Entwurf, Auslegung und Realisierung eines verlustoptimierten elektrischen Antriebs für Hybridfahrzeuge

Design, Dimensioning and Realisation of an electric drive train for hybrid electric vehicle optimised for operation with low losses

  • Hybridfahrzeuge werden als Möglichkeit zur Reduktion des Energieverbrauchs und der Schadstoffemmision gesehen. Verbrauchsermittlung anhand der verschiedenen genormten Fahrzyklen ergeben tatsächlich Vorteile solcher Antriebe im Vergleich zu herkömmlichen Straßenfahrzeugantrieben. Tests unter realen Bedingungen zeigen jedoch, dass Hybridantriebe unter bestimmten Voraussetzungen keine Vorteile in Hinblick auf den Verbrauch haben oder sogar höhere Verbräuche und damit verbunden höhere Emissionen aufHybridfahrzeuge werden als Möglichkeit zur Reduktion des Energieverbrauchs und der Schadstoffemmision gesehen. Verbrauchsermittlung anhand der verschiedenen genormten Fahrzyklen ergeben tatsächlich Vorteile solcher Antriebe im Vergleich zu herkömmlichen Straßenfahrzeugantrieben. Tests unter realen Bedingungen zeigen jedoch, dass Hybridantriebe unter bestimmten Voraussetzungen keine Vorteile in Hinblick auf den Verbrauch haben oder sogar höhere Verbräuche und damit verbunden höhere Emissionen aufweisen. Die in Hybridfahrzeugantriebe eingesetzten elektrischen Maschinen sollen große Drehmomente bei kleinen Drehzahlen bzw. im Stillstand des Fahrzeugs produzieren und durch Feldschwächung in der Lage sein hohe Drehzahlbereiche bei reduzierter Leistung bzw. im Leerlauf zu erreichen. In der Mehrzahl werden in Hybridfahrzeugantrieben permanenterregte Synchronmaschinen (PMSM) verwendet. Diese Maschinen haben geringe Verluste und damit gute Wirkungsgrade in den erstgenannten Betriebspunkten. In der zweiten Betriebsart jedoch produzieren sie beträchtliche und unvermeidbare Verluste durch den für Feldschwächung benötigten Strom. In dieser Arbeit wird eine permanenterregte Synchronmaschine für Hybridfahrzeugantriebe untersucht bei deren Entwurf das Hauptaugenmerk auf der Fähigkeit zur Feldschwächung liegen soll. Diese verbesserte Feldschwächung soll vor allem zur Reduktion der Verluste im Teillast- und Leerlaufbereich (Schleppverluste) eingesetzt werden. Die PMSM wird durch ein spezielles Induktivitätsverhältnis Ld/Lq gekennzeichnet, das im Gegensatz zu den sonst üblichen Motoren in elektrischen Fahrzeugantrieben größer als Eins ist. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit auf diese Art ausgelegte Maschinen über weite Bereiche mit einem hohen Leistungsfaktor zu betreiben, was zu einer weiteren Reduktion der Verluste beiträgt. Die aktuell angewandte Strategie zur Regelung von PMSM geht davon aus, dass die Verluste im gesamten elektrischen Antriebsstrang genau dann minimal sind wenn ein Minimum für den Strom für ein gegebenes Moment eingestellt wird. Dies muss bei unsymmetrischen PMSM keinesfalls so sein, da speziell im Teillastbetrieb bei hohen Drehzahlen Ummagnetisierungsverluste eine wesentliche Rolle spielen. Daher wird eine Verlustanalyse durchgeführt um Punkte minimaler Verluste bei gefordertem Drehmoment und gegebener Drehzahl zu finden. Dies wird durch Berechnung der Verluste getrennt in Stator und Rotor durchgeführt. Mit Kenntnis dieser Punkte wird eine Regelungsstrategie entwickelt, die die PMSM immer verlustoptimiert ansteuert.show moreshow less
  • Hybrid electric vehicle (HEV) are considered to reduce energy consumption, air pollution and the output of greenhouse gas. Fuel consumption measured accordingly to standardized driving cycles do show advantages compared with regular propulsion systems. Tests under more realistic scenarios find disadvantages for fuel consumption and therefor for air pollution of HEV under certain circumstances. Electrical machines for hybrid electrical vehicle have on one hand to be able to produce high torque atHybrid electric vehicle (HEV) are considered to reduce energy consumption, air pollution and the output of greenhouse gas. Fuel consumption measured accordingly to standardized driving cycles do show advantages compared with regular propulsion systems. Tests under more realistic scenarios find disadvantages for fuel consumption and therefor for air pollution of HEV under certain circumstances. Electrical machines for hybrid electrical vehicle have on one hand to be able to produce high torque at low speeds or standstill. On the other hand shall be capable by field weakening to reach high speeds with reduced power or in idling mode. Most of the machines utilised these days are permanent magnet synchronous machines. This kind of machine has good efficiency and low losses at lower speeds and high torque. At high speeds and low or no torque they produce a considerable and inevitable amount of losses due to the necessary field weakening current. A permanent magnet synchronous machine for hybrid electrical vehicle is under investigation in this paper. The focus of the machine design has been set to the ability to weaken the magnetic field. This ability shall reduce the idling losses. The PMSM is qualified by a special ratio of direct and quadrature inductivity, which is in contrast to nowadays used PMSM in HEV, greater than one. This attribute enables a control strategy to be applied which keeps the power factor close to one, reducing the losses furthermore. The current control strategy for PMSM is based on the assumption, that losses in the electrical part of the drive line are minimised when the ratio torque per ampere is highest. This hasn’t necessarily to be true for PMSM with a above discussed ratio of inductivities, as the magnetising losses in these machines gain impact at high speeds and low power. For this reason the losses of the machine are analysed to find the minimal losses at a desired amount of torque and a given speed. The investigation of losses is conducted separately for stator and rotor of the machine. The knowledge of these points of operation mode is used to gain a control strategy for PMSM to minimise losses in the complete operating range.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Uwe Vollmer
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37548
Advisor:Prof. Dr.-Ing. Uwe Schäfer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/11/28
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2012/06/29
Release Date:2012/11/28
Tag:Antriebsregelung; EV; HEV; Maschinenentwurf; Verlustberechnung
electric vehicle; hybrid electric vehicle; loss calculation; machin design; machine control
Institutes:Institut für Energie- und Automatisierungstechnik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)