen an die E-Maschine
3.1 Wasserdichte E-Maschinen
3.2 Ölbeständige E-Maschinen

4 Betriebsarten der E-Maschine
4.1 Motorbetrieb
4.2 Generatorbetrieb

5 Aufbau und Wirkungsweise von drei unterschiedlichen E-Maschinen
5.1 Asynchronmaschine
5.1.1 Aufbau und Wirkungsweise
5.1.2 Vorteile der Asynchronmaschine
5.2 Geschaltete Reluktanzmaschine
5.2.1 Aufbau und Wirkungsweise
5.2.2 Besonderheiten der Reluktanzmaschine
5.3 Synchronmaschine
5.3.1 Aufbau und Wirkungsweise der Synchronmaschine
5.3.2 Permanentmagnet Synchronmaschine
5.3.3 Vergrabene Magnete
5.3.4 Oberflächenmagnete
5.3.5 Wirkungsgrad der Synchronmaschine

6 Direkter Praxisvergleich der drei unterschiedlichen E-Maschinen
6.1 Aufbau des E-Go-Karts
6.1.1 Batteriesystem
6.1.2 Ultra Caps
6.1.3 Wechselrichter
6.1.4 E-Maschinen
6.2 Testergebnisse
6.3 PSM als Testsieger in Punkto Wirkungsgrad

7 Einsatz der Synchronmaschinen in Fahrzeugmodellen

8 Persönliches Resümee

9 Literaturverzeichnis

10 Anhang Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 4-1:Motorbetrieb

Abb. 4-2:Generatorbetrieb

Abb. 5-1: Aufbau Asynchronmotor

Abb. 5-2: Schnitt durch den geschalteten Reluktanzmotor

Abb. 5-3: Synchronmotor

Abb. 5-4: Lage der vergrabenen Magneten

Abb. 5-5: Arbeitsbereich der PSM

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabellenverzeichnis

Tab. 6-1:Technische Daten der Blei-Batterie und der Lithium-Ionen-Batterie

Tab. 6-2:Technische Daten der Ultra-Caps

Tab. 6-3:Technische Daten des IGBT Wechselrichters

Tab. 6-4:Zusammenfassender Vergleich

Tab. 7-1:Einsatz der Synchronmaschine in Herstellerprodukten

1 Vorwort

Der Elektromotor ist das Herzstück des Hybridfahrzeuges. Demnach werden aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften verschiedene Typen von Elektromotoren in Hybridfahrzeugen eingesetzt. Die Hybridtechnologie befindet sich in der Forschung und Entwicklungsphase. Viele unterschiedliche Konzepte werden erprobt und weiterentwickelt. Deswegen verliert man leicht den Überblick welcher Elektromotor zum heutigen Entwicklungsstand als sehr geeignet gilt.

Diese Arbeit beschreibt und vergleicht die technischen Eigenschaften der drei am häufigsten eingesetzten Elektromotorentypen.

Die Leserzielgruppe dieser Arbeit umfasst technisch Interessierte, Ingenieure, Fachkräfte und all jene, die bereits Vorkenntnisse im Bereich Elektrotechnik haben und sich näher für Hybridantriebe interessieren.

Ziel dieser Arbeit ist die Sensibilisierung der Rolle des Elektromotors im hybriden Antriebskonzept. Des Weiteren die technische Untersuchung, der drei am häufigsten verwendeten Elektromotoren bzw. der Vergleich welcher dieser Elektromotoren, zum heutigen Stand der Technik, am geeignetsten für die Integration in einem Hybrid-Personenkraftwagen ist.

2 Einführung in die Hybridtechnologie

2.1 Hybridantriebe

Erfolgreich umgesetzte Innovationen im Automobilsektor, führten in den letzten Jahrzehnten zu einem sehr hohen Technologieniveau. Es ist vorhersehbar, dass die zukünftigen Anforderungen an unsere Automobile weiter zunehmen werden. Jene Automobilhersteller werden sich im vorherrschenden Konkurrenzkampf am Automobilmarkt durchsetzen, die die besten Lösungen in den Themen Verbrauch, Kosten, Emissionen und Fahrkomfort liefern. Um diese Herausforderung zu meistern, wird die Elektrifizierung des Antriebes ansteigen.1

Rein batterieelektrische Fahrzeuge können noch nicht die Anforderungen der Nutzer erfüllen. Die Reichweite ist noch zu gering für den herkömmlichen Gebrauch. Die Abgasemissionen sowie Wirkungsgrad der gesamten Energiekette, hängen von der Art der Stromerzeugung ab. Ein möglicher Ausweg liegt im hybriden Antriebskonzept. Hybridfahrzeuge nutzen mindestens zwei unterschiedliche Energiewandler und zwei unterschiedliche Energiespeicher. In den meisten Fällen wird ein Elektromotor und eine Batterie mit einem Verbrennungsmotor kombiniert. Auf diese Weise lassen sich die Vorteile beider Antriebsarten miteinander vereinen. Der Elektromotor emittiert keine Schadstoffe und ist außerdem sehr laufruhig. Er ist in einem breiten Drehzahlbereich mit hohem Wirkungsgrad einsetzbar. Auch der Verbrennungsmotor kann mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden, allerdings nur in einem kleinen Last- oder Drehzahlbereich. Einer der größten Vorteile liegt aber im Kraftstoff. Die Energiedichte ist um ein Vielfaches höher als die einer Batterie.2

Die Hybridtechnologie ist mittlerweile schon durchaus in der Praxis erprobt und besitzt ein enorm hohes Entwicklungspotential. Vor allem der Automobilhersteller Toyota hat große Pionierarbeit mit dem erfolgreich vermarkteten Modell „Prius“ geleistet. Die Autohersteller sind also gefordert, diese Technologie voranzutreiben.

2.2 Rolle der E-Maschine im Hybridantrieb

Der Elektromotor, welcher auch E-Maschine bezeichnet wird, bildet das Herzstück des hybriden Antriebsstrangs. Die Vorteile des Hybridfahrzeuges liegen in der Energieeffizienz und dem Fahrverhalten. Die Art der E-Maschine hinsichtlich Wirkungsweise, Wirkungsgrad und Integration in den Antriebsstrang ist hier entscheidend.

Am Beginn der Entwicklung von Hybridfahrzeugen wurden meistens Gleichstrom-Kommutatormotoren eingesetzt. Zwischenzeitlich verbesserte sich die Technologie von Stromrichtern, sodass heute ausschließlich Drehstrommotoren zum Einsatz kommen. Der Drehstrommotor arbeitet sowohl motorisch, das bedeutet das Fahrzeug wird angetrieben, als auch generatorisch, das Fahrzeug wird abgebremst. Die kinetische Bremsenergie wird in Form von elektrischer Energie in den Energie-speicher zurückgespeist. Das heißt der Drehstrommotor wirkt als Energiewandler. Im Motorbetrieb wird elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Im Generatorbetrieb wird kinetische Energie in elektrische Energie rückgewandelt, parallel dazu wird ein Bremsmoment erzeugt.3

Diese Energiewandlung wird regeneratives Bremsen beziehungsweise rekuperatives Bremsen genannt und zeichnet den Hybridantrieb im Punkto Energieeffizienz aus.

3 Anforderungen an die E-Maschine

Die Nutzung der bestehenden Antriebsstränge in Hybridfahrzeugen bieten Chancen und Herausforderungen. Das gleiche Fahrzeug kann sowohl als Hybridfahrzeug oder mit herkömmlichem Antriebsstrang angeboten und somit flexibel vermarktet werden. Dieses Vorgehen reduziert den Entwicklungsaufwand, da viele Baugruppen unverändert verwendet werden.

Als Einbauort stellt sich bei diesen Konzepten der Bereich zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe als der meistverwendete heraus. Dieser Bauraum ist durch die bisherigen Triebstrangkomponenten nahezu ausgefüllt. Nur durch eine optimale Integration der Triebstrangkomponenten mit der elektrischen Maschine, kann eine zufriedenstellende Lösung erreicht werden.

Daraus Ergeben sich vielfältige Anforderungen an die elektrische Maschine. Neben der minimalen axialen Länge bei großem Durchmesser, ist insbesonders bei kurbelwellenmontierten Maschinen ein relativ großer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zwingend notwendig. Weitere Forderungen erhöhen den Anspruch an das elektrische Maschinenkonzept, z.B. höchste Leistungs- und Drehmomentendichte ohne erwünschte Betriebesgeräusche und die Ausführung als Innen- oder Außenläufer in Abhängigkeit der angrenzenden Komponenten.4

Um die fehlerfreie Funktionalität der E-Maschinen zu gewährleisten, werden diese gegen Umwelteinflüsse geschützt. Der Focus wird hier auf dem Schutz gegen das Eindringen von Wasser und Öl gelegt.

3.1 Wasserdichte E-Maschinen

Bei der Anordnung der E-Maschine auf der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bzw. in der Kupplungsglocke, steht kein wasserdichter Bauraum zur Verfügung. Auch bei Antrieben, in der die E-Maschine außerhalb des Getriebes separat gelagert ist, kann Wasser zur E-Maschine dringen. Die Anforderungen an die Wasserbeständig-keit sind daher sehr hoch, besonders wenn es sich um die Automobilart SUV (Sport Utility Vehicle) handelt. Eine Watfähigkeit bis zur Kurbelwelle, im Wasser mit fOnf Prozent Salzgehalt, muss gewährleistet sein. Das bedeutet, dass bei maximaler Spannung und maximalen Strom keine Gefahr durch Erdung des elektrischen Fahrzeuges durch den Betreiber entsteht. Die E-Maschine wird bis zur Drehachse in das salzhaltige Wasser getaucht. Beim Betrieb kommt es zur Umwälzung des Wassers durch den Rotor. Aufgrund der Fliehkraft bildet sich ein umlaufender Wasserring im Gehäuse. Die wasserdichte Anordnung wird durch eine spezielle Drahtbeschichtung, der Spulen der E-Maschine, erreicht. Die Verschaltungen der Einzelspulen werden vergossen. Eine Imprägnierung des Stators gibt einen zusätzlichen Schutz vor dem salzhaltigen Wasser. Der elektrische Anschlusskasten sitzt in der Regel oberhalb der Wattiefe, sollte aber trotzdem abgedichtet sein, um ein Volllaufen zu verhindern.

Diese Anforderungen mOssen Ober die Lebensdauer, mit entsprechendem Temperaturbereich, zwischen Betriebstemperatur und null Grad Celsius nachgewiesen werden.5

3.2 Ölbeständige E-Maschinen

Bei der Anordnung der elektrischen Maschine innerhalb des geschlossen Getriebegehäuses, wird die Maschine teilweise in Öl getaucht. Grundsätzlich ist zu vermeiden, dass die Teile der E-Maschine dauerhaft mit Öl in BerOhrung kommen. Aufgrund des relativ kleinen Luftspalts zwischen Rotor und Stator, stellen sich durch das Öl sehr hohe Wandreibungsverluste ein. Im Kaltstartvorgang muss im gegebenen Fall die E-Maschine unter Umständen stärker ausgelegt sein, um die Wandreibungsverluste, hervorgerufen durch das extrem zähe Öl im Luftspalt, zu Oberwinden.

Der verwendete Draht mit Isolierschicht der Spulenkörper, ist resistent gegenOber Öl. Zu beachten ist auch, dass das Öl nicht mit ungeschOtzten Kupferoberflächen in

Verbindung kommt. Das würde den Alterungsprozess des Getriebeöls be-schleunigen.6

4 Betriebsarten der E-Maschine

Je nach Fahrsituation kann die E-Maschine im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben werden. Wird beispielweise Vortriebsmoment vom Fahrer gefordert läuft die E-Maschine im Motorbetrieb. Beim Bergabfahren oder Bremsen wirkt die E-Maschine als Generator.

4.1 Motorbetrieb

Im Motorbetrieb Obernimmt die E-Maschine Ober längere Zeit allein den Antrieb des Hybridfahrzeuges. Der Verbrennungsmotor wird beispielweise wie im Fullhybridmodell zur Gänze von der E-Maschine abgekoppelt. Die E-Maschine treibt die Räder an und wird vom Batteriespeicher mit elektrischer Energie versorgt.7

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-1:Motorbetrieb8

Eine Besonderheit des Motorbetriebes ist das sogenannte Boosten. Beim Boosten sind Verbrennungsmotor und E-Maschine gekoppelt, beide geben ein positives

Antriebsmoment an die Räder ab. Dies wird dann eingesetzt, wenn maximales Vortriebsmoment erwünscht ist. Beide Antriebe geben dazu ihr maximales Drehmoment ab.9

4.2 Generatorbetrieb

Im Generatorbetrieb wird der Batteriespeicher aufgeladen. Der Verbrennungsmotor wird daher so betrieben, dass er eine größere Leistung abgibt, als für den gewünschten Vortrieb des Fahrzeuges notwendig ist. Die überschüssige Energie wird dazu verwendet, die E-Maschine anzutreiben. Die E-Maschine wirkt demnach als Generator und erzeugt elektrische Energie. Diese freiwerdende Energie lädt den Batteriespeicher auf.10

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4-2:Generatorbetrieb11

Eine Besonderheit des Generatorbetriebs ist das regenerative Bremsen oder auch rekuperatives Bremsen genannt. Beim Bergabfahren oder Abbremsen wird die E-Maschine über die Räder angetrieben. Die E-Maschine wirkt als Generator und erzeugt dabei ein generatorisches Bremsmoment. Die Betriebsbremse muss demnach um die Größe des generatorischen Bremsmoments weniger Leistung aufbringen, um das Fahrzeug zu bremsen. Die E-Maschine im Generatorbetrieb liefert elektrische Energie, die im Batteriespeicher gespeichert wird. Durch regeneratives Bremsen wird ein Teil der Bremsenergie, die bei herkömmlichen Fahrzeugen über die Betriebsbremse durch Reibung verloren geht, rückgewonnen.

[...]


1 vgl.: Redaktion AVL-List GmbH (2009): Die Zukunft ist elektrifiziert. Ein Themen-Schwerpunkt im herausfordernden Jahr 2009. In: 4Weeks Zeitung für AVL MitarbeiterInnen (Graz) vom 01.03.2009. S. 2.

2 vgl.: Gerl, Bernhard (2002): Innovative Automobilantriebe. Konzepte auf Basis von Brennstoffzellen, Traktionsbatterien und alternativen Kraftstoffen. 1.Auflage. Landsberg/Lech: Moderne Industrie. S. 73.

3 vgl.: Bildstein, Michael (2008): Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe.1.Ausgabe. Plochingen: Robert Bosch GmbH. S. 30.

4 Fister, Michael (2005): Serienanforderung an die elektrische Maschine im Hybridfahrzeug. In: Hybridfahrzeuge. mit 164 Bildern und 16 Tabellen. Band 52. Hrsg. Voß, Burghard. Renningen: Expert Verlag. S. 57f.

5 vgl.: Fister, Michael (2005): Serienanforderung an die elektrische Maschine im Hybridfahrzeug. In: Hybridfahrzeuge S. 62.

6 vgl.: Fister, Michael (2005): Serienanforderung an die elektrische Maschine im Hybridfahrzeug. In: Hybridfahrzeuge S. 63.

7 vgl.: Bildstein, Michael (2008): Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe. S. 6.

8 Quelle: Bildstein, Michael (2008): Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe. S. 6. (leicht modifiziert)

9 vgl.: Bildstein, Michael (2008): Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe. S. 6.

10 vgl.: Bildstein, Michael (2008): Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe. S. 6.

11 Quelle: Bildstein, Michael (2008): Hybridantriebe, Brennstoffzellen und alternative Kraftstoffe. S. 6. (leicht modifiziert)

Ende der Leseprobe aus 36 Seiten

Details

Titel
Der Elektromotor im Hybridfahrzeug
Untertitel
Vergleich von drei unterschiedlichen Elektromotorentypen
Hochschule
Campus02 Fachhochschule der Wirtschaft Graz
Note
sehr gut
Autor
Jahr
2009
Seiten
36
Katalognummer
V140493
ISBN (eBook)
9783640485871
ISBN (Buch)
9783640485567
Dateigröße
687 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Elektromotor, Hybridfahrzeug, Vergleich, Elektromotorentypen
Arbeit zitieren
Harald Petschnik (Autor), 2009, Der Elektromotor im Hybridfahrzeug, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/140493

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