%0 Thesis %1 Schuster.25.05.2018 %A Schuster, Sven %C Stuttgart %D 2018-05-25 %E Echle, Andreas %I Institut für elektrische Energiewandlung %K 800V Getriebe Kraftfahrzeug Leistungselektronik PMSM Rotoraufbau Sensitivit{\"a}tsanalyse SiC Verbrauch Wirkungsgrad Wirkungsgradkennfeld iew_stua_em %T Aufzeigen und Bewerten der Optimierungspotentiale des elektrischen Antriebsstrangs: Identification and evaluation of the optimization potentials of the electric powertrain %X In dieser Arbeit werden Optimierungspotentiale für elektrische Antriebstränge vorgestellt und technisch sowie wirtschaftlich analysiert. Es wird dabei den Fragen nachgegangen, ob mehrgänge Getriebe in elektrischen Antriebssträngen sinnvoll sind, welche besseren Rotorblechschnitte es gibt, welche Vorteile ein SiC-MOSFET Inverter bereithält und wie sich eine doppelte so hohe Zwischenkreisspannung von 800V auf das System auswirkt. Für die Verbrauchsauswertung wird dabei der WLTC Fahrzyklus mit einem zukünftigen Fahrzeug von Mercedes Benz verwendet. Für die wirtschaftliche Betrachtung werden die Einkaufspreise der Komponenten sowie der im Konzern aufgestellte Bonus/Malus Kostenfaktor für die Förderung effiziente Systeme verrechnet. Für die Untersuchung wird die E-Maschine in ihrem Durchmesser, Länge und Windungszahl skaliert. Dazu werden Invertermodelle mit verschiedenen maximalen Phasenströmen und Leistungshalbleitern auf die E-Maschinenmodelle erstellt. Die weit über 1000 E-Maschinen mit Inverter bilden den ED-Konzeptepool. Jedes dieser ED-Konzepte wird mit einem synthetisch erstellten Getriebemodell kombiniert. Anschließend erfolgt eine Sensitivitätsanalyse um die prinzipiellen Abhängigkeiten der Parameter physikalisch aufzuzeigen. In dem Kapitel 5 werden dann die besten Konzepte mit ihren Parametern gefiltert und die eingangs erwähnten Fragestellungen beantwortet. Für die bessere Veranschaulichung wird ein Referenzsystem aufgestellt, dass den herkömliche verwendeten Systemen entspricht. Unter der Verwendung von Zweiganggetrieben kann dabei ein Verbrauchsvorteil von durchschnittlich über 4\% eingespart werden. Die Systemkosten, unter Berücksichtigung des Bonus/Malus für den Wirkungsgrad, kann dabei um mindestens 12\% gesenkt werden. SiC-MOSFET Inverter sparen, im Gegensatz zu den Si-IGBT Invertern, im Schnitt über 5\% des Verbrauchs ein. Sie bieten damit das größte Einsparpotential. Aufgrund des hohen Anschaffungspreis schafft diese Technologie jedoch keine Systemkosteneinsparung. Unter Verwendung von Mehrganggetriebe kann jedoch eine Preisgleichheit erreicht werden, da diese Techniken sich gegenseitig begünstigen. Eine weitere große Kostensenkung wird mit der Zwischenkreisspannung auf 800V erreicht. Da nur der halbe Strom für dieselbe Leistung benötigt wird, können die Anzahl teurer SiC Halbleiterchips halbiert werden. Dadurch können rund 20\% der Systemkosten reduziert werden. Außerdem arbeitet der SiC-Inverter durch die Stromsenkung effizienter und holt in den hier betrachteten Systemen, trotz Kupferverlusterhöhung wegen Füllfaktorreduzierung, sogar eine geringe Verbrauchsverbesserung. Außerdem wird ein alternativer Blechschnitt vorgestellt, der im Eingangbetrieb rund 1,0\% und im Mehrgangbetrieb 0,3\% Verbrauchsverbesserung und damit auch Kosteneinsparungen bereithält. Kombiniert man alle Optimierungen miteinander, bestehend aus Zweiganggetriebe, SiC-MOSFET Inverter bei 800V und dem alternativen Rotorblechschnitt, entstehen Systeme mit maximalen Verbrauchs und Kosteneinsparungen. Wird nach dem besten Verbrauch optimiert können bis zu 10,8\% Verbrauch zum Referenzsystem eingespart werden. Das entspricht einer Verlustreduzierung um 45\%. Wird nach den Systemkosten, unter Verwendung des Bonus/Malus, optimiert können bis zu 32\% der Kosten eingespart werden bei rund 10,6\% Verbauchseinsparung. Das entspricht einer Verlustreduzierung um rund 44\%.Für die Anwendung der vorgestellten Optimierungen müssen diese Techniken für die Anwendung im Fahrzeug abgesichert werden. Wegen der hohen Schaltgeschwindigkeiten von SiC-MOSFET und 800V Zwischenkreisspannung müssen die Isolationsmaterialien in der E-Maschinen angepasst werden. Die Mehrganggetriebekonzepte müssen per Mittelschnitt und Verlustanalyse überprüft werden. Außerdem müssen weitere Blechschnitte entwickelt werden. Diese sollten entweder das Eingangsystem so effizient gestalten, dass ein Mehrganggetriebe nicht notwendig ist oder Mehrgangblechschnitte die weitere Verlusteinsparungen bereithalten. %Z Masterarbeit

@mastersthesis{Schuster.25.05.2018, abstract = {In dieser Arbeit werden Optimierungspotentiale f{\"u}r elektrische Antriebstr{\"a}nge vorgestellt und technisch sowie wirtschaftlich analysiert. Es wird dabei den Fragen nachgegangen, ob mehrg{\"a}nge Getriebe in elektrischen Antriebsstr{\"a}ngen sinnvoll sind, welche besseren Rotorblechschnitte es gibt, welche Vorteile ein SiC-MOSFET Inverter bereith{\"a}lt und wie sich eine doppelte so hohe Zwischenkreisspannung von 800V auf das System auswirkt. F{\"u}r die Verbrauchsauswertung wird dabei der WLTC Fahrzyklus mit einem zuk{\"u}nftigen Fahrzeug von Mercedes Benz verwendet. F{\"u}r die wirtschaftliche Betrachtung werden die Einkaufspreise der Komponenten sowie der im Konzern aufgestellte Bonus/Malus Kostenfaktor f{\"u}r die F{\"o}rderung effiziente Systeme verrechnet. F{\"u}r die Untersuchung wird die E-Maschine in ihrem Durchmesser, L{\"a}nge und Windungszahl skaliert. Dazu werden Invertermodelle mit verschiedenen maximalen Phasenstr{\"o}men und Leistungshalbleitern auf die E-Maschinenmodelle erstellt. Die weit {\"u}ber 1000 E-Maschinen mit Inverter bilden den ED-Konzeptepool. Jedes dieser ED-Konzepte wird mit einem synthetisch erstellten Getriebemodell kombiniert. Anschlie{\ss}end erfolgt eine Sensitivit{\"a}tsanalyse um die prinzipiellen Abh{\"a}ngigkeiten der Parameter physikalisch aufzuzeigen. In dem Kapitel 5 werden dann die besten Konzepte mit ihren Parametern gefiltert und die eingangs erw{\"a}hnten Fragestellungen beantwortet. F{\"u}r die bessere Veranschaulichung wird ein Referenzsystem aufgestellt, dass den herk{\"o}mliche verwendeten Systemen entspricht. Unter der Verwendung von Zweiganggetrieben kann dabei ein Verbrauchsvorteil von durchschnittlich {\"u}ber 4{\%} eingespart werden. Die Systemkosten, unter Ber{\"u}cksichtigung des Bonus/Malus f{\"u}r den Wirkungsgrad, kann dabei um mindestens 12{\%} gesenkt werden. SiC-MOSFET Inverter sparen, im Gegensatz zu den Si-IGBT Invertern, im Schnitt {\"u}ber 5{\%} des Verbrauchs ein. Sie bieten damit das gr{\"o}{\ss}te Einsparpotential. Aufgrund des hohen Anschaffungspreis schafft diese Technologie jedoch keine Systemkosteneinsparung. Unter Verwendung von Mehrganggetriebe kann jedoch eine Preisgleichheit erreicht werden, da diese Techniken sich gegenseitig beg{\"u}nstigen. Eine weitere gro{\ss}e Kostensenkung wird mit der Zwischenkreisspannung auf 800V erreicht. Da nur der halbe Strom f{\"u}r dieselbe Leistung ben{\"o}tigt wird, k{\"o}nnen die Anzahl teurer SiC Halbleiterchips halbiert werden. Dadurch k{\"o}nnen rund 20{\%} der Systemkosten reduziert werden. Au{\ss}erdem arbeitet der SiC-Inverter durch die Stromsenkung effizienter und holt in den hier betrachteten Systemen, trotz Kupferverlusterh{\"o}hung wegen F{\"u}llfaktorreduzierung, sogar eine geringe Verbrauchsverbesserung. Au{\ss}erdem wird ein alternativer Blechschnitt vorgestellt, der im Eingangbetrieb rund 1,0{\%} und im Mehrgangbetrieb 0,3{\%} Verbrauchsverbesserung und damit auch Kosteneinsparungen bereith{\"a}lt. Kombiniert man alle Optimierungen miteinander, bestehend aus Zweiganggetriebe, SiC-MOSFET Inverter bei 800V und dem alternativen Rotorblechschnitt, entstehen Systeme mit maximalen Verbrauchs und Kosteneinsparungen. Wird nach dem besten Verbrauch optimiert k{\"o}nnen bis zu 10,8{\%} Verbrauch zum Referenzsystem eingespart werden. Das entspricht einer Verlustreduzierung um 45{\%}. Wird nach den Systemkosten, unter Verwendung des Bonus/Malus, optimiert k{\"o}nnen bis zu 32{\%} der Kosten eingespart werden bei rund 10,6{\%} Verbauchseinsparung. Das entspricht einer Verlustreduzierung um rund 44{\%}.F{\"u}r die Anwendung der vorgestellten Optimierungen m{\"u}ssen diese Techniken f{\"u}r die Anwendung im Fahrzeug abgesichert werden. 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