Effizienzuntersuchungen für die Elektromobilität

Einführung

Aufgrund begrenzter Energiedichte und hoher Kosten heutiger auf dem Markt verfügbarer Energiespeicher für Elektrofahrzeuge, ist eine Wirkungsgradverbesserung des elektrischen Antriebssystems unerlässlich, um, unter anderem, eine höhere Reichweite zu ermöglichen.

Das elektrische Antriebssystem besteht aus der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine, wofür es eine große Anzahl verschiedener Ausgestaltungen gibt.

Wechselrichter
Ansicht eines am Institut entwickelten
Drei-Punkt-Wechselrichters

Hinsichtlich der Leistungselektronik können verschiedene Wechselrichter-Topologien (beispielsweise Zwei-Punkt- und Drei-Punkt-) zum Einsatz kommen. Durch unterschiedliche Modulationsverfahren (kontinuierlichen und diskontinuierlichen) und durch Variation der Schaltfrequenz kann der Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems bzw. die Reichweite des Fahrzeugs beeinflusst werden. Die Analyse des Oberschwingungsgehalts des Wechselrichterausgangsstromes sowie die oberschwingungsbedingten Verluste der elektrischen Maschine sind für die Bewertung der Effizienz von großer Wichtigkeit. Optional kann dem Wechselrichter ein DC/DC-Steller vorgeschaltet werden, um eine Variation der Eingangsspannung des Wechselrichters zu ermöglichen. Durch eine geeignete Betriebsweise und einen höheren Hardwareaufwand können die Verluste im Wechselrichter und in der Maschine, je nach Fahrzyklus, reduziert werden.

Die Entwicklung eines Softwareprogramms, basierend auf präzisen Verlustmodellen der Antriebsstrangkomponenten, ermöglicht einerseits eine geeignete Auswahl der leistungselektronischen Topologie anhand verschiedener Fahrzyklen und andererseits die Optimierung der Effizienz durch Wahl der Schaltfrequenz und des Modulationsverfahrens.

Maschinen_internet
Ansicht der beiden Antriebsmaschinen
des Maschinenprüfstands

Als Basis für diese Untersuchungen dient ein Maschinenprüfstand mit einer Nennleistung von 70 kW, an dem automatisierte Messungen durchgeführt werden können. Die maximal einstellbare Drehzahl dieses Prüfstands liegt bei 12000 1/min. Für Untersuchungen im Rahmen der Elektromobilität steht zudem ein frei parametrierbares Fahrzeugmodell zur Verfügung. Anhand beliebiger Fahrzyklen können umfangreiche Untersuchungen bei verschiedenen Schaltfrequenzen und Modulationsverfahren, sowie bei einer dynamischen Zwischenkreisspannung, durchgeführt werden.

 

Aktuelle Forschungsaktivitäten

  • Effizienzuntersuchung verschiedener Leistungselektronischer Topologien, Modulations- und Regelverfahren
  • Verlustmodellierung des gesamten Antriebsstrangs zur Untersuchung und Optimierung des Antriebsstrangwirkungsgrads
Antriebsstrang_internet
Übersicht der verschiedenen möglichen Topologie-Varianten des Antriebsstrangs eines Elektrofahrzeugs

 

 

Ansprechpartner:  Maximilian Nitzsche, M.Sc.