Wirkungsgrad Elektroauto

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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon meikel66 » Do 18. Aug 2016, 23:25

Nun ja, man nennt das Ding Synchronmotor, weil er immer synchron mit der Frequenz läuft. Bei 50 Hz (Umdrehungen pro Sekunde) dreht der gute Synchronmotor dann 3.000 Umdrehungen pro Minute (50 x 60 = 3000). Wenn ich jetzt das Feld schwäche und die Frequenz gleich lasse, dreht das Teil immer noch mit 3000. Eine Drehzahlregelung eines Synchronmotors ist nur über die Frequenz möglich. Sicher verwendet man einen permanenterregten Synchronmotor, sonst hätte man wieder das Problem mit den Kohlebürsten.
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Beitragvon meikel66 » Do 18. Aug 2016, 23:27

Aber wenn jemand weiß, wie die Drehzahlregelung via Feldschwächung funktionieren soll, dann bin ich ganz Ohr ...
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Alex1 » Do 18. Aug 2016, 23:35

Also soviel ich weiß, hat die Zoe einen fremderregten Motor :?:
Herzliche Grüße
Alex
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon meikel66 » Do 18. Aug 2016, 23:57

Dann hättest Du aber wieder das Problem mit den Kohlenbürsten. Und die will keiner haben ...

Also hier (http://cdn.ecomento.tv/wp-content/uploa ... omotor.jpg) sieht man keine Kohlebürsten im Rotor.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon meikel66 » Fr 19. Aug 2016, 00:01

Hier steht aber auch Fremderregter Drehstrom-Synchron-Elektromotor (https://de.wikipedia.org/wiki/Renault_ZOE).

Welche Wechselintervalle gibt Renault denn für den Wechsel der Schleifkohlen vor?
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Karlsson » Fr 19. Aug 2016, 00:24

meikel66 hat geschrieben:
Die Drehzahl lässt sich bei Drehstrommotoren nur über die Frequenz regeln. Beim Drehstrommotor besitzt der Läufer einen Permanentmagneten (besserer Wirkungsgrad, schwächeres Drehmoment) oder Kurzschlussstäbe.

Ne, da bringst Du was durcheinander.
Zu unterscheiden sind erst einmal Synchron- und Asynchronmaschinen. Die Asynchronmaschine wird in der Tat über das Drehfeld in der Drehzahl gesteuert, der Rotor hat allerdings etwas Schlupf und folgt nicht ganz dem Drehfeld. Durch den Schlupf erzeugt der Rotor sein Feld. Je größer die Last, desto größer der Schlupf. Ansynchromotoren sind aber eigentlich unüblich, ich wüsste nur von Tesla und vielleicht einigen älteren Autos.

Bei Synchronmotoren sind permanent- und fremderregte zu unterscheiden. Erregerfeld und Rotor drehen hier synchron ohne Schlupf. Hier sollte man aber nicht Ursache und Wirkung verwechseln. Zum Beschleunigen wird die Spannung erhöht, woraufhin ein höherer Strom fließt, der proportional zum Drehmoment ist. Die Pollage des Erregerfeldes ist fest mit der des Rotors verbunden (oft wird die Rotorlage mittels Hallsensoren erfasst und dementsprechend das Erregerfeld ausgerichtet).
Zum einfacheren Verständnis kann man den Synchronmotor wie einen Gleichstrommotor betrachten, bei dem die Kommutierung halt elektronisch erfolgt.

Beim permanent erregten Synchronmotor gibt es (ohne Feldschwächung) ein fixes Verhältnis Nm/A und V/Drehzahl.
Das heißt, dass bei einer bestimmten Drehzahl eine bestimmte Spannung vom Rotor in die Erregerspulen induziert wird, die der Spannung vom Umrichter entgegen wirkt.
Wenn die Spannung so hoch ist wie die des Umrichters, heben sich beide Spannungen auf, es fließt kein Strom und es entsteht kein Moment.
Der Strom (ist proportional zum Drehmoment) ergibt sich aus I=U/R, wobei U hier gebildet wird aus U=U_Umrichter - U_Induktion. Das bedeutet, dass mit höherer Drehzahl immer weniger Spannung und damit auch immer weniger Strom, bzw Drehmoment zur Verfügung steht.
Bei der Feldschwächung wird das Drehfeld dann leicht zur Pollage verdreht, so dass die Permanentmagnete geschwächt werden und das Verhältnis Nm/A und V/Drehzahl kleiner wird.

Der fremderregte Synchronmotor ist da flexibler, da er kein festes Verhältnis Nm/A und V/Drehzahl hat. Wenn dieser seinen Erregerstrom verringert, kann er mit der gleichen Spannung auch höhere Drehzahlen erreichen, erreicht dann beim gleichen Strom aber auch weniger Moment. Seltene Erden werden auch nicht gebraucht.
Die Fremderregung hat aber 2 Nachteile:
- der Motor hat Bürsten für den Erregerstrom
- er verbraucht Strom zum Erregen, wo der permanent erregte Motor keinen braucht

Als Optimum würde ich mir einen Hybrid aus beiden vorstellen....leicht permanent erregt, jedoch lässt sich das Feld per Fremderregung verstärken.

meikel66 hat geschrieben:
In der Anfangsphase der E-Mobilität wurden auch wirklich Motoren mit Kohlenbürsten eingesetzt.

Der Zoe hat auch wieder Bürsten.

meikel66 hat geschrieben:
Ein Drehstrommotor dreht bei einer Frequenz von 50 Hz (Netzfrequenz) zwischen 2.800 bis 3.000 Umdrehungen pro Minute (Polpaarzahl = 1).

Das wäre dann asynchron mit dem Schlupf je nach Last.

meikel66 hat geschrieben:
Wenn ich derartige Motoren (Reihenschluss-, Nebenschluss- oder Doppelschlussmotoren) einsetze, dann kann ich ihn auch gleich mit Gleichspannung betreiben.

So kannst Du den Synchronmotor auch sehen. Nur das der Kommutator halt elektrisch ausgeführt ist.
Und die Bauform ist halt anders herum. Beim alten Gleichstrommotor drehten sich die Spulen, beim Synchronmotor drehen sich die Magnete. Dadurch braucht man halt bei perment erregten Motoren keine Bürsten, weil das Drehfeld vom Umrichter kommt.
meikel66 hat geschrieben:
In diesem Fall reduzieren sich die Ummagnetisierungsverluste erheblich.

Nein, die Spulen müssen ja in jedem Fall ständig ummagnetisiert werden. Das war auch beim mechanisch kommutierten Gleichstrommotor so.

meikel66 hat geschrieben:
Und ich könnte die Drehzahl relativ einfach über die Spannung regulieren.

So einfach ist es dann doch nicht. Die Drehzahländerung hängt vom Verhältnis zwischen Fahrwiderstand und Motormoment ab. Das Motormoment ist proportional zum Strom. Der Strom ist proportional zur Differenz aus eingespeister und induzierter Spannung und die induzierte Spannung ist (beim permanent erregten Synchronmotor, der heute dominiert) proportional zur Geschwindigkeit.
Es bietet sich aber an, mit dem "Gas"pedal die Spannung zu verknüpfen. Die Raddrehzahl beim aufgebockten Wagen ist dann proportional zum Pedal. Und in der Realität ist die Drehzahl der Last entsprechend geringer.
Sprich bei Halbstrom fahre ich in der Ebene schneller als bergauf.

Alex1 hat geschrieben:
Was ich meinte, war, dass man ja die Normdrehzahl auch auf Tempo 135 hätte legen können. Aber dann wäre wohl der Motor größer und teurer geworden.

Nicht unbedingt. Aber das würde dann bedeuten, dass Du für das gleiche Moment mehr Strom bräuchtest und höhere Verluste hättest. Du würdest den besseren Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten dann mit einem schlechteren bei niedrigeren Geschwindigkeiten bezahlen. Und beim Zoe ist man wohl davon ausgegangen, dass der meist in der Stadt oder auf der Bundesstraße bis 96km/h (da soll er wohl drüber einknicken) eingesetzt wird.
Es ist halt das Abwägen zwischen verschiedenen Übeln.

Alex1 hat geschrieben:
Ich meinte natürlich (und das weißt Du ja auch genau) ein Schaltgetriebe.

Das wäre halt wieder unkomfortabel manuell zu schalten oder mit mehr Aufwand automatisch. Da erschien den Herstellern die feste Übersetzung wohl als besser.

Alex1 hat geschrieben:
Hat eigentlich außer dem Stromos noch ein eAuto ein Schaltgetriebe?

Der Tesla Roadster sollte eins bekommen. Sie sind aber an der notwendigen Haktbarkeit gescheitert und haben deswegen dann eine feste Übersetzung genommen.
Die Brammo Empulse hat ein Schaltgetriebe mit ...glaube es waren 6 Gänge. Wird wohl von einem Verbrenner entliehen sein. Auch wenn schalten ein Vorteil ist, bräuchte man nicht gleich 6 Gänge.

meikel66 hat geschrieben:
Welche Wechselintervalle gibt Renault denn für den Wechsel der Schleifkohlen vor?

Glaube gar keine. Sollen halten. Aber ist im Dialogys beschrieben wie man die wechselt.

meikel66 hat geschrieben:
Aber wenn jemand weiß, wie die Drehzahlregelung via Feldschwächung funktionieren soll, dann bin ich ganz Ohr ...

Das hat damt überhaupt nichts zu tun.

meikel66 hat geschrieben:
Eine Drehzahlregelung eines Synchronmotors ist nur über die Frequenz möglich.

Nochmal - verwechsele nicht Ursache und Wirkung. Die Steuergröße ist hier die Spannung und das Erregerfeld folgt nur stumpf der Rotorlage.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon spark-ed » Fr 19. Aug 2016, 06:09

meikel66 hat geschrieben:
Bei der Berechnung des Gesamtwirkungsgrad musst Du neben dem Motorwirkungsgrad (der vom Modell und vor allem der gefahrenen Geschwindigkeit abhängt), musst Du noch die Verluste der Elektronik einbeziehen. Aus dem Gleichstrom wird über einen Wechselrichter Drehstrom gemacht. Der Wechselrichter arbeitet mit rund 90 bis 95 % Wirkungsgrad. Zur Geschwindigkeitssregelung wird ein Frequenzumrichter eingesetzt, der gleichfalls mit 90 bis 95 % Wirkungsgrad arbeitet. Bei der Gesamtbilanz musst Du aber auch noch die Ladeverluste einbeziehen. Diese betragen zwischen 10 und 20 %.

Um einen Drehstrommotor zu betreiben muss man also aus Gleichspannung erstmal Wechselspannung machen um damit widerum einen Frequenzumrichter zu betreiben?
Ist es nicht vielleicht eher andersherum, dass ein FU am Netz eine Gleichrichterbrücke benötigt um damit einen DC Zwischenkreis zu speisen?

Ladeverluste 10-20%? Auf was bezieht sich das? Einen 80er-Jahre Einhell-12V Bleisäure Gleichrichter?
Die Ladegeräte in einem modernen E-Auto haben durchweg über 90% Wirkungsgrad.

Sorry, aber diese Annahmen in der Gesamtwirkungsgradberechnung sind meiner Meinung nach für die Tonne.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon strahler » Fr 19. Aug 2016, 08:53

Karlsson hat geschrieben:
meikel66 hat geschrieben:
Die Drehzahl lässt sich bei Drehstrommotoren nur über die Frequenz regeln. Beim Drehstrommotor besitzt der Läufer einen Permanentmagneten (besserer Wirkungsgrad, schwächeres Drehmoment) oder Kurzschlussstäbe.

Ne, da bringst Du was durcheinander.
Zu unterscheiden sind erst einmal Synchron- und Asynchronmaschinen. Die Asynchronmaschine wird in der Tat über das Drehfeld in der Drehzahl gesteuert, der Rotor hat allerdings etwas Schlupf und folgt nicht ganz dem Drehfeld. Durch den Schlupf erzeugt der Rotor sein Feld. Je größer die Last, desto größer der Schlupf. Ansynchromotoren sind aber eigentlich unüblich, ich wüsste nur von Tesla und vielleicht einigen älteren Autos.


Danke Karlsson für die treffende Erklärung der Zusammenhänge.
Es stimmt, dass die Elektroauto-Hersteller unterschiedliche Elektromotorkonzete verwenden. Dass Tesla dabei als einziger den Asychnchronmotor verwendet, kann ich nicht nachvollziehen. Dieser Motor ist zwar kostengünstig herzustellen, aber der Wirkungsgrad ist auch der Schlechteste von allen anderen Motortypen. Die Mehrheit der Elektroautohersteller verwenden den permanentmagnet-erregten Sychnronmotor, der zwar im Wirkungsgrad sehr gut ist, aber den Nachteil der teuren Magnete aus seltenen Erden auf dem Rotor hat. Renault hat sich dazu entschlossen dieses Problem zum umgehen, indem sie den Rotor mit Elektromagneten ausführen und dafür die die nötige Energie dem Rotor mit Bürstenkontakten übertragen. Das ist zwar kostengünstiger, aber durch die zusätzliche Energieübertragung auf den Rotor sinkt der Wirkungsgrad des Motors. Ich möchte noch einen Hersteller anführen, der meines wissens als einziger noch einen anderen Weg eingeschlagen hat: BMW verwendet in den i-Fahrzeugen einen Hybrid-Reluktanz-Motor. Dieser Motor hat den besten Wirkungsgrad von allen Motorprinzipien. Ich versuche es wie folgt zu erklären. Alle anderen genannten Motorprinzipien nutzen aus dem Magnetismus die Lorentzkraft zur Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie, d.h. die Anziehungs- und Abstossungs-Kraft von magnetischen Polen. Zu diesem Zweck muss sowohl auf dem Stator als auch auf dem Rotor ein Magnetfeld erzeugt werden. Auf dem Stator sind es immer die Elektromagnete (Spulen). Für den Rotor werden unterschiedliche Möglichkeiten genutzt (Permanent-Magnete, Elektromagente wie bei Renault oder Induktionsprinzip wie bei Tesla). Der Reluktanzmotor hat auf dem Rotor keine Magnete und nutzt durch die Formgebung des Rotors den Unterschied des magnetischen Widerstandes von Luft und Eisen. Man nennt es die Reluktanzkraft oder maxwellsche Kraft. Eisen ist ein guter Leiter für magnetische Feldlinien, Luft ein schlechter. D.h. wenn ein Eisenstück in die Nähe von zwei unterschiedlichen Magnetpolen gebracht wird, wird es mit einer Kraft an die Pole gezogen. Das Prinzip wird schon sehr lange z.B. in elektromagnetischen Schaltern (Schützen) angewendet. Seit einigen Jahren wird dieses Prinzip zunehmend auch für Elektromotoren genutzt. In der Industrie finden Reluktanzmotoren immer mehr Anwendung, weil ihr Wirkungsgrad bedeutend besser ist, als die herkömmlichen Asynchronmtoren. Die Verluste im Rotor sind verschwindend klein im Vergleich zu den Verlusten im Stator. Dieses Motorprinzp nutzt auch BMW. Allerdings ist die Reluktanzkraft schwächer als die Lorentzkraft. Deshalb hat BMW zur Verbesserung des Anfahrmomentes zusätzlich kleine Permanentmagnete in den Rotor verbaut. Daher die Bezeichnung Hybrid-Reluktanzmotor, weil eben beide Prinzipien kombiniert sind. So lässt sich u.a. erklären, dass der bisherige i3 trotz der kleinsten Batteriekapazität etwa die gleiche Reichweite erreichte, wie vergleichbare Elektrofahrzeuge.
Noch eine Bemerkung zur Bemessungsdrehzahl. In der Industrie sind die Elektromotoren praktisch ausschliesslich auf unsere Netzfrequenz von 50 Hz ausgelegt, d.h. die Bemessungsdrehzahl liegt bei einem Polpaar bei 3000 U/min. Bei Elektrofahrzeugen ist man aber nicht auf diese Netzfrequenz angewiesen. Deshalb hat sich hier eine Bemessungsdrehzahl von etwa 12'000 U/min eingebürgert. Das hat den Vorteil, dass der Motor bedeutend kompakter gebaut werden kann und damit kleiner und leichter wird. Allerdings wird dann das Getriebe für die Herabsetzung (etwa 7:1) der Drehzahl unumgänglich.
Somit ist jede Lösung der Elektrofahrzeugbauer das Ergebnis einer Kompromissfindung sich wiedrsprechender technischer Anforderungen und Lösungsmöglichkeiten. Für die Beurteilung des Wirkungsgrades eines Elektrofahrzeuges müssten neben dem Elektromtor auch alle anderen an der Umwandlung beteiligten Komponenten einbezogen werden, insbesondere alle mechanischen Umformungen (Getriebe, Differzial etc.) und alle elektrischen Umformungen (Ladegerät, Batterie, Motorumrichter).
BMW i3 REX - vernünftiger Kompromiss, aber Ziel noch nicht erreicht
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Alex1 » Fr 19. Aug 2016, 09:30

Danke für die Vorlesungsskripte!

Jetzt müsste ich mir das nur noch merken... :oops: :lol:
Herzliche Grüße
Alex
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Karlsson » Fr 19. Aug 2016, 12:51

spark-ed hat geschrieben:
Um einen Drehstrommotor zu betreiben muss man also aus Gleichspannung erstmal Wechselspannung machen um damit widerum einen Frequenzumrichter zu betreiben?

Nein, der Umrichter bildet aus dem DC des Akkus das Drehfeld per Pulsweitenmodulation.

spark-ed hat geschrieben:
Ist es nicht vielleicht eher andersherum, dass ein FU am Netz eine Gleichrichterbrücke benötigt um damit einen DC Zwischenkreis zu speisen?

Am Netz hat man ja keine Gleichspannung und muss sie daher erst per Gleichrichter erzeugen. Der Umrichter erzeugt dann das Drehfeld, um den Motor anzutreiben.

Bzw beim Rückspeisen macht der Umrichter im E-Auto aus dem Wechselstrom des Synchronmotors Gleichtstrom, der dann direkt in den Akku geht. Da die vom permanent erregten Synchronmotor erzeugte Spannung geringer ist als die des Akkus, muss der Umrichter sie aber noch hochsetzen (die Funktionsweise müsste ich auch erst nachschauen).

Wenn man ins Netz einspeisen wollte, müsste man den Gleichstrom natürlich wieder in Wechselstrom wandeln. Direkt vom Motor ins Netz geht es nicht, weil der Motor dann nur mit Netzfrequenz drehen dürfte, was im Auto ja nicht der Fall ist (im Kraftwerk schon).

spark-ed hat geschrieben:
Die Ladegeräte in einem modernen E-Auto haben durchweg über 90% Wirkungsgrad.

Beim Zoe mit 14A über Notladekabel zählt mein Zähler ca 20% mehr als im Akku ankommt. Dafür ist er halt nicht erdacht worden. Bei 22kW sind es wohl eher nur 10%.

strahler hat geschrieben:
Dass Tesla dabei als einziger den Asychnchronmotor verwendet, kann ich nicht nachvollziehen. Dieser Motor ist zwar kostengünstig herzustellen, aber der Wirkungsgrad ist auch der Schlechteste von allen anderen Motortypen.

Amerikanisches Auto halt :lol: Bei deren Verbrennern wird der Sprit ja auch nicht verbrannt, sondern läuft über ein Mühlrad, das dann die Räder antreibt ;)
Aber ist schon was dran. Dazu passend verzichtet Tesla auch auf eine Wärmepumpe und macht den Akku einfach größer, während andere Hersteller alle Register zur Effizienzsteigerung ziehen.
Ich denke man muss beides tun.

strahler hat geschrieben:
aber den Nachteil der teuren Magnete aus seltenen Erden auf dem Rotor hat.

So teuer und selten sind die gar nicht, der Name ist da irreführend.
Aber der Großteil wird in China abgebaut und man macht sich abhängig. China hatte auch schon mal überlegt, die Exporte zu begrenzen. Das ist auch einfach ein Risiko.
In den USA wurden früher auch seltene Erden abgebaut, aber die Umweltauflagen haben es unwirtschaftlich gemacht. In China sieht man das lockerer, daher können die andere Preise bieten.
Dabei gibt es zB auch in Sachsen Rohstoffvorkommen. Man hat da aber zwei Probleme:
- Kosten durch höhere Löhne und Umweltauflagen
- es dauert Jahre, bis man eine Produktion aufgebaut hat

strahler hat geschrieben:
In der Industrie sind die Elektromotoren praktisch ausschliesslich auf unsere Netzfrequenz von 50 Hz ausgelegt, d.h. die Bemessungsdrehzahl liegt bei einem Polpaar bei 3000 U/min.

Naja...in dem Bereich arbeite ich ja und kann Dir verraten, dass in unseren Anlagen kaum noch Motoren sind, die direkt am Netz betrieben werden. Es sind inzwischen fast überall Servos wegen zB Sanftanlauffunktionen und Sicherheitsfunktionen.
Das sind alles permanent erregte Synchronmotoren.

strahler hat geschrieben:
Differzial etc

Das Differential dreht geradeaus ja nur als ganzes mit, da reibt nur ein bisschen was in Kurven, ist aber auch marginal.

Das vom BMW Motor klingt interessant, hatte mich noch nicht damit auseinander gesetzt.
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