Modulare und skalierbare mehrsträngige Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge

Produktbeschreibung

Kurzzusammenfassung

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Antriebssysteme und Leistungselekronik (IAL) der Leibniz Universität Hannover. Mein aufrichtiger Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick, der mir die Möglichkeit gab, als wissenschaftlicher Mitarbeiter am IAL zu arbeiten. Die mit ihm geführten zahlreichen fachlichen Diskussionen trugen maßgeblich zum Gelingen dieser Arbeit bei. Herrn Prof. Dr.-Ing. Markus Henke vom Institut für Elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen der Technischen Universität Braunschweig danke ich für das der Arbeit entgegengebrachte Interesse und die Übernahme des Koreferats. Bei Herrn Johannes Heseding bedanke ich mich für die intensive wissenschaftliche Zusammenarbeit. Ohne Unterstützung der Firma Robert Bosch GmbH, bei der die E-Maschinen-Prototypen gefertigt wurden, wäre eine messtechnische Validierung der Modelle nicht möglich gewesen. Bei allen Mitarbeitern des Instituts möchte ich mich für die stets freundliche Atmosphäre und die hilfreichen fachlichen Gespräche bedanken.

Kurzfassung

Die Herstellungskosten von batterieelektrischen Fahrzeugen sind bis heute im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sehr hoch. Konventionelle Fahrzeuge basieren auf Baukastensystemen, die zu einer Stückzahlerhöhung auf Komponentenbasis und damit zu einer Kostenreduktion führen. Für batterieelektrische Fahrzeuge ist zurzeit kein vergleichbares Konzept verfügbar.

In dieser Arbeit werden modulare, skalierbare mehrsträngige Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge vorgestellt, welche für unterschiedliche Fahrzeugklassen eingesetzt werden können. Für das modulare Konzept werden Induktionsmaschinen (IM) und permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) verwendet. Ziel ist es, eine Leistungsskalierung zu ermöglichen, bei der der Strangstrom annähernd konstant bleibt, um eine Verwendung identischer Halbleitermodule für die unterschiedlichen Antriebssysteme zu ermöglichen. Dies wird durch eine Längen- und Strangzahlskalierung der E-Maschine erreicht. Dazu werden die Vor- und
Nachteile mehrsträngiger E-Maschinen analysiert, um die für das Konzept geeigneten Strangzahlen zu ermitteln. Hierbei wird speziell die Entstehung von Stromoberschwingungen in mehrsträngigen Wicklungen untersucht und ein Verfahren erarbeitet, welches eine Kompensation der Oberschwingungsströme ermöglicht. Dabei stellt sich heraus, dass für das Konzept drei- und sechssträngige Antriebssysteme am besten geeignet sind. Aus diesem Grund werden die Verluste bei Wechselrichterspeisung in diesen Maschinentypen detailliert untersucht. Die Grundschwingungsverluste der sechssträngigen E-Maschinen sind aufgrund des höheren Hauptwellenwicklungsfaktors geringer als die der dreisträngigen Varianten. Die durch dieWechselrichterspeisung
entstehenden Oberschwingungsverluste sind dagegen in den sechssträngigen E-Maschinen höher als in den dreisträngigen Varianten. Es werden die Wirkungsgradunterschiede der beiden Maschinentypen (IM und PMSM) in drei- und in sechssträngiger Ausführung analysiert. Mithilfe der erarbeiteten Teilmodelle für Fahrzeug, E-Maschine, Wechselrichter und Batterie wird eine Fahrzeugsimulation durchgeführt und der Energiebedarf des Antriebssystems bestimmt. Zusätzlich werden thermische Modelle der E-Maschinen erarbeitet, mit denen das
thermische Verhalten im Fahrzyklus berechnet werden kann. Durch zahlreiche Messungen an
zwei Prototypen (IM und PMSM) konnten die Komponentenmodelle validiert werden. Anhand der erarbeiteten Kostenmodelle und der Fahrzeugsimulationen wird gezeigt, dass das modulare, skalierbare mehrsträngige Konzept Kostenvorteile gegenüber nicht modularen Bauweisen hat. Das Bauvolumen der modularen Antriebssysteme ist minimal größer als das der nicht modularen Systeme. Die Energieeffizienz beider Systeme ist annähernd gleich.

Schlagworte:
Elektromobilität, modulare Antriebssysteme, mehrsträngige Wicklungen, Oberschwingungsströme, Oberschwingungsverluste, thermische Modelle, Fahrzyklussimulation, Energieeffizienz, Herstellungskosten

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