12. Elektroantriebe (EV I) Flashcards by Olaf K

Warum ist die Elektrifizierung so wichtig aus Sicht der Hersteller?

Abgabe bei Nichteinhaltung der CO2-Ziele der EU:

Seit 2019: 95€ pro g/km und pro neu zugelassenem Fahrzeug

(Folie 3 ansehen!!)

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Erstes Elektrofahrzeug von Porsche Weltausstellung Paris 14.April 1900

Pmax = 2 x 7PS
Maximale Geschw. = 50km/h
Reichweite 50km

(Folie 6)

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Diverse Bilder und Beispiele, Historie E-Fahrzeuge.

Folien 7-12

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Tesla Roadster: 2008-2012

Mit dem Erfolg des Tesla Roadster begann die derzeitige E-Mobilitätswelle.
—> Folie 13

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Kleine leichte Fahrzeuge brauchen nicht so viel Power, um schnell loszufahren.
Sie werden außerdem meistens in der Stadt benutzt, sodass sie hauptsächlich schnell losfahren müssen und nicht hohe Spitzengeschwindigkeiten wie auf der Autobahn benötigen.
—> Batterie muss entsprechend auch nicht so groß sein!

(Siehe FOlie 16)

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Tesla Model S - Folie 18

StreetScooter (DHL-Group) - Folie 19+20

E-Go MObile AG (aus einem Forschungsprojekt der RWTH Aachen) - Folie 21

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Nenne die Komponenten für einen E-Antrieb! (7)

E-Maschine und Getriebe

Leistungselektronik

Traktionsbatterie und Batteriemanagement

E-Heizung

E-Klima/Klimaprozessor

(FOLIE 22!)

E-Bremskraftverstärker

Hochvoltleitungen

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Grundfunktionen der Leistungselektronik

Stromrichter sind Einrichtungen zum Umformen elektrischer Energie unter Verwendung von Leistungshalbleitern.

Bei der Kupplung von Wechsel- und Gleichstromsystemen ergeben sich hierbei 4 Grundfunktionen: ??

Gleichrichten

Wechselrichter

Gleichstrom-Umrichter

Wechselstrom-Umrichter

(siehe Symbole Folie 23)

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?(1)? sind Einrichtungen zum Umformen ?(2)? unter Verwendung von ?(3)?.

(1) Stromrichter
(2) elektrischer Energie
(3) Leistungshalbleitern

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?? ist die Umformung von Wechselstromenergie in Gleichstromenergie (Energiefluss vom Wechselstromsystem zum Gleichstromsystem)

Gleichrichten

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?? Ist die Umformung von Gleichstromenergie in Wechselstromenergie (Energiefluss von Gleichstromsystem zum Wechselstromsystem)

Wechselrichten

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?(1)? ist die Umformung von Gleichstromenergie mit gegebener Spannung und Polarität in Gleichstromenrgie mit anderer Spannung und Polarität. Man spricht vom ?(2)? bzw. ?(3)?

(1) Gleichstrom-Umrichten
(2) Gleichspannungswandler
(3) Gleichstrom-Umrichter

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?(1)? ist die Umformung von Wechselstromenergie mit gegebener Spanung, Frequenz und Phasenzahl in Wechselstromenergie mit anderer Spannung, Frequenz und Phasenzahl.

Man spricht von einem ?(2)?- bzw. ?(3)?

(1) Wechselstrom-Umrichten
(2) Wechsel-Umrichter
(3) Drehstrom-Umrichter

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Grundfunktionen der Leistungselektronik

—> Schaubild FOLIE 24!

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Wechselstrom-Umrichten ist die Umformung von Wechselstromenergie mit gegebener ?(1)?, ?(2)? und ?(3)? in Wechselstromenergie mit anderer ?(1)?, ?(2)? und ?(3)?.

(1) Spanung
(2) Frequenz
(3) Phasenzahl

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Gleichstrom-Umrichten ist die Umformung von ?(1)? mit gegebener ?(2)? und ?(3)? in ?(1)? mit anderer ?(2)? und ?(3)?.

(1) Gleichstromenergie
(2) Spannung
(3) Polarität

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Die ?(1)? formt die bereitgestellte elektrische Energie in die vom Verbraucher benötigte Form um. Diese Umwandlung erfolgt ?(2)? durch den Einsatz ?(3)?.

(1) Leistungselektronik
(2) verlustarm
(3) elektronischer Schalter

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Mittels der vier Grundfunktionen kann die bereitgestellte elektrische Energie in die gewünschte elektrische Energie umgeformt werden.

(Gleichrichten, Gleichstrom-Umrichten, Wechselstrom-Umrichten, Wechselrichten)

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Wie sieht ein Elektroatriebsstrang beispielsweise aus? (Eine von vielen Möglichkeiten)

Siehe FOlie 25

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Elektrische Maschinen: Übersicht

Elektrische Maschinen können grundsätzlich unterteilt werden in?

Gleichstrom-Moto (GM)

Wechselstrommotor

Drehfeldmaschine

(Weitere Unterteilung Folie 26)

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Elektrische Maschinen: Übersicht

Wie können Drehfeldmaschinen unterteilt werden? (3)

Asynchron-Maschine (ASM)

Synchron-Maschine (SM)

Mischformen

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Welche Elektrischen Maschinen sind für derzeitige E-Fahrzeuge relevant? (2)

Asynchron-Maschine (ASM)

Synchron-Maschine (SM)

(Beides Drehfeldmaschinen)

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Nenne Formen der Synchron-Maschine (SM)! (3)

Fremderregte Synchron-Maschine

Permanenterregte Synchron-Maschine (PM)

Geschaltete Reluktanz-Maschine (SRM)

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Arbeitsquadranten einer E-Maschine

Kennfeld von einer E-Maschine

Meistens schaut man sich nur den Quadrenten mit positiver Drehzahl und positiven Drehmoment an. Das ist auch der Bereich wo der Verbrennungsmotor immer drin liegt.

Man darf aber nicht vergessen, dass es auch die Möglichkeit gibt ein negatives Drehmoment zu haben (Generatorbetrieb)
—> also z.B. wenn man rekuperativ Bremsen möchte

E-Maschine hat auch die Möglichkeit rückwärts zu laufen (anders als ein Verbrennungsmotor). Also negative Drehzahl und negatives Drehmoment.

FOLIE 27 ANSEHEN UND DURCHLESEN!!! (Wichtig zu verstehen)

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Oberhalb einer bestimmten Drehzahl muss aus ?(1)? Gründen die ?(2)? beschränkt werden, so dass das ?(3)? über der ?(4)? absinkt.

(1) thermischen (2) Leistung (3) Drehmoment (4) Drehzahl

Oberhalb einer bestimmten Drehzahl muss aus thermischen Gründen die Leistung beschränkt werden, so dass das Drehmoment über der Drehzahl absinkt. Beschreibt welchen Bereich?

Feldschwächebereich

Der größte Teil der Eingangsleistung wird in ?(1)? umgewandelt und somit hat die E-Maschine einen sehr hohen ?(2)?.

(1) Wellenleistung (mechan. Leistung) | (2) effektiven Wirkungsgrad

Verluste einer E-Maschine Welche Verluste können auftreten? (3)

Kupferverluste Eisenverluste Reibungsverluste

??: Erwärmung der Leiter infolge des Stromflusses durch die Maschine

Kupferverluste

Verluste aufgrund der ständigen Ummagnetisierung einzelner Bauteile. Wie nennt man diese Verluste?

Eisenverluste

Reibungsverluste treten bei der E-Maschine z.B. wo/wodurch auf? (2)

In der Lagerung zwischen Stator und Läufer Bei der Kühlung

Die Verluste sind bei der E-Maschine deutlich kleiner als beim Verbrennungsmotor Wahr/Falsch?

Wahr

Asynchronmaschinen werden sehr häufig eingesetzt, weil sehr einfach aufgebaut und sehr wartungsarm. Wahr/Falsch?

Wahr

Asynchronmaschinen gehören zu den ?(1)?. In ihrem Ständer (Stator) sind drei ?(2)? so angeordnet, dass sich bei entsprechender Ansteuerung ein ?(3)? ausbildet. Der ?(4)? besteht aus einzelnen Leitern, die parallel zur ?(5)? verlaufen und entweder an ihren Enden miteinander ?(6)? sind (= ?(7)?) oder aber den auftretenden Strom über ?(8)? abführen.

(1) Drehstrommaschinen (2) Spulen (3) magnetisches Drehfeld (4) Läufer (5) Drehachse (6) kurzgeschossen (7) Kurzschlussläufer (8) Schleifringe

Asynchronmaschinen Bei Verwendung eines ?(1)? tritt lediglich an dessen Lagerung Verschleiß auf, so dass der Motor dementsprechend ?(2)? ist. Im motorischen Betrieb ?(3)? das magnetische Drehfeld in den ?(4)? des Laufers eine ?(5)?, die einen ?(6)? zur Folge hat. Aus dem Zusammenwirken des ?(6)? mit dem ?(7)? bildet sich das ?(8)?, so dass der ?(9)? sich dreht. Die Drehzahl des Drehfeldes (nFeld) ergibt sich dabei aus der ?(10)? und der Anzahl der ?(11)?

(1) Kurzschlussläufers (2) langlebig (3) induziert (4) Leitungen (5) Spannung (6) Stromfluss(es) (7) Magnetfeld (8) Drehmoment (9) Läufer (10) Ansteuerfrequenz (fAnsteuer) (11) Polpaare im Ständer (p)

Asynchronmaschine Wie berechnet sich die Drehzahl des Drehfeldes (nsubFeld)?

nsubFeld = fsubAnsteuer / p fsubAnsteuer: Ansteuerfrequenz p: Anzahl der Polpaare im Ständer

Asynchronmaschine Der Läufer kann prinzipbedingt die ?(1)? nicht erreichen, sondern weicht, je nach Belastung, von dieser ab. Die Abweichung der Läuferdrehzahl (nLäufer) von der Drehzahl des Feldes (nFeld) wird als ?(2)? bezeichnet.

(1) Drehzahl des Feldes | 2) Schlupf (s

Asynchronmaschine Wie berechnet man den Schlupf (s) (bzw. die Abweichung der Läuferdrehzahl (nsubLäufer) von der Drehzahl des Feldes (nsubFeld)) ?

Schlupf (s) = ((nsubFeld - nsubLäufer) / nsubFeld)*100 —> in %!

Asynchronmaschine Bei Stillstand des Läufers und gleichzeitig drehendem Feld ergibt sich für den Schlupf: s = ??

s = 100 (%)

Asynchronmaschine Im Leerlauf, das heißt bei ?(1)?, entspricht die Drehzahl des Läufers fast der des ?(2)?: Der Schlupf erreicht also annähernd ?(3)? %.

(1) lastfreiem Betrieb (2) Drehfeldes (nLäufer) (3) 0%

Die Drehzahl einer Asynchronmaschine kann prinzipiell durch was variiert werden? (4)

Ändern der Polpaaranzahl (p) Variation der Ansteuerfreuquenz (fsubAnsteuer) Variation der Spannung Bei den Schleifringläufern zusätzlich durch: Variation der Widerstände im Läuferkreis

Synchronmaschine: Polradwinkel bei Leerlauf, Motorbetrieb und maximalem Drehmoment Synchronmaschinen gehören zu den ?(1)?. Der Stator ist vom Aufbau her identisch mit dem der Asynchronmaschine, lediglich der ?(2)? unterscheidet sich: Er besteht aus einem ?(3)?. Die einzelnen Polpaare können dabei entweder durch einen ?(4)? oder durch einen ?(5)? erzeugt werden. —> siehe Aufbau Folie 30!

(1) Drehstrommaschinen (2) Läufer (3) Polrad (4) Dauermagneten (5) Elektromagneten

Die permanenterregte Synchronmaschine (PSM) bietet den Vorteil, dass bei ihr ?(1)? im ?(2)? entstehen und die Maschine ?(3)? ist, was einen ?(4)? und eine ?(5)? zur Folge hat. Jedoch sind die notwendigen magnetischen Werkstoffe ?(6)?. Im Betrieb dreht sich der Läufer mit derselben Drehzahl wie ?(7)?, also ?(8)? zu ihm.

(1) keine Verluste (2) Rotor (3) verschleißarm (4) hohen Wirkungsgrad (5) hohe Leistungsdichte (6) sehr teuer (7) das Drehfeld des Stators (8) synchron

Synchronmaschine Wie berechnet sich die Synchrondrehzahl (nsubsyn)?

nsubsyn = fsubAnsteur / p fsubAnsteuer: Ansteuerfreuquenz p: Anzahl der Poolpare

Synchronmaschine Je nach Belastung hinkt der Läufer dem Statordrehfeld um ?(1)? hinterher. Beim Überschreiten des maximalen Drehmoments, dem sogenannten ?(2)? passiert was? ?(3)?

(1) den Polradwinkel αsubPol (2) Kippmoment MsubKipp (3) Wirksystem der Maschine bricht zusammen, und sie läuft unkontrolliert bei hoher Stromaufnahme weiter.

Nenne Vorteile der permanenterregten Synchronmaschine (PSM)! (4)

Vorteile: - keine Veruste im Rohr - Maschine verschleißarm - hoher Wirkungsgrad (durch obere Vorteile) - hohe Leistungsdichte (durch obere Vorteile)

Nenne einen Nachteil der permanenterregten Synchronmaschine (PSM)!

Notwenigen magnetischen Werkstoffe sind sehr teuer!

Reluktanzmaschine ist eine Synchronmaschine, aber mit einem bisschen anderen Prinzip. Wahr/Falsch?

Wahr

Reluktanzmaschine | —> siehe Aufbau Folie 31!

…

Reluktanzmaschinen nutzen welches Prinzip?

Prinzip des geringsten magnetischen Widerstandes

Reluktanzmaschinen Der Ständer besteht aus ?(1)?, die über eine ?(2)? gezielt zu – und abgeschaltet werden und so ein ?(3)? erzeugen. Der Läufer besteht entweder aus einem ?(4)?Werkstoff oder aus einem an seinem Umfang ?(5)? Werkstoff. Wird über die Spulen im Ständer ein ?(6)? erzeugt, so richtet sich der Läufer derart aus, dass der magnetische Widerstand ?(7)? wird.

(1) diversen Spulen (2) Leistungselektronik (3) schaltbares Magnetfeld (4) weichmagnetisierten (5) abwechselnd magnetisierten (6) Magnetfeld (7) minimal (weil Prinzp des geringsten magn. Widerstandes bei dieser Maschine)

Die geschaltete Reluktanzmaschine ist eine Bauform der Reluktanzmaschine. Das Leistungsgewicht liegt ?(1)? dem einer Asynchronmaschine außerdem treten prinzipbedingt ?(2)? auf.

(1) unter | (2) Geräusche

Das Prinzip der Reluktanzmaschine lässt sich unter anderem mit dem einer ?? kombinieren, um so die Vorteile beider Maschinen zu nutzen

Synchronmaschine

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile | —> Fülle Übersicht Folie 32 aus!!!

…

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die Asynchronmaschine (mit Kurzschluss Läufer) hat ihre Vorteile bei welchen Aspekten? (9)

Lebensdauer (++) funktionale Sicherheit (++) Fertigungskosten (+) Genauigkeit (+) Überlastfähigkeit (+) Akustik (+) Rotorsensor (+) Temperatur - Stator (+) Temperatur - Rotor (+)

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die Asynchronmaschine (mit Kurzschluss Läufer) hat ihre Nachteile bei welchen Aspekten? (2)

Nachteile: - Wirkungsgrad (-) - Regelungsaufwand (-) —> beides Sachen die beim Fahrzeug aber durchaus wichtig sind, ansonsten ist die Maschine in allen Aspekten ziemlich vorteilhaft aber!

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die Permantenerregte Synchronmaschine (PSM) hat ihre Vorteile in welchen Aspekten? (3)

Vorteile: Wirkungsgrad (+) Bauraum - Leistung (+) Temperatur - Stator (+)

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die Permantenerregte Synchronmaschine (PSM) hat ihre Nachteile in welchen Aspekten? (7)

Nachteile: - Fertigungskosten (- -) - Temperatur - Rotor (- -) - funktionale Sicherheit (- -) - Rotorsensor (-) - Akustik (-) - Überlastfähigkeit (-) - Regelungsaufwand (-)

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die Reluktanzmaschine hat ihre Vorteile in welchen Aspekten? (6)

Vorteile: - Temperatur - Rotor (++) - Ferigungskosten (++) - Lebensdauer (++) - Temperatur - Stator (+) - funktionale Sicherheit (+) - Überlastfähigkeit (+)

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die Reluktanzmaschine hat ihre Nachteile in welchen Aspekten? (6)

Nachteile: - Regelungsaufwand (- -) - Akustik (- -) - Bauraum - Leistung (-) - Rotorsensor (-) - Wirkungsgrad (-) - Genauigkeit (-)

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die fremderregte Synchronmaschine hat ihre Vorteile in welchen Aspekten? (3)

Vorteile: - Temperatur - Stator (+) - funktionale Sicherheit (+) - Überlastfähigkeit (+)

Elektrische Maschinen: Vor- und Nachteile Die fremderregte Synchronmaschine hat ihre Nachteile in welchen Aspekten? (4)

Nachteile: - Regelungsaufwand (- -) - Temperatur - Roter (-) - Rotorsensor (-) - Feritungskosten (-)

Elektromotor: Grenzen und Wirkungsgradkennfeld Mehr ?(1)? gibt im kostanten Drehmomentbereich mehr Leistung. Erhöhung ?(2)? erhöht im Feldschwächebereich die Leistung

(1) Stromstärke (allerdings irgendwann limitiert) (2) der Spannung (wenn Stromstärke begrenzt) —> Folie 33 ansehen!

Elektromotor: Grenzen und Wirkungsgradkennfeld SIEHE FOLIE 33 an, um zu sehen wo beste Wirkungsgrade vorliegen!

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Durch was ist die maximale Stromstärke begrenzt?

Umrichter

Die gewählte Systemspannung begrenzt was?

die maximale Leistung der E-Maschine

Eine variable Systemspannung erlaubt was?

Eine Optimierung des Wirkungsgrades

Ein großer Vorteil einer E-Maschine ist, dass man sie überlasten kann. Wahr/Falsch?

WAHR | Die E-Maschine kann teilweise bis auf das 4fache überlastet werden!

Folie 34 Überlastfähigkeit von E-Maschinen ansehen und durchlesen !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Wenn man eine spezifische E-Maschine nimmt und diese skalieren (größer machen bzw. Dauerleistung erhöhen) will, dann kann man was machen? (2)

Rotordurchmesser erhöhen —> Fläche steigt mit dem Durchmesser quadratisch und somit steigt die Leistung auch nahezu quadratisch Blechpaketlänge erhöhen —> linearer Zusammenhang (weil Volumen wird linear größer wenn man die Länge erhöht) FOLIE 35 dazu ansehen!!!

E-Maschine: Dauerleistung in Abhängigkeit der Baulänge und des Durchmessers —> siehe Folie 35!!

…

Charakteristische Wirkungsgradkennfelder Synchronmaschine und Asynchronmaschine sind im Wirkungsgrad unterschiedlich. Die ?? ist besser! Grund: Bei der Synchronmaschine ist in einem ziemlich großen Kennfeldbereich noch ein Wirkungsgrad von 90% (Wirkungsgrad in % vom Bestpunkt!!, nicht allgemeiner Wirkungsgrad) erreichbar. Bei der Asynchronmaschine ist dieser Bereich deutlich kleiner. Ein Abfall beginnt schon bei höheren Drehzahlen als es bei der Synchronmaschine der Fall ist. —> SIEHE FOLIE 36!!!!!

Synchronmaschine

Getriebe und E-Maschine am Beispiel VW e-Golf 2016 Folie 37 ansehen!

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Leistungselektronik am Beispiel VW e-Golf 2016 —> siehe Folie 38!!

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Eckdaten Entwicklung eines E-Fahrzeuges am Beispiel Nissan Leaf (Folie 39) AUDI e-tron (Folie 40+41)

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Audi e-tron: hoch integrierte Antriebseinheit APA 250 Folie 42+43!

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Leistungselektronik für E-Antriebe am Beispiel AUDI APA250 Folie 44

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AUDI e-tron: Aufbau des Stators —> Folie 45! Die Hauptvorteile für den Einsatz von Asynchronmaschinen (ASM) sind: ?? (4)

Hauptvorteile: - kein Einsatz von Seltenen Erden und damit kein Rohstoff-Risiko beim Rotor - die ASM hat keine Schleppverluste, wenn sie an einer Achse aufgrund der Betriebsstrategie „leer“ mitläuft - Baukasten-Strategie mit gleichen E-Maschinen an Vorder- und Hinterachse - die Asynchronmaschine weist geringere Einzelkosten auf als PSM und FSM

AUDI e-tron: Aufbau des Rotors | —> FOLIE 46!

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Audi e-tron: Leistungs- und Drehmomentkurve des APA 250 Nochmal gezeigt der Vergleich zwischen Dauerleistung und kurzen Überbelastungen (Peak-Leistungen) im Drehzahl-Drehmoment-Diagramm. FOLIE 47!

Anforderungen an die Kühlung von Verbrennungsmotoren und E-Maschinen —> siehe Folie 48!

Anforderungen an die Kühlung von Verbrennungsmotoren und E-Maschinen 1) Einfluss der Kühlung auf die Performance beim Verbrennungsmotor? 2) Einfluss der Kühlung auf die Performance bei der E-Maschine?

1) moderat | 2) sehr stark

Anforderungen an die Kühlung von Verbrennungsmotoren und E-Maschinen 1) max. Wärmestrom /Temperaturgrenze beim Verbrennungsmotor? 2) Einfluss der Kühlung auf die Performance bei der E-Maschine?

1) ca. 100kW (Aluminium-Zylinderkopf) 2) ca. 10kW (Stator-Isolationssystem/Rotor-Kurzschlusskräftig) (bei Verbrennungsmotor deutlich höherer Wärmestrom abzuführen)

Anforderungen an die Kühlung von Verbrennungsmotoren und E-Maschinen 1) Wäremübertragung beim Verbrennungsmotor? 2) Wärmeübertragung bei der E-Maschine?

1) Konvektion dominierend | 2) komplexer Mechanismus aus Wärmeleitung, Wärmekontakten, Konvektion Luft/Wasser

Anforderungen an die Kühlung von Verbrennungsmotoren und E-Maschinen 1) Wäremleitung beim Verbrennungsmotor? 2) Wärmeleitung bei der E-Maschine?

1) weitgehend isotrop 2) stark anisotrop (richtungsabhängig) (von der Anordenung der Bleche, Wicklungen abhängig) —> vorher beim Auslegen/Durchrechnen zu beachten

Anforderungen an die Kühlung von Verbrennungsmotoren und E-Maschinen Simulation ist bei der E-Maschine deutlich aufwendiger (was die Kühlung angeht). Wahr/Falsch?

Wahr

Baukasten für E-Antriebe am Beispiel VW MEB Entworfen als Plattform, um verschiedenste Fahrzeuge drauf bauen zu können. Soll Kosten sparen, indem man viele gleiche Teile hat. Hochvoltbatterie im Boden für geringen Schwerpunkt. Hinterachsantrieb und Vorderachsantrieb. Bei Fahrzeug mit geringer Leistung kann auch ein Antrieb dann weggelassen werden. Siehe Folie 49

…

E-Hinterachsantrieb für den Baukasten MEB von VW Der Pulswechselrichter ist eine Symbiose aus der Tiefsetzstellerschaltung und der Hochsetzstellerschaltung. [...] Dieser setzt die Eingangsgleichspannung in eine dreiphasige Ausgangsspannung mit veränderlicher Amplitude, Phase und Frequenz um. Die Energierichtung kann umgekehrt werden. [...] —> Folie 50!!

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Technische Daten der E-Antriebe des MEB Folie 51–> Text lesen!!

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Radnarbenantrieb —> Folie 52 ansehen —> hat sich bei PKW‘s nicht durchgesetzt!

E-Achsantrieb für Nutzfahrzeuge von Ziehl Abegg Folie 53+54!

12. Elektroantriebe (EV I) Flashcards

(91 cards)