Leistungsbedarf: was passiert denn da

[AbRiNgOi]

Wegen dem Luft und dem Rollwiederstand wärs noch mal. Bin wohl nicht ganz bei der Sache, wegen dem vielen Down-Hill Fahren heute am Semmering ist mein Hirn noch durchgeknetet... (Aber die ZOE war prav von Wien auf den Semmering und retur ohne Zwischenladen unterwegs...)

Also: Ja es ist Richtig, dass der Rollwiederstand nicht von der Fahrgeschwindigkeit abhängig ist und der Luftwiederstand quatratisch zur Fahrgeschwindigkeit. Es ist auch Richtig, dass die Leistung mit der dritten Potenz der Fahrgeschwindigkeit steigt. Wir sollten aber nicht Wiederstand (=Kraft) und Leistung verwechseln, denn hier steckt die Geschwindigkeit noch einmal drinnen und macht aus der Verlustleistung wegen des Luftwiederstandes die dritte Potenz der Geschwindigkeit. (Leistung = Kraft x Geschwindigkeit) Das ist aber halb so wild, weil wir auch schneller ankommen, also die Leistung nur kürzer benötigen, der Verbrauch pro Kilometer bleibt daher quatratisch zur Geschwindigkeit, also bei doppelter Geschwindigkeit der viefache Luftwiederstands-Verbrauch aber die 8 fache Leistung wegen Luftwiederstand, Bei der Reibung ists einfacher, der Verbrauch wegen Reibung steigt nicht aber die Leistung steigt linear zur Geschwindigkeit. Also doppelte Geschwindigkeit = doppelte Roll-Leistung weil wir aber doppelt so schnell ankommen bleicht der Roll-Kilometerverbrauch gleich...

Gleiches Problem habe ich mit der Leistungsangabe im Display, da steht z.b. 11kW bei stressfreier Fahrt, wie aber ist der Verbaruch? Wenn wir gerade 100kmh fahren wäre der Verbrauch genau 11kWh/100km. Wenn wir aber die 11kW bei 50kmh sehen, wäre der Verbaruch 22kWh/100km weil wir die 11kW zwei Stunden benötigen um 100km zu fahren. Ich finds verwirrend eine Leistungsangabe zu machen, weil diese gar nix zum Verbrauch aussagt. Ich denke ein Angabe in kWh/100km wäre besser... (wie man es von den Benzinbrüdern gewohnt ist, da wird auch nicht Liter pro Stunde angegeben..)

[agentsmith1612]

Ich denke die Feldschwächung erklärt alles. Zur Erklärung für den Nicht-Techniker geschehen im Motor folgende Dinge:

Das Drehmoment ist proportional zum Produkt vom Magnetfeld in den Statorspulen und dem Magnetfeld in der (rotierenden) Feldspule (die den Permanentmagnet ersetzt).

Die Drehzahl ist proportional zur Spannung und umgekehrt proportional zum Magnetfeld der Feldspule.

Im unteren Drehzahlbereich wird die Drehzahl durch die verfügbare Spannung vom Umrichter gesteuert.

Irgendwo um die 80 km/h erreicht der Umrichter 100% Spannung. Bei höherer Drehzahl würde die Induktionsspannung vom Motor erst einmal höher als die Akkuspannung und man könnte nicht weiter beschleunigen.

Als Abhilfe wird das Magnetfeld der Feldspule verringert (also Feldschwächung) so daß die Induktionsspannung bei gleicher Drehzahl sinkt bzw. bei gleicher Spannung eine höhere Drehzahl möglich wird.

Da sich zugleich auch das Drehmoment vom Motor verringert muß der Strom in den Statorspulen ansteigen um das auszugleichen.

Da das Auto aber bei höherer Geschwindigkeit noch mehr Drehmoment benötigt muß der Strom noch weiter ansteigen. Die Verluste in der Statorwicklung und anderen Leitungswiderständen steigen somit annähernd mit der vierten Potenz der Geschwindigkeit.

Danke für die gute Erklärung. Beim Zoe ist treten dann dann also im Feldschwachenbereich starke Verluste auf, die den Graph so aussehen lassen wie er aussieht.

Vielleicht eine andere kurze Frage. Wie Verhält sich das dann bei einer permanent erregten Maschine ? Dort kann ja das Magnetfeld des Stators nicht erhöht werden. Fällt dadurch dann das Drehmoment (noch stärker) ab ? Oder sind die Feldspulen bzw. das ganze System dann so dimensioniert, dass die maximale Stromstärke und Spannung nie so schnell erreicht werden können.
Ich hab nämlich auf der Seite die du emfpohlen hast mal kurz nachgelesen, da steht ja im Grundbreich durch die Spannung begrenzt und im Feldschwachenbereich durch Strom begrenzt, und dort liegen dann auch die Verluste im Wirkungsgrad, richtig ? Den dort geht Strom durch Widerstand verloren je höher die Stromstärke wird.
Wäre es dann konstruktiv so, dass man das in der Hinsicht optimieren könnte den Grundbreich so weit wie möglich zu erhalten, die Spannung möglichst hoch werden zu lassen ?

[Blitz]

Ich denke die Feldschwächung erklärt alles.

Irgendwo um die 80 km/h erreicht der Umrichter 100% Spannung. Bei höherer Drehzahl würde die Induktionsspannung vom Motor erst einmal höher als die Akkuspannung und man könnte nicht weiter beschleunigen.

Als Abhilfe wird das Magnetfeld der Feldspule verringert (also Feldschwächung) so daß die Induktionsspannung bei gleicher Drehzahl sinkt bzw. bei gleicher Spannung eine höhere Drehzahl möglich wird.

@Rumstromerer
Im Diagramm von Umberto gibt´s die Feldschwächung aber auch bei Permanentmagnet im Rotor. Also obwohl dort das Feld nicht gesteuert vermindert werden kann. Woher kommt dann dieser Anteil der Feldschwächung? Oder was ist unter Induktionsspannung zu verstehen?

[Rumstromerer]

Ich versuche mal weiter auszuholen.

Die "Induktionsspannung" ist die Spannung die der Motor als Generator erzeugt.

Auch wenn es intern Drehstrom ist funktioniert das System im ganzen wie ein klassischer Gleichstrommotor - deshalb nemmt man es auch BLDC, BrushLess Direct Current (motor). Am einfachsten ist es wenn ihr euch vorstellt daß die Spannung die aus dem Umrichter kommt im Gleichgewicht stehen muß mit der Spannung die der Motor als Generator erzeugt.

Ist die Spannung vom Umrichter höher fliest der Strom so herum daß der Motor den Wagen beschleunigt.

Ist die Spannung vom Motor höher fliest der Strom anders herum und der Wagen rekuperiert.

Bislang habe ich vorausgesetzt daß der Motor mit der sogenannten freien Kommutierung betrieben wird. Bei der freien Kommutierung ist die Phasenlage des internen Drehstromes fest an den Drehwinkel des Rotors gebunden so daß es keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung gibt. Der Elektriker sagt dazu Cos(Phi)=1.

Man kann auch einen Motor mit Permanentmagneten mit Feldschwächung betreiben indem man die Spannung vom Umrichter künstlich gegen den Winkel des Rotors verschiebt, das ist dann die sogenannte erzwungene Kommutierung.

Nun ist auch der Motorstrom nicht mehr in Phase mit der Spannung und kann rechnerisch in zwei Anteile zerlegt werden. Der Anteil der in Phase ist transportiert die Wirkleistung - also Beschleunigen und Bremsen. Der andere Anteil ist um 90° verdreht und besteht aus Blindleistung, erzeugt also ein zusätzliches Magnetfeld.

Zieht man die Kommutierung vor den natürlichen Zeitpunkt so ist das zusätzliche Magnetfeld gegen das Feld der Permanentmagnete gerichtet und schwächt diese vorübergehend.

Ob man das Feld jetzt durch Blindleistung in den Statorspulen oder weniger Strom auf die fremderregte (rotierende) Feldspule schwächt ist egal. In beiden Fällen läßt sich die Drehzahl über "100%" steigern wenn man große Verluste durch erhöhte Ströme in Kauf nimmt.


Man könnte natürlich auch auf das ganze Zeug verzichten und den Wagen einfach nur gemütlich im "normalen" Regelbereich von 0 bis 80 km/h betreiben, eventuell auch noch bis 100. Die meisten Leichtfahrzeuge machen das auch so.

Aber ich verstehe auch daß die Entwickler beim Zoe einen "Nachbrenner" wollten mit dem man zum Überholen vorübergehend und mit schlechtem Wirkungsgrad schneller fahren kann.

[umberto]

Danke noch mal für Deine Einblicke.

Aber ich verstehe auch daß die Entwickler beim Zoe einen "Nachbrenner" wollten mit dem man zum Überholen vorübergehend und mit schlechtem Wirkungsgrad schneller fahren kann.

Dafür haben sie ja den Eco-Mode bei 96 km/h begrenzt. Mit den Daten wird klar, warum sie gerade diese Geschwindigkeit gewählt haben (paßt natürlich auch gut zu den 90 für französische Landstrassen, für deutsche Landstraßen ist die Geschwindigkeit ja eher etwas ungeschickt).

Ich finde auch, daß die Übersetzung der Zoe sehr gut abgestimmt ist. Unten rum geht's zügig zur Sache (wie schon mancher Verbrenner leidvoll erfahren mußte ) und das Fahrzeug beschleunigt trotz der überschaubaren Leistung von 63 kW sehr ordentlich bis 100 km/h.

Gruss
Umbi

[Blitz]

(Hervorhebungen von mir)

Die "Induktionsspannung" ist die Spannung die der Motor als Generator erzeugt.

Auch wenn es intern Drehstrom ist funktioniert das System im ganzen wie ein klassischer Gleichstrommotor - deshalb nemmt man es auch BLDC, BrushLess Direct Current (motor). Am einfachsten ist es wenn ihr euch vorstellt daß die Spannung die aus dem Umrichter kommt im Gleichgewicht stehen muß mit der Spannung die der Motor als Generator erzeugt.

Ist die Spannung vom Umrichter höher fliest der Strom so herum daß der Motor den Wagen beschleunigt.

Ist die Spannung vom Motor höher fliest der Strom anders herum und der Wagen rekuperiert.

Bislang habe ich vorausgesetzt daß der Motor mit der sogenannten freien Kommutierung betrieben wird. Bei der freien Kommutierung ist die Phasenlage des internen Drehstromes fest an den Drehwinkel des Rotors gebunden so daß es keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung gibt. Der Elektriker sagt dazu Cos(Phi)=1.

Man kann auch einen Motor mit Permanentmagneten mit Feldschwächung betreiben indem man die Spannung vom Umrichter künstlich gegen den Winkel des Rotors verschiebt, das ist dann die sogenannte erzwungene Kommutierung.

Nun ist auch der Motorstrom nicht mehr in Phase mit der Spannung und kann rechnerisch in zwei Anteile zerlegt werden. Der Anteil der in Phase ist transportiert die Wirkleistung - also Beschleunigen und Bremsen. Der andere Anteil ist um 90° verdreht und besteht aus Blindleistung, erzeugt also ein zusätzliches Magnetfeld.

Zieht man die Kommutierung vor den natürlichen Zeitpunkt so ist das zusätzliche Magnetfeld gegen das Feld der Permanentmagnete gerichtet und schwächt diese vorübergehend. (M.A. dadurch wird weniger Gegenspannung induziert)

Ob man das Feld jetzt durch Blindleistung in den Statorspulen oder weniger Strom auf die fremderregte (rotierende) Feldspule schwächt ist egal. In beiden Fällen läßt sich die Drehzahl über "100%" steigern wenn man große Verluste durch erhöhte Ströme in Kauf nimmt.


Man könnte natürlich auch auf das ganze Zeug verzichten und den Wagen einfach nur gemütlich im "normalen" Regelbereich von 0 bis 80 km/h betreiben, eventuell auch noch bis 100. Die meisten Leichtfahrzeuge machen das auch so.

Aber ich verstehe auch daß die Entwickler beim Zoe einen "Nachbrenner" wollten mit dem man zum Überholen vorübergehend und mit schlechtem Wirkungsgrad schneller fahren kann.

Danke, jetzt kann ich mir´s vorstellen.

Bedeutet aber, daß ambitioniertere Emobile, auch fremderregte, halt doch ein mind. 2-stufiges Getriebe haben sollten. Und ich verwette mein Häuschen, daß wir solche in den nächsten 5 Jahren sehen werden. Wundert mich sehr, daß BMW beim I3 nicht gleich so eingestiegen ist.

Eine Frage noch: Welche Methode der Feldschwächung ist verlustreicher: erzwungene Kommutation (permanenterregter) oder weniger Strom auf die fremderregte Rotorspule?

[Rumstromerer]

Es tut mir leid, aber die letzte Frage kann ich nicht beantworten. Da mußt du die Entwickler fragen die Motoren und Umrichter aufeinander abstimmen und praxisnah testen.

Ich interresiere mich zwar privat sehr für Elektronik und regenerative Energien (und hoffe daß ich einmal einen Arbeitsplatz in diesem Bereich finde), habe aber nur kleinere Motoren und ein beschränktes Sortiment von Meßgeräten zum Experimentieren.

Vermutlich können beide Methoden ähnlich effizient gebaut werden, die Hauptfrage ist wohl mehr wieviel Material verbaut werden soll (Preis und Gewicht steigen schneller als der Wirkungsgrad).

[Oliver]

Feldschwächung bei permanent erregten SM geht so gut wie gar nicht, da der virtuelle Felstrom, der durch die Magnete erzeugt wird, so stark ist, dass sehr viel Statorstrom dagegen halten muss, um eine gewisse Feldschwächung zu erziehlen.

Bei der fremd erregten SM ist das überhaupt kein Problem, da wird einfach der Erregungsstrom reduziert (einstellbar). Z.B 50% Erregungsstrom für 50% Feldschwächung bzw. ca. 200% Nenndrehzahl. Dadurch kann man auch gut und gerne doppelte Nenndrehzahl (oder mehr) bei fremd erregten SM erreichen.

Es könnte also durchaus sein, dass der tiefere Wirkungsgrad von der Feldschwächung kommt.

[brushless]

Feldschwächung bei permanent erregten SM geht so gut wie gar nicht, da der virtuelle Felstrom, der durch die Magnete erzeugt wird, so stark ist, dass sehr viel Statorstrom dagegen halten muss, um eine gewisse Feldschwächung zu erziehlen.

Bei der fremd erregten SM ist das überhaupt kein Problem, da wird einfach der Erregungsstrom reduziert (einstellbar). Z.B 50% Erregungsstrom für 50% Feldschwächung bzw. ca. 200% Nenndrehzahl. Dadurch kann man auch gut und gerne doppelte Nenndrehzahl (oder mehr) bei fremd erregten SM erreichen.

Es könnte also durchaus sein, dass der tiefere Wirkungsgrad von der Feldschwächung kommt.

Feldschwächung bei PESM ist technisch zwar möglich aber kein vernünftiger Techniker wird einen Motor in so einem Betriebszustand betreiben, denn wie bereits von Oliver angeführt, müsste so ein starkes Gegenfeld vom Rotor (wenn es sich um einen Innenläufer handelt) aufgebaut werden, dass eben das sehr starke (meist 1,2 - 1,4 T) Statorfeld überhaupt geschwächt werden kann. Dass ist so ähnlich, als ob man bei einem Akku der 20V hat durch eine verkehrt gepolte Akkuzelle von 2V die Spannung auf 18V reduzieren wollte. Besser wäre aber eine Zelle von 2V aus dem Akku herauszunehmen um die 18V zu erhalten. Außerdem läuft auch der Rotoreisenkern bei überhohen Rotorströmen in die Sättigung. Der Wirkungsgrad würde dadurch drastisch reduziert werden.
Ich weiß nicht ob und wie der fremderregte ZOE Motor betrieben wird. Auf jeden Fall sollte man aus Gründen eines hohen Wirkungsgrades, egal welcher Motortyp also auch bei fremderregten, nie mit Feldschwächung arbeiten. Im Gegenteil; soll die Motordrehzahl höher werden soll besser die Rotorspannung erhöht werden und nicht das Feld geschwächt werden. Daher soll der Motorcontroller auch eine höhere Motorspannung als die Akkuspannung ist, erzeugen können; ist besser für den Wirkungsgrad da die Kupferverluste bei Nennstrom eben gleich bleiben und nur die Eisenverluste durch die höhere Drehzahl zunehmen. Bei Feldschwächung muss der Rotorstrom über Nennstrom sein, damit noch eine halbwegs vernünftige Leistung rauskommt. Leider sind dann aber die Kupfer- und Eisenverluste höher; also der Wirkungsgrad wird von 2 Parametern reduziert. Man sieht, hier ist noch Potential für Verbesserungen möglich. LG

[mark32]

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.