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Mehr Effizienz mit Dual Motor Control in batterieelektrischen Fahrzeugen

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  • Mehr Effizienz mit Dual Motor Control in batterieelektrischen Fahrzeugen

    American Axle & Manufacturing, Inc. hat das Konzept eines batteriebetriebenen Allradfahrzeugs untersucht, bei dem eine Achse von einem Synchronmotor und die andere von einem Asynchronmotor angetrieben wird. Im Folgenden wird ein Regelungsansatz vorgestellt, der die Gesamteffizienz des Fahrzeugs durch die Kombination der Vorteile beider Motortypen in Abhängigkeit von der Fahrsituation optimiert.



    Batterie Elektrofahrzeuge auf dem Vormarsch

    Seit Jahrzehnten werden weltweit Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs) hergestellt, um dem wachsenden Wunsch der Verbraucher nach CO 2 -armen Transportmöglichkeiten sowie den wachsenden behördlichen Vorschriften zur Reduzierung verschiedener Arten von Emissionen gerecht zu werden. Über viele Jahre hinweg waren die Fortschritte langsam: Die ersten BEVs wie der GM EV1 verwendeten Technologieelemente wie Bleibatterien mit einem Gewicht von 34 Wh / kg, die sich als problematisch erwiesen haben [1]. Jetzt, 23 Jahre nach den Anfängen des Prototyps, übersteigt die Lithium-Ionen-Batterietechnologie 240 Wh / kg und die Kosten für Lithium-Ionen-Batteriesysteme sinken kontinuierlich [2].
    Aus diesen Gründen und aufgrund der starken Fahrzeugleistung, die in einem BEV-Antriebsstrang mit drehmomentabhängigen, leistungsstarken Elektromotoren erzielt werden kann, steht das BEV vor dem Eintritt in eine neue Phase der Popularität. Frühe BEVs wie der Toyota RAV4 BEV und der Ford Focus BEV setzten normalerweise eine elektrische Antriebseinheit (EDU) an der Vorderachse unter der Motorhaube ein. In jüngerer Zeit hat Tesla ein eigenes BEV-Design mit Allradantrieb (AWD) und zwei elektrischen Antrieben für die Modelle S und X vorgestellt. Dabei werden zwei Asynchronmotoren (Wechselstrom-Induktionsmaschine, AC IM) im Vorwärtsbereich eingesetzt und hintere EDUs. Teslas Modell 3 Limousine BEV basiert im Gegensatz dazu auf einer Konfiguration mit Hinterradantrieb (RWD), die von einem Synchronmotor (Permanentmagnetmotor (PM)) angetrieben wird. In der AWD-Variante Tesla verfolgte einen neuen Ansatz für den Doppelantrieb: Ein gemischtes System mit einem PM-Motor hinten und einem AC IM vorne. Dieser Artikel untersucht die Frage, wie groß die Vorteile einer solchen Motorkombination sind.



    Permanentmagnetmotor gegen Induktionsmaschine

    Jeder Motortyp besitzt Stärken und Eigenschaften und beide eignen sich für den Einsatz in BEV-Anwendungen. Beispielsweise weisen PM-Motoren sehr hohe Spitzenwirkungsgrade auf, die in der Regel 1 bis 2% höher sind als bei einem für dieselbe Anwendung ausgelegten Wechselstrom-IM. Bei hohen Geschwindigkeiten und geringen Belastungen ist die PM-Maschine nachteilig für den AC IM, der nur so viel Leistung im Rotorfeld erzeugt, wie für den Lastpunkt benötigt wird.

    Aus dem gleichen Grund muss der AC IM dramatische Rotorströme zirkulieren, um ein hohes Drehmoment zu erzeugen, und weist daher einen natürlichen Wirkungsgradnachteil für die PM-Maschine auf, wenn ein hohes Drehmoment erforderlich ist. Wenn jedoch in einer Anwendung für die meiste Zeit ein mäßiges Drehmoment bei höheren Drehzahlen bereitgestellt werden soll, ist der AC IM die beste Wahl.

    American Axle & Manufacturing, Inc. (AAM) erstellte ein Kennfeld für den Motorwirkungsgrad unter Verwendung der Industriestandard-Motordesignsoftware ( Abbildung 1 und Abbildung 2) . Die Motoren wurden entwickelt, um die Anforderungen eines BEV AWD SUV zu erfüllen. Die Spitzenleistung des PM-Motors beträgt etwas mehr als 170 kW und das maximale Drehmoment etwas mehr als 360 Nm ( Abbildung 1) . Der PM-Rotor ist mit einer hochmodernen internen PM-Architektur ausgestattet.

    Abbildung 1 Wirkungsgradkennfeld des betrachteten PM-Motors mit 360 Nm Drehmoment und 170 kW Leistung (© AAM)
    Abbildung 1 Wirkungsgradkennfeld des betrachteten PM-Motors mit 360 Nm Drehmoment und 170 kW Leistung (© AAM)


    Wirkungsgradkennfeld des betrachteten AC IM mit 360 Nm Drehmoment und 170 kW Leistung (© AAM)
    Abbildung 2
    Wirkungsgradkennfeld des betrachteten AC IM mit 360 Nm Drehmoment und 170 kW Leistung (© AAM)

    Abbildung 2 zeigt ein Kennfeld für den Motorwirkungsgrad eines Wechselstrom-IM, der für dieselbe Anwendung ausgelegt ist und die neueste Konstruktionsmethode für Kupfergussrotoren verwendet. Spitzenleistung und Drehmoment für diese Konstruktion entsprechen dem PM-Konzept. Um die gegensätzlichen Wirkungsgradeigenschaften genauer zu untersuchen, ist es nützlich, die Drehverluste der beiden Konzeptmotoren zu berücksichtigen. Zu diesem Zweck ist in Abbildung 3 die Schleuderverlustleistung für Motoren mit Wechselstrom-IM- und PM-Konzept dargestellt. Der festgestellte Unterschied in den passiven Schleuderverlusten der beiden Maschinen ist typisch für die jeweiligen Technologien. Stator- und Rotor-Eisen-Wirbelstromverluste und in geringerem Maße Magnetverluste, die nur im PM-Motor auftreten, sind eine Folge seiner ständig vorhandenen Magnetfelder. Dieses Diagramm und die Kenntnis der überlegenen PM-Betriebseffizienz über den größten Teil der Umhüllung veranschaulichen die Vorteile eines Doppelmotoransatzes, bei dem ein Motor jedes Typs verwendet wird.


    Schleuderverlust des betrachteten PM-Motors und IM (einschließlich Magnet-, Eisenwirbel-, Lager- und Luftwiderstandsverluste, jedoch nicht Getriebe- und Kupferwiderstandsverluste) (© AAM)
    Abbildung 3
    Schleuderverlust des betrachteten PM-Motors und IM (einschließlich Magnet-, Eisenwirbel-, Lager- und Luftwiderstandsverluste, jedoch nicht Getriebe- und Kupferwiderstandsverluste) (© AAM)


    Rückkehr zu den Environmental Protection Agency (EPA) Testergebnisse von BEVs für das Modelljahr 2018 kann es in zu sehen ist Abbildung 4 , wie die im Allgemeinen eine höhere Effizienz von PM - Maschinen sie eine beliebte Wahl für einmotorige BEVs gemacht hat. Auf den ersten Blick scheint der AC IM angesichts des Gesamtenergieverbrauchs eine weniger gute Wahl zu sein. Das AWD-Modell 3 mit gemischten Motoren ist jedoch recht effizient und bietet eine bessere Leistung als einige PM-BEVs mit einem Motor. Dieser Vergleich zeigt den Trend und was mit dem gemischtmotorischen AWD-Ansatz möglich ist. Diese Umfrage unter modernen BEVs legt nahe, dass mit einer gemischten Motorkonfiguration eine hochwirksame Lösung für den AWD-Energieverbrauch erzielt werden kann.

    Kombinierter EPA-Test (Stadt und Autobahn) des Energieverbrauchs von US BEVs des Modelljahres 2018 mit PM-Motor, AC IM und gemischten Systemen (EPA-Testdaten) (© AAM)
    Abbildung 4
    Kombinierter EPA-Test (Stadt und Autobahn) des Energieverbrauchs von US BEVs des Modelljahres 2018 mit PM-Motor, AC IM und gemischten Systemen (EPA-Testdaten) (© AAM)




    Gemischte Motoren steuern

    Sowohl theoretisch als auch auf Basis empirischer Daten überzeugen Konzepte mit Doppelmotorkonfigurationen. Die Frage ist jedoch, wie die optimale Steuerung dieser Konfiguration aussieht, um wirklich die gewünschten Effizienzniveaus zu erreichen. Beim extremen maximalen positiven und negativen Drehmoment für jede Drehzahl gibt es nur eine mögliche Drehmomentkombination der beiden Maschinen, wohingegen es ansonsten unendlich viele Mischlösungen gibt. Die Aufgabe der Entwicklungsingenieure besteht darin, zu bestimmen, welche Drehmomentmischung aus AC IM- und PM-Maschine unter verschiedenen Betriebsbedingungen verwendet werden soll. In Situationen mit taktischer Allrad- / Traktionskontrolle ist zwangsläufig eine reaktive Anpassung der Drehmomentmischung vorn und hinten erforderlich. Bei wählbaren Fahrmodi können auch spezielle Drehmomentvorspannungsprofile in einem AWD BEV SUV verwendet werden.

    AAM verwendet einen proprietären Algorithmus, um die optimale Drehmomentkombination für die Effizienzoptimierung in AWD-Anwendungen mit gemischten Motoren zu ermitteln. Dieser Algorithmus zur Mischoptimierung gibt eine Karte aus, die den erwarteten PM-Vorteil bei geringer Belastung zeigt, wobei die IM im Hintergrund mit geringem Verlust verbleiben kann ( Abbildung 5) . Beide Maschinen drehen sich und diese fixen Verluste sind bereits berücksichtigt. Der Grenzwirkungsgrad, um eine kleine Drehmomentlast hinzuzufügen, ist hier wichtig; Der Vorteil des IPM wird in diesem Teil der Verlustkarte gezeigt. Mit zunehmendem Drehmoment steigt der PM - Wirkungsgrad (Bewegung in vertikaler Richtung in Abbildung 5)Drehmoment- / Drehzahlkennfeld) erhöht durch Hinzufügen des Drehmoments von PM-Motor und AC-IM bei steigender Last die Effizienz. Das physikalische Verhalten, das für den passiven Kernverlust und den Magnetverlust des hier vorgestellten PM-Designkonzepts spezifisch ist, verursacht bei höheren Geschwindigkeiten eindeutige Welligkeiten in der Mischkarte.


    Qualitatives Drehmoment-Mischkennfeld (Lastanteil: blau = 100% PM-Motor, rot = 50% PM-Motor) (© AAM)
    Abbildung 5
    Qualitatives Drehmoment-Mischkennfeld (Lastanteil: blau = 100% PM-Motor, rot = 50% PM-Motor) (© AAM)




    Fahrzeugsimulation

    Um die Auswirkungen von Änderungen in den Antriebssträngen von Elektro- und Verbrennungsmotoren zu bewerten, verwendet AAM proprietäre Matlab / Simulink-Fahrzyklus-Simulationsmodelle. In dieser Studie wurde die Fahrzeugsimulation an einem Allrad-SUV mit bekannten Testergebnissen unter der Bedingung eines dualen PM-Elektroantriebs (Basisfall) durchgeführt.
    Die Ergebnisse der Fahrzeugsimulation auf EPA City und Highway sowie des US06-Zyklus sind in Tabelle 1 dargestellt . Für diese Studie wurde das Paritätsmischen (50/50) für die Fälle ausgewählt, in denen zwei Motoren mit derselben Topologie verwendet wurden. Die Simulation des Dual-PM-Motors im Basisfall stimmte mit den Testergebnissen innerhalb von 1% für den Stadt- und Autobahnbetrieb überein. Das Fahrzeug mit dem PM-Maschinenpaar schnitt in EPA-Zyklen insgesamt etwas besser ab als das mit zwei AC-IMs. Im aggressiveren US06-Zyklus mit höheren Betriebsgeschwindigkeiten war das Paar von Wechselstrom-IMs jedoch etwas besser.


    Tabelle 1 Ergebnisse der Fahrzyklussimulation für BEV-SUV mit drei AWD-Dual-EDU-Optionen (© AAM)
    2 × PM-Motor Parität 297 325 310 455
    2 × IM Parität 308 318 313 453
    PM motor + IM Optimiert (AAM) 293 315 303 448
    Von den drei simulierten Konfigurationen erzeugte nur das optimal gemischte Gehäuse mit gemischten Motoren (PM-Motor und IM) den niedrigsten Energiebedarf mit einer Marge von 1 bis 5% (abhängig von Basistechnologie und Fahrzyklus).



    Auswirkungen auf die Systemkosten

    Die primäre Auswirkung der Systemkosten einer optimal gemischten Konfiguration mit gemischtem Motor im Vergleich zur Konfiguration mit zwei PM-Motoren sind die Kosteneinsparungen durch die Verwendung eines Wechselstrom-Induktionsrotors anstelle eines PM-Rotors für den zweiten Motor.

    Eine AAM-Bewertung der Materialkosten für hochwertige Neodym-Eisen-Bor-Magnete, die für das Rotorkonzept verwendet wurden, und der Kupferkosten für den AC-Induktionsrotor ergab eine Kosteneinsparung von 170 US-Dollar (2 kg Magnetmaterial für 100 US-Dollar / kg im Vergleich zu 5 kg Kupfer für 6 US-Dollar / kg). Die Kosten für die Rotorbeschichtung bleiben im Wesentlichen unverändert, obwohl die Form des Stempels für den Wechselstrom-Induktionsrotor notwendigerweise ganz anders ist. Der IM-Rotordurchmesser in dieser Studie ist nur 0,6 mm größer als der PM-Rotor.

    Die Leistungselektronik (Wechselrichter) für das AC IM-System verwendet eine andere Motorsteuerungsmethode als der PM-Motor. Es ist jedoch keine andere Hardware für die Leistungselektronik erforderlich, und es ist wahrscheinlich, dass für IM- und PM-Motoren derselbe Umrichter verwendet wird.


    Eine Kombination ist die Lösung

    Diese AAM-Studie zeigt, dass sich die inhärenten Betriebseigenschaften des Wechselstrom-Induktionsmotors und des internen Permanentmagnetmotors in einem AWD-BEV-Antriebssystem mit gemischten Motoren recht gut ergänzen. Die kombinierten Stärken der inhärenten PM-Effizienz bei niedriger Geschwindigkeit und der IM-Effizienz bei hoher Geschwindigkeit, die mit effizienten Mischungssteuerungen implementiert werden, können zu einem überlegenen AWD BEV-Traktionssystem führen. Kombiniert erwiesen sich Energieeinsparungen von bis zu 5%, abhängig von der Antriebsart und der Basismotortechnologie.




    Verweise

    [1]General Motors (ed.): EV1 Fahrzeugspezifikationen. EV America, US DOE, 1996. Online: https://avt.inl.gov/sites/default/fi...sev/genmot.pdf

    [2]Quinn, JB; Waldmann, T .; Richter, K .; Kasper, M .; Wohlfahrt-Mehrens, M .: Energiedichte von zylindrischen Li-Ion-Zellen: Ein Vergleich von kommerziellen 18650 mit den 21700-Zellen. In: Journal of the Electrochemical Society 165 (2018), No. 14, S. 3284-A3291, http://jes.ecsdl.org/content/165/14/A3284.full

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