Leistungsbedarf: was passiert denn da

[Rumstromerer]

Danke für die Rückmeldung.

Hast du da Zahlen und Meßkurven und/oder eine ausführliche Erklärung dazu?

Ich würde mein Wissen gerne erweitern, bislang kenne ich nur wesentlich kleinere BlDC aus eigenen Experimenten und da wurde die Feldschwächung mit erzwungener Kommutierung durchaus genutzt.

[agentsmith1612]

Weil es gerade zum Thema passt: Der Ampera hatte mit seinen Elektromotoren das gleiche Problem mit dem Effizienzverlust bei hohen Drehzahlen. Zur Lösung des Problems wurde ein Trick mit dem Planetengetriebe angewendet, siehe Opel-Blog von Uwe Winter. Letzlich stellt der "Fahrmodus 2" mit zwei Elektromotoren eine Art Zweiganggetriebe dar und es wird eine rein elektrische Höchstgeschwindigkeit von 160km/h möglich.

Beschleunigt wird aber weitehin nur mit dem normalen Fahrmotor, erst wenn dauerhaft ein niedriges Raddrehmoment gefordert ist wechselt das System in den 2-Motor Modus (Modus 2).
Werden aber hingegen auch bei höheren Geschwindigkeiten höhere Raddrehmomente gefordert arbeitet ein Motor alleine.

Dazu anbei die Grafik und die Quelle dazu.

[Karlsson]

Feldschwächung bei permanent erregten Motoren ist möglich und wird im Maschinenbau auch genutzt.
Energetisch natürlich Humbug, hat im E-Auto ohne eigene Oberleitung ja weniger was verloren.
Der Zoe muss beim fremderregten Motor nur seinen Erregerstrom reduzieren, die zusätzlichen Verluste verstehe ich ehrlich gesagt nicht.
Da muss irgendwas im Argen sein, das kann so nicht gut sein.

Der Rollwiderstand nimmt irgendwann leicht zu. Meine es ist so 120-140. Aber das ist minimal und irrelevant.
Die Rollreibung kann man einfach als konstant betrachten, bzw die Leistung steigt linear.

[mark32]

Wichtig ist die Drehzahlerreduzierung des E-Hauptmotors durch den zweiten E-Motor mithilfe des Planetengetriebes. Hier noch ein Link mit Grafik, die untere zeigt die Drehzahlen der E-Motoren in Relation zur Geschwindigkeit, inklusive des "Schaltvorganges".

[Karlsson]

Ist klar. Der Ampera braucht den zweiten E-Motor aber prinzipbedingt ja auch ohnehin. Da ist der Mehraufwand nicht mehr sooo groß. Das ist beim Zoe nicht der Fall, hier wird mit variabler Erregung gearbeitet.
Die Alternative wäre ein Getriebe mit mehreren Gängen. Ließe sich mit dem perfekt steuerbaren E-Motor auch sehr schön als automatisiertes Schaltgetriebe mit nur einer Kupplung ausführen. Aber Renault ist da halt einen anderen Weg gegangen.

[agentsmith1612]

Aber Renault ist da halt einen anderen Weg gegangen.

Tesla möchte im Model X noch einen anderen Weg gehen. Dort werden ohnehin wegen Allrad Antrieb schon zwei Motoren verbaut, diese werden dann unterschiedliche Übersetzungen haben. Damit hat man dann in etwa auch ein "2 Gang Getriebe" wenn man das ganze Fahrzeug betrachtet.

[Karlsson]

Ok, ist dann aber mit Kanonen auf Spatzen schießen. 99% der Kunden brauchen keinen Allradantrieb und er wiegt und kostet einfach.
Beim konventionellen Antrieb schlägt er sich auch stets im Verbrauch gut nieder.

[Zoe100E]

Hallo liebe Leute,

eine hochinteressante Diskussion mit sehr guten Beiträgen. Da ich schon fast 30 Jahre in der elektrischen Antriebstechnik arbeite (Entwicklung Leistungselektronik) habe ich auch etwas Einblick in die Motorenseite bekommen. Ich habe alle Beiträge gelesen und mir meine Gedanken dazu gemacht die ich nachfolgend mitteilen möchte (ich hoffe dass ich keine groben Denkfehler drin habe, Motoren sind ja nicht direkt mein Fachgebiet und mit Akkus habe ich gar nichts zu tun):

In dem nachfolgenden Gedankenexperiment gehen wir davon aus dass die Verluste im Antrieb von den ohmschen Verlusten des Motors und des Akkus dominiert werden:

Nehmen wir einmal an wir fahren im Vakuum (kein Luftwiderstand) und beschleunigen mit konstantem Drehmoment. Bei vollem Rotorfeld liefert der Umrichter einen konstanten Strom in den Motorstator. Die Leistung wächst proportional zur Motordrehzahl und proportional zur Geschwindigkeit. Die ohmschen Verluste sind KONSTANT (weil: Strom konstant), also unabhängig von der Geschwindigkeit. Somit sind die Verluste im Antriebsstrang unabhängig von der Geschwindigkeit, die Welt ist in Ordnung. Irgendwann jedoch (abhängig von der Auslegung des Motors) haben wir bei unserer konstanten Beschleunigung die Geschwindigkeit erreicht wo die Motorspannung (EMK) so groß ist dass die Aussteuergrenze des Umrichters fast erreicht wird. Eine weitere Steigerung der Fahrgeschwindigkeit ist nur möglich wenn das Rotorfeld proportional zur Drehzahl geschwächt wird.
Die Feldschwächung hat zur Folge dass die Motorspannung konstant bleibt, unabhängig von der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit. Wenn wir nun wie zuvor mit konstantem Drehmoment und linear steigender Leistung weiter beschleunigen wollen müssen wir den STATORSTROM des Motors proportional zur Geschwindigkeit erhöhen. Da die Leistung proportional zur Geschwindigkeit steigt wird folglich auch der Akkustrom proportional zur Geschwindigkeit steigen.

Das ist nun der Knackpunkt: Die ohmsche Verlustleistung im Akku und im Motorstator sind proportional zum Quadrat des Stroms.

Nehmen wir nun an wir fahren mit unterschiedlichen konstanten Geschwindigkeiten im Feldschwächbetrieb in einer Ebene ohne Steigungen auf der Autobahn, in den Gesamtverlusten dominiert der Luftwiderstand. Dann ist wie in den vorherigen Beiträgen schon angeführt die vom Antrieb aufzubringende Leistung proportional zur gefahrenen "Geschwindigkeit hoch 3". Nach obiger Betrachtung steigen im Feldschwächbetrieb die Verluste im Motor und gleichermaßen auch im Innenwiderstand des Akkus quadratisch zur Leistung an. Wenn wir die Geschwindigkeit von 100 km/h auf 140 km/h erhöhen benötigen wir die 2,74fache Antriebsleistung. Die Verlustleistung in Motor und Akku steigt proportional zu "Geschwindigkeit hoch 6" um das 7,5fache! Glücklicherweise kommen wir bei höherer Geschwindigkeit um den Faktor 1,4 schneller am Ziel an, so dass die Antriebs-VERLUSTENERGIE die ja für die Reichweite maßgeblich ist nur mit der "Geschwindigkeit hoch 5" um das 5,4fache steigt. Das hört sich dramatisch an, aber wir dürfen nicht vergessen dass bei nicht allzu hohen Geschwindigkeiten die Verlustenergie im Antriebsstrang klein gegenüber der Verlustenergie im Luftwiderstand ist. Durch diese Betrachtung lässt sich jedoch das anfangs im Thread gezeigte Diagramm erklären dass der prozentuale Anteil des Luftwiderstandes an den Gesamtverlusten oberhalb von 130 km/h wieder sinkt und der Verlustanteil des Antriebsstranges bedeutsam wird.

Alles noch mal zusammengefasst:

Verlustleistung im Luftwiderstand proportional zu Geschwindigkeit "hoch 3".
Verlustenergie im Luftwiderstand proportional zu Geschwindigkeit "hoch 2".
Verlustleistung im Antriebsstrang proportional zu "Geschwindigkeit "hoch 6"
Verlustenergie im Antriebsstrang proportional zu "Geschwindigkeit "hoch 5"

Alles unter der Annahme dass im Antrieb nur "ohmsche Verluste" auftreten, proportional zum Quadrat des Stroms. Das gilt 100%ig für den Akku. Das gilt nicht für den Umrichter (in den IGBTs steigen die Verluste irgendwo zwischen proportional und quadratisch zum Strom). Die Annahme gilt nur eingeschränkt für den Motor (hier ist es in der Realität noch schlimmer, es treten noch Zusatzverluste auf die mit der Drehzahl steigen). Es wurde auch vernachlässigt dass die ohmschen Rotorverluste mit zunehmender Feldschwächung sinken, weil der Erregerstrom zurückgefahren wird (diese Verluste dürften kaum relevant sein).

Twizyflu hatte also im zweiten Beitrag des Threads den Nagel auf den Kopf getroffen!

Gruß
Johannes

[Elektro-Bomber]

Schönen Abend in die Runde der ZOE-Fahrer.

Bedingt durch den Vorstellungsthread, in dem ich seitdem ich Forums-Mitglied bin gelegentlich mitlese, habe ich mich auf den Spuren des "Newcomers" Zoe100E hierhin verirrt. Daher bin ich erst jetzt auf diesen alten Thread gestoßen und möchte ihn ein wenig ergänzen, auch wenn ich kein ZOE-Fahrer bin (aber wenigstens mal 2,5 Tage Probe gefahren).

Nun aber zum Thema der überproportional ansteigenden Verluste, mit steigender Geschwindigkeit bzw. Motordrehzahl:
Es handelt sich hierbei um Wirkunsgradeinbußen von elektrischen Maschinen durch Wechselstromabhängige Kupferverluste:
Wird die Verlustaufteilung innerhalb der elektrischen Maschine betrachtet, so stellen die Kupferverluste den quantitativ größten Anteil dar.
Durch den Trend zu hohen Drehzahlen und damit zu hohen elektrischen Frequenzen rücken wechselstromabhängige Effekte immer mehr in den Vordergrund. Hinsichtlich der genannten Kupferverluste sind Stromverdrängungseffekte zu beachten.

In den Wicklungen elektrischer Maschinen können unterschiedliche Stromverdrängungseffekte auftreten, welche im Allgemeinen zu höheren Stromwärmeverlusten führen.
Die drei wesentlichen Verlusteffekte sind: Der Skin Effekt, der Proximity-Effekt und die Kreisströme, welche aus ungeeigneter Drahtlage entstehen.

Alleine durch den Proximity-Effekt treten bei maximaler Drehzahl bis zu 32% erhöhte Kupferverluste auf.
Für den Fall einer verteilten Wicklung, welche aufgrund ihres niedrigen Oberfeldanteils häufig verwendet wird, spielt die Lage der einzelnen, parallel verschalteten Drähte eine entscheidende Rolle.
Im Falle einer „radialen Anordnung“ kann es, wie im gemessenen Beispiel gezeigt, zu einer Vervielfachung der Kupferverluste kommen.
Dies führt zu deutlichen Wirkungsgradeinbußen, einer sinkenden Dauerleistung und evtl. zu einer Schädigung bzw. einem vorzeitigen Ausfall der Maschine.

Obiges stellt meinen teilweise daraus zitierten und stark verkürzten Extrakt aus folgender, sehr interessanten Studie dar. Nach meiner Einschätzung beinhaltet sie relativ neue und noch wenig verbreitete Erkenntnisse, die hoffentlich alsbald zur Wirkungsgradoptimierung bei der Herstellung von Elektro-Motoren führen werden, z.B. durch relativ kostengünstige Fertigungsmaßnahmen wie dem optimieren der Draht-Lage beim Wickeln des Stators.

Darauf gestoßen bin ich vor einigen Monaten bei der Recherche nach Spezifikationen zum dem in meinem Fzg. verbauten Motor, der genau Gegenstand dieser Studie war.
Das Verlustprinzip liegt aber letztlich eurem Fremd-erregten ZOE Motor genauso zugrunde. Wer also tief in die recht komplexe Materie abtauchen will, dem wünsche ich nun freudiges Lesen:

http://www.ivk-uni-stuttgart.de/fileadm ... _Bauer.pdf

Gruß, Andy.

[Zoe100E]

Lieber Andy,

danke für Deinen hochinteressanten Beitrag. Ich habe keine Ahnung wie schnell der Zoe-Motor dreht, aber die von Dir genannten Verluste werden bei schneller Fahrt sicher eine wesentliche Rolle spielen. Das Problem der Kreisströme in parallel geschalteten Drähten mit unterschiedlicher Flussverkettung kenne ich auch von meinen Schaltnetzteilen (auch alle anderen Verlustmechanismen sind dabei, nicht zu vergessen die Wirbelstromverluste). Für hohe Leistungen sind statt Drahtwicklungen Folienwicklungen angesagt. Habe das PDF gleich durchgelesen. Sehr interessante Untersuchung (auch das Messverfahren im Kurzschlussbetrieb). Werde das morgen mal an unseren Motorenentwickler weiterleiten (wir bauen Motoren bis 90000 UPM).

Was Deinen K52-Elektrobomber angeht würde ich Dir das empfehlen: renault-zoe-batterie-reichweite/moon-di ... 24624.html. Habe auch geschlossene Radkappen aus Edelstahl auf meinen Zoe-Winterreifen. Sieht sehr futuristisch aus und spart anscheinend auch Strom.

Gruß
Johannes