Wirkungsgrad Elektroauto

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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Karlsson » Fr 19. Aug 2016, 18:46

@all
Danke Euch für die Blumen 8-)
Könnte man mit dem Wiki mal drüber nachdenken...

spark-ed hat geschrieben:
Die erste Frage dazu wäre, wo ich die Kette beginne. Früher hätte man ja klassisch Kohlekraftwerk mit ~50% dann die Netzübertragungsverluste (Trafo- und Leitungsverluste) rechnen müssen.

Das macht ja keinen Sinn, da die Erzeugung absolut variieren kann.

Auch müsste man den Wirkungsgrad mal definieren. Meint man rein mechanische Leistung am Rad, oder zählt auch die Heizung und Kühlung dazu? Dazu ist auch der rein mechanische Wirkungsgrad zum Rad hin nicht konstant, da er davon abhängt, wo und wie man fährt. Ein hoher Verbrauch ist rein mechanisch betrachtet auch nicht gleich rin schlechter Wirkungsgrad. Auch mit einem Wirkungsgrad von 99% ans Rad (falls es ihn gäbe) könnte man gigantische Mengen Energie im Windwiderstand über 200km/h verballern.

spark-ed hat geschrieben:
Dazu käme noch das einstufige Getriebe sowie Differential ?

Differential vernachlässigpar, Getriebe kann 0,98-0,99 pro Zahnradpaarung erreichen. Ist aber auch wieder von der Last abhängig.

spark-ed hat geschrieben:
Ein LithiumIonenakku hat einen Coulomb-Wirkungsgrad von 1, da geht schonmal nichts verloren.

Ich hab beim Lifepo4 ca 95% gemessen.

meikel66 hat geschrieben:
1. Es gibt Induktionsmotoren, deren Drehzahl sich nur über die Frequenz steuern lässt. Mit der Spannung (oder Leistung) verändere ich nur das Drehmoment.

Hier meinst Du Asynchronmotoren. Die Spannung ist aber nicht Leistung, sondern Leistung ist Spannung * Strom.
Mit der Spannung änderst Du auch nicht das anliegende Drehmoment. Drehzahl und Drehmoment lassen sich nicht getrennt regeln, die Bewegung des Rotors ergibt sich aus dem Kräftegleichgewicht zwischen An- und Abtriebskräften.
Ich bin mir gerade nicht sicher, meine aber, dass eine höhere Spannung das Kippmoment des Asynchronmotors erhöhen müsste.

meikel66 hat geschrieben:
2. Es gibt Kommutatormotoren, bei denen die Ankerwicklung von außen mit Spannung versorgt werden muss. Das geschieht in der Regel über Kohlebürsten. Bei diesem Motor kann ich die Drehzahl über die Spannung (und damit die Feldstärke) regeln.

Das ist dann ein mechanisch kommutierter Gleichstrommotor. Theoretisch ist das auch ein Synchronmotor, da Feld und Magnete immer gleich zueinander stehen.

meikel66 hat geschrieben:
3. Es gibt Synchronmotoren, bei denen das Läuferfeld nicht durch Induktion aufgebaut wird. Das Gleichfeld im Läufer wird über Permanentmagnete oder über eine Läuferwicklung, die über Kohlebürsten mit einer Gleichspannung von außen versorgt wird. Auch hier bestimmt das Ständerdrehfeld die Drehzahl. Eine Drehzahlregelung ist nur über die Frequenz möglich.

Gegenüber dem vorherigen Motor ist dieser Synchronmotor "umgestülpt", die Spulen, die das Drehfeld erzeugen, stehen fest. Das Drehfeld wird elektronisch kommutiert und dreht synchron mit dem Rotor mit. Aber die Steuergröße ist eben nicht die Frequenz des Drehfeldes, sonder die Spannung.

meikel66 hat geschrieben:
4. Es gibt Linearmotoren (Schrittmtooren), die über Mikroprozessoren angesteuert werden. Hier bestimmt der Schalttakt (Schaltfrequenz) die Drehzahl.

Linearmotoren sind Motoren, die eben nicht drehen, sondern etwas linear bewegen. Linearmotoren kann man auch als Synchron- oder Asynchronmotoren ausführen mit permanenter oder fremder Erregung oder als Schrittmotor. Das hat nichts mit der Bauform Schrittmotor zu tun.
Beim https://de.wikipedia.org/wiki/Schrittmotor bestimmt dann wirklich mal die Frequenz die Drehzahl. Das entspricht am ehesten wohl dem, was Du Dir unter "Synchronmotor" vorzustellen scheinst. Ist ja auch ein Synchronmotor (das sind die meisten Elektromotoren), hat aber nichts mit den im Elektrauto verwendeten Motoren zu tun.
Mein 3D Drucker hat 4 davon, die sind halt billig und arbeiten präzise. Allerdings haben sie keine Rückführung, man weiß nicht wirklich, ob der Motor wirklich das tut, was das Feld ihm vorgibt.

meikel66 hat geschrieben:
Und jetzt gibt es einen Motortyp, den Karlsson beschreibt. Dieser Drehstrom-Synchronmotor ist ähnlich wie ein Gleichstrommotor mit einer elektronischen Kommutierung.

Richtig - permanent oder fremderregte Synchronmotoren, wie sie in fast allen E-Autos Anwendung finden.

meikel66 hat geschrieben:
Der normale Drehstrom-Synchronmotor hat keinen Kommutator, er hat einfach nur ein Läufer-Gleichfeld

Was meinst Du mit Läufer-Gleichfeld?
Die Kommutierung geschieht halt extern im Umrichter, der die Spulen so bestromt, dass die Feldlage zum Rotor passt.

meikel66 hat geschrieben:
Wenn ich also beim Synchronmotor die Polrichtung des Läuferfeldes wechsele, dann fällt der Läufer zurück, bevor er sich wieder synchron in das Ständerfeld einklinkt.

So arbeitet man beim Synchronmotor aber nicht. Die Feldlage wird wirklich immer zum Rotor ausgerichtet. Was variiert wird, ist die Spannung.

meikel66 hat geschrieben:
Ein Synchronmotor, wie ich ihn bisher kannte, gerät außer Tritt, wenn er überlastet wird

Das passt zum Schrittmotor.

meikel66 hat geschrieben:
Wenn ich nun die Spannung verringere und damit das Ständerfeld schwäche, dann dann besteht doch die Gefahr, das er außer Tritt gerät.

Macht man beim Schrittmotor ja auch nicht.

meikel66 hat geschrieben:
Wenn sich aber der Synchronmotor wie ein Gleichstrommotor verhält, wären die Verhältnisse Nm/A und V/Drehzahl wieder möglich.
Oder handelt es sich doch einfach nur um einen Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der über Space Vector Pulsweitenmodulation angesteuert wird (wie hier beschrieben: http://www.elektronikpraxis.vogel.de/le ... ndex2.html)

Jein. Das ist fast dasselbe, bzw vom mechanischen Motor her ist es dasselbe. Der Unterschied ist die Ansteuerung. Der BLDC hat einen elektronischen Kommutator. Nach außen hin ist der Motor dann wie ein Gleichstrommotor zu betrachten. Man steuert ihn also mit einem Spannungssteller an.
Der Unterschied beim Synchronmotor ist, dass die Spannung zusammen mit der Kommutierung von einem Umrichter gesteuert wird. Also durch Pulsweitenmodulation werden die 3 Phasen mit einem Drehfeld bestromt, das synchron zum Rotor liegt. Das heißt der Umrichter muss die Pollage kennen, zB durch einen Drehgeber oder Hallsensoren. Bei meinem Pedelec funktioniert das sogar ohne Sensor - da erkennt der Controller die Rückinduktion des Motors. Das funktioniert aber erst ab einer bestimmten Drehzahl, der Motor kann daher nicht sanft anfahren, sondern arbeitet auf den ersten Umdrehungen wie ein Schrittmotor. Fürs Pedelec ist das aber ok.
Einen Unterschied macht noch Block- oder Sinuskommutierung. Mit Sinuskommtierung läuft der Motor deutlich leiser. Ein alter Gleichstrommotor mit mechanischem Kommutator hat immer Blockkommutierung. Die Phasen kennen nur "an" oder "aus". Die besseren elektronisch kommutierten Motoren haben Sinuskommutierung, das heißt auf den 3 Phasen sind um 120° versetzte Sinuswellen.

meikel66 hat geschrieben:
Mit einfachen Drehstrom-Asynchronmotoren benötige ich Drehstrom, dessen Frequenz veränderbar ist. Setzte ich Gleichstrommotoren ein, kann ich mir den Aufwand sparen.

Da man nicht mehr mechanisch kommutiert, ändert das aber auch nichts.

meikel66 hat geschrieben:
Im Netz finden sich Wirkungsgrad um 88%.

Da geht auch beim Asynchronmotor noch mehr - mit IE4 >97%.
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromotor#Wirkungsgrad_und_Effizienz

Aber ist natürlich immer nur der beste Arbeitspunkt.Wenn man mit niedriger Geschwindigkeit nen steilen Berg hoch kriecht, geht bei allen die Effizienz deutlich runter - bis 0% sind möglich (= ein Moment aufbringen im Stillstand).

meikel66 hat geschrieben:
Der Motor ist unverwüstlich und über einen Frequenzumrichter relativ einfach anzusteuern.

Der Aufwand, einen Synchronmotor mit Umrichter anzusteuern ist aber jetzt auch nicht groß anders.
Die Neodymmagnete sind halt beim permanent erregten etwas teurer als nur Kupfer oder Aluminium im Asynchronmotor.

strahler hat geschrieben:
Dann arbeitest Du in einem speziellen Bereich der Industrieautomation.

Produktionsanlagen, jetzt in der zweiten Branche. Aber passt beides in den Bereich Sondermaschinenbau. Einige Jahre hatte ich vor allem mit elektrischer Antriebstechnik, Antriebsauslegung, Optimierung, Analyse, Messungen, dynamischen Mehrkörpersimulationen, Antriebsregelung etc zu tun. Dabei hab ich auch Linear- und Torquemotoren in Betrieb genommen. Sehr cool war auch ein Eigenbau-Linearmotor (permanent erregt, synchron) für Bewegungen mit extremer Dynamik in einer rauen Umgebung. Mechanische Koppelglieder hätten da sehr schnell schlapp gemacht.
Dadurch bin ich dann auch auf den Trichter gekommen, elektrisch zu fahren und hab 2009 mit einem Eigenbau-Pedelec begonnen. War sehr lehrreich.

strahler hat geschrieben:
Ein Grossteil der elektrischen Antriebe (Pumpen und Lüfter) sind immer noch Asynchronmtoren, die für den Betrieb an 50 Hz ausgelegt sind, selbst wenn sie mit einem FU betrieben werden.

Ja klar, bei sowas. Wir bewegen halt Bauteile, die auf Produkte wirken oder die Produkte positioneren. Im dümmsten Fall sind das noch Förderbänder. Teilweise sind Antriebe auch immer noch direkt am Netz. Für Lüfter macht ein Umrichter natürlich meist keinen Sinn.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon mweisEl » Fr 19. Aug 2016, 18:50

strahler hat geschrieben:
Der Antriebsmotor für ein Elektrofahrzeug ist für eine kurzzeitige Maximalleistung ausgelegt.

Ist "kurzzeitig" beim E-Auto irgendwo definiert? Die Stundenleistung wird es ja nicht sein.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon strahler » Sa 20. Aug 2016, 08:15

Nach meinen Informationen gibt es bis jetzt noch keine Definition dafür. Die Elektrofahrzeugbauer definieren die Maximalleistung bis an die Grenze der magnetischen Sättigung des Motors und der Leistungsfähigkeit des Umrichters. Die Dauer der Maximalleistung wird dann durch die Kühlung des Motors bestimmt. Ich schätze mal, dass die Fahrzeugmotoren die angegebene Maximalleistung wenige Minuten aushalten würden. Bis jetzt ist das noch kein grosses Problem, da die Batterie schneller in die Knie geht, als der Motor überhitzt. Die Maximalleistung wird ja lediglich für den Beschleunigungsvorgang benötigt.
Zuletzt geändert von TeeKay am So 21. Aug 2016, 15:29, insgesamt 1-mal geändert.
Grund: Bitte Zitierregeln beachten, keine Doppelquotes und nicht direkt unter dem Beitrag, auf den du dich beziehst
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon meikel66 » Sa 20. Aug 2016, 15:57

Ein LithiumIonenakku hat einen Coulomb-Wirkungsgrad von 1, da geht schonmal nichts verloren.
Die Wärme entsteht durch Innenwiderstände und ist, wie du bereits sagst abhängig vom Ladestrom. Mein Akku wird z.B. zu 100% mit 0,2C mit vernachlässigbaren Verlusten geladen. (Verlustleistung steigt quadratisch zum Strom)

Der Coulomb-Wirkungsgrad ist doch Banane. Der sagt doch nur aus, dass z.B. 3000 mAh in den Akku reingehen und etwa 2990 mAh oder gerundet auch 3000 mAh wieder herausgehen.

Das gilt aber nicht für die Energiemenge, gemessen in Wh, da der Akku einen Innenwiderstand hat.

Ich lade also die 3000 mAh im Mittel bei einer höheren Spannungs(lage) in den Akku hinein, als die Spannung, bei der ich die 2990 mAh wieder entnehme. Z.B. im Mittel beim Laden 3,9 Volt gegenüber z.B. im Mittel 3,5 Volt beim Entladen. (Ist natürlich jeweils eine Kuve, die Energiemenge die Fläche darunter.)

3,9 V x 3000 mAh = 11 700 mWh hinein, davon bekomme 3,5 V x 3000 mAh = 10 500 mWh wieder heraus.

Damit wäre der Wirkungsgrad der Energiespeicherung = 11,7 Wh/11,5 Wh = 90 %

Aber vielleicht hast Du ja auch einen Superakku, der mehr Energie abgibt als man reinsteckt.

Beim gesamten Ladevorgang (von der Gleichrichtung, über das Batteriemanagement bis hin zum Akku) entstehen so zwischen 10 bis 20% Verluste. Und hier ist das eigentliche Problem. Es lassen sich keine pauschalen Werte angeben. Das hängt nun einmal von den eingesetzten Komponenten ab. Und das gilt auch für den Gesamtwirkungsgrad. Hier müsste man die verwendeten Komponenten und deren jeweilige Wirkungsgrade kennen. In meinem Eingangsbeispiel habe ich die wesentlichen Komponenten genommen und die schlimmst-möglichen Wirkungsgrade angenommen. Unter den knapp 60% dürfte das E-Fahrzeug nicht liegen. Und das ist für eine Wurscht-Käs-Betrachtung (oder worse-case) eigentlich ein sau guter Wert. Mit Deinen 75 % bin ich absolut einverstanden, wenn die Einzel-Komponenten sehr gute Wirkungsgrade aufweisen. Aber auch hier lassen sich pauschal keine Aussagen machen.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon meikel66 » Sa 20. Aug 2016, 21:02

@ Karlsson,

das finde ich ja jetzt witzig. Als absoluter Guru moderner Motoren scheinst Du den guten alten Drehstrom-Synchronmotor, den es seit rund 150 Jahren gibt, nicht zu kennen. :)

Das Läuferfeld ist ein Gleichfeld, also das, was Permanentmagnete oder Spulen, die mit Gleichspannung betrieben werden, erzeugen. Dieses Gleichfeld wird von dem rotierenden Drehfeld des Stators aufgrund magnetischer Anziehungs- und Abstoßungskräfte mitgezogen. Wird der Motor belastet, so fällt der Läufer ein paar Grad zurück. Übersteigt der Lastwinkel 90°, so gerät der Motor außer Tritt. Bei diesen guten alten Synchronmotor kann man die Drehzahl nur mit der Frequenz stufenlos regeln. Und dieser Motor hat keinen Kommutator, keinen pulscodemodulierte Ansteuerung und irgendeinen anderen Firlefanz. Dafür hat er einen guten Wirkungsgrad und lässt sich prima als Generator einsetzen. In der fremderregten Ausführung sind die Wicklungsenden des Läufers an Schleifringe geführt. Über Kohlebürsten wird der Läuferwicklung die Gleichspannung zugeführt. Der Renault Zoe scheint diesen Typ Motor verbaut zu haben.

Weitere Infos gibt es hier: http://www.tet.tuhh.de/downloads/et-pbl ... 202011.pdf
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon spark-ed » So 21. Aug 2016, 02:15

meikel66 hat geschrieben:
Ich lade also die 3000 mAh im Mittel bei einer höheren Spannungs(lage) in den Akku hinein, als die Spannung, bei der ich die 2990 mAh wieder entnehme. Z.B. im Mittel beim Laden 3,9 Volt gegenüber z.B. im Mittel 3,5 Volt beim Entladen. (Ist natürlich jeweils eine Kuve, die Energiemenge die Fläche darunter.)
Hallo meikel66,
Du hattest mich nach der Berechnung für mein Auto gefragt. Da ich nur mit sehr kleiner Leistung lade, sind die Ladeverluste entsprechend klein wenn auch natürlich niemals 0. Hatte deswegen auch schon 2% eingeräumt.

Mir ist bei der oberflächlichen Überlegung tatsächlich der Wirkungsgrad für die Entladeverluste komplett durch die Lappen gegangen. Dieser ist aufgrund der höheren Ströme tatsächlich nenneswert (und spielt gerade bei hohen Fahrgeschwindigkeiten eine Rolle). Also gebe ich dir in der Gesamtbilanz recht, der Lade/ Entladewirkungsgrad ist mit Sicherheit deutlich unter 90%.

Ehe wir das lange milchmächenmäßig nachrechen, treffen wir uns meinetwegen auf der Mitte zwischen deinen 58% und meinen 75%. Der Gesamtwirkungsgrad ist auf jeden Fall immer noch sehr hoch und stark abhängig von verschiedenen Effizienzmultipilkatoren

Solange ich überwiegend erneuerbaren Strom lade ist das sowieso egal.
Eine WKA hat eine Gesamtnutzungsdauer die wahrscheinlich >10x höher als ihr eigener ökologischer Footprint ist. Da spielt die Effizienz der nachgeschalteten Verbraucher eine untergeordnete Rolle.
Aktuell lädt das Auto während sich ca. 100 WKAs in Sichtweite bei mittlerem Wind drehen. Bis vor wenigen Stunden war der Strompreis wieder bei "0"
https://energy-charts.de/price_de.htm

Übrigens korrigiere bitte die Zitate, da stehen die [quote]s scheinbar teilweise an der falschen Stelle
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Alex1 » So 21. Aug 2016, 13:05

Exakt :mrgreen: Und sogar noch mehr :mrgreen: :mrgreen:
spark-ed hat geschrieben:
Solange ich überwiegend erneuerbaren Strom lade ist das sowieso egal.
Eine WKA hat eine Gesamtnutzungsdauer die wahrscheinlich >10x höher als ihr eigener ökologischer Footprint ist. Da spielt die Effizienz der nachgeschalteten Verbraucher eine untergeordnete Rolle.
Aktuell lädt das Auto während sich ca. 100 WKAs in Sichtweite bei mittlerem Wind drehen. Bis vor wenigen Stunden war der Strompreis wieder bei "0"
https://energy-charts.de/price_de.htm
Genauer genommen sind es unter einem halben Jahr, bei 16 Jahren Laufzeit also Fakto 80. Du hat selbstverständlich Recht, das ist über 10x :mrgreen: :D
Herzliche Grüße
Alex
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon Karlsson » So 21. Aug 2016, 20:09

meikel66 hat geschrieben:
Bei diesen guten alten Synchronmotor kann man die Drehzahl nur mit der Frequenz stufenlos regeln. Und dieser Motor hat keinen Kommutator, keinen pulscodemodulierte Ansteuerung und irgendeinen anderen Firlefanz.

Ich weiß nicht, was Du da für einen Unterschied zu erkennen meinst, der mechanische Aufbau enstspricht den heute verwendeten Synchronmotoren. In dem Link ist lediglich eine andere Ansteuerung der Maschine im motorischen Betrieb beschrieben, bzw der Betrieb direkt am Netz. Das ist halt billig, man muss nur den Anlauf hinkriegen und der Motoren muss kräftig überdimensioniert sein. Beim Auto kannst Du das nicht machen, sonst dürfte man nur langsam Gas geben, weil sonst die Pollage nicht mehr passen würde. Und auch da kommt man um den Umrichter nicht rum, da der Akku ja nun nur DC liefert.
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Re: Wirkungsgrad Elektroauto

Beitragvon meikel66 » Mo 5. Sep 2016, 21:18

Der gute Horst rechnet (Zeit 26:20) einen Wirkungsgrad seines Teslas von 83 bis 95% aus(https://www.youtube.com/watch?v=5V7DvFF ... e=youtu.be). Berücksichtigt man noch die Ladeverluste (rund 10%) dürfte ein Wirkungsgrad von rund 73 bis 85 % drin sein. Das wäre für das Gesamtsystem ein super Wert. Für einen Passat B7 Diesel (2,0 Liter Motor) errechnet Horst nur einen Wirkungsgrad von 18%. Das ist ein eindeutiges Ergebnis!!!! ;)
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Wirkungsgrad Golf CitySTROMer

Beitragvon meikel66 » Fr 9. Sep 2016, 19:07

Mit dem Golf CitySTROMer versuchte VW sich zwischen 1992 und 1996 an einer Elektroversion des Golfs. Es wurden nur 120 Exemplare hergestellt ... Die technischen Daten wurden von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft geprüft und ein Wirkungsgrad von 49 % festgestellt. Der Energieverbrauch ab Steckdose lag bei rund 25 kWh/100 km. (https://de.wikipedia.org/wiki/Geschicht ... ektroautos)

Schade, dass VW keine Wirkungsgradangaben zu ihren neuen E-Fahrzeuge macht ... !
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