Prüfung und Leistungsangaben von Elektroautomotoren
Angaben zu Elektromotoren für Fahrzeuge sind nur dann aussagekräftig, wenn Systemgrenze, Dauer, Temperatur, Spannung und Betriebspunkt der Prüfung bekannt sind. Spitzenleistung, Dauerleistung, Motorwirkungsgrad, Wirkungsgrad der Antriebseinheit, Achsdrehmoment und Raddrehmoment beschreiben unterschiedliche Messgrößen und sind nicht gegeneinander austauschbar.
Zuerst die Messgrenze bestimmen
Ein Motor kann allein auf einem Dynamometer, zusammen mit seinem Wechselrichter, mit Untersetzungsgetriebe, als komplette Achse oder im Fahrzeug geprüft werden. Jede Systemgrenze umfasst andere Verluste.
Der Motorwirkungsgrad vergleicht die mechanische Wellenleistung mit der elektrischen Leistung an den Motorklemmen. Beim Wirkungsgrad von Motor und Wechselrichter beginnt die Betrachtung am Gleichstromeingang des Wechselrichters. Der Wirkungsgrad der Antriebseinheit kann zusätzlich Zahnräder, Differential, Lager, Dichtungen, Schmierpumpen und die Steuerungsleistung umfassen. Der Wirkungsgrad von der Batterie bis zum Rad schließt noch mehr ein: Batteriewiderstand, Kabel, Schütze, Nebenaggregate, Reifen und weitere Verbraucher im Fahrzeug.
Zwei Ergebnisse mit demselben Prozentwert sind erst vergleichbar, wenn ihre Eingangs- und Ausgangsgrenzen übereinstimmen. Auch die Richtung ist wichtig, da Motorbetrieb und Rekuperation mit unterschiedlichen Strom-, Spannungs- und Verlustbedingungen einhergehen.
Drehmoment, Drehzahl und Leistung
Die Wellenleistung ist das Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit:
power = torque × rotational speed
Ein hohes Drehmoment bei Drehzahl null erzeugt in diesem Moment keine mechanische Leistung. Mit steigender Drehzahl im Konstantdrehmomentbereich nimmt die Leistung zu. Oberhalb der Grunddrehzahl erzwingen Spannungs- und Gegen-EMK-Grenzen gewöhnlich ein sinkendes Drehmoment, sodass ein annähernder Konstantleistungsbereich entsteht.
Ein Dynamometer misst Wellendrehmoment und Drehzahl. Elektrische Messgeräte erfassen gleichzeitig Phasen- oder Gleichspannung und Strom. Präzise Wirkungsgradmessungen erfordern synchronisierte Messwerte, da ein kleiner Zeit- oder Kalibrierfehler bei hohem Wirkungsgrad den berechneten Verlust dominieren kann.
Das Motordrehmoment darf nicht mit dem Achs- oder Raddrehmoment verwechselt werden. Ein Untersetzungsgetriebe vervielfacht das Drehmoment näherungsweise entsprechend seiner Übersetzung und seinem Wirkungsgrad. Die Kraft am Rad hängt anschließend vom wirksamen Reifenradius ab.
Spitzen-, Dauer- und 30-Minuten-Leistung
Die Spitzenleistung ist die höchste unter festgelegten Bedingungen verfügbare Ausgangsleistung. Sie kann durch die Entladeleistung der Batterie, den Wechselrichterstrom, den Motorstrom, die Spannung, die Rotordrehzahl, die Reifenhaftung oder die Software begrenzt werden und nicht allein durch den Motor. Eine Spitzenangabe ohne Dauer und Anfangstemperatur sagt wenig über die Wiederholbarkeit aus.
Die Dauerleistung beruht auf einem thermischen Gleichgewicht: Die am Betriebspunkt erzeugte Wärme kann abgeführt werden, ohne dass die Temperaturen ihre Grenzwerte immer weiter überschreiten. Der Wert ändert sich mit Temperatur und Durchfluss des Kühlmittels, Umgebungsbedingungen, Öltemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und den Komponenten, die sich den Kühlkreislauf teilen.
Die UN-Regelung Nr. 85 definiert Verfahren für die Nutzleistung und die maximale 30-Minuten-Leistung elektrischer Antriebsstränge bei der Fahrzeugtypgenehmigung. Die Dreißig-Minuten-Leistung ist eine geregelte Messgröße und kein allgemeines Synonym für eine unbegrenzt verfügbare Dauerleistung. Auch die Fahrzeugbatterie kann die bei einer Gesamtfahrzeugprüfung erreichbare Leistung begrenzen.
Diese Definitionen erklären, warum ein Elektroauto mit einer hohen Beschleunigungsleistung werben kann, während in den Typgenehmigungsdaten eine deutlich niedrigere Dauer- oder 30-Minuten-Leistung ausgewiesen ist. Beide Angaben können korrekt sein.
Wirkungsgradkennfelder
Ein Motor hat nicht nur einen Wirkungsgrad. Ein auf dem Dynamometer erstelltes Kennfeld erfasst den Wirkungsgrad in einem Raster aus Drehzahl- und Drehmomentpunkten. Konturlinien zeigen, wo die Maschine am effizientesten ist und wie groß dieser Bereich ausfällt.
Bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment ist der Strom hoch und die Kupferverluste treten in den Vordergrund. Bei hoher Drehzahl und geringem Drehmoment können Eisen-, Luftreibungs- und Lagerverluste, Schaltverluste des Wechselrichters sowie der Feldschwächstrom dominieren. Nahe Drehmoment null sind feste Verluste im Verhältnis zur Nutzleistung groß. Der prozentuale Wirkungsgrad kann daher niedrig sein, obwohl der absolute Leistungsverlust gering ist.
Ein Wirkungsgradkennfeld sollte angeben:
- ob es den Motor, Motor und Wechselrichter oder die vollständige Antriebseinheit umfasst;
- Gleichspannung und Schaltbedingungen des Wechselrichters;
- Temperaturen und Durchfluss von Kühlmittel und Öl;
- Motorbetrieb, Rekuperation oder beides;
- Grenzen für maximales und kontinuierliches Drehmoment;
- ob Hilfspumpen und Steuergeräte einbezogen sind;
- Messunsicherheit und Interpolationsverfahren.
Der beste punktuelle Wirkungsgrad ist hilfreich, um das technische Potenzial zu beurteilen. Der Energiebedarf im Fahrzyklus hängt jedoch davon ab, in welchen Bereichen des Kennfelds das Fahrzeug tatsächlich arbeitet.
Thermische Prüfungen
Bei thermischen Prüfungen werden Sensoren in Wicklungen, Stator, Kühlmittel, Öl, Lagern, Wechselrichtermodulen und manchmal im Rotor platziert. Einige Temperaturen werden direkt gemessen, andere anhand des Widerstands, mit Beobachtermodellen oder kalibrierten Modellen bestimmt.
Stationäre Prüfungen ermitteln die Dauerleistungsfähigkeit. Transiente Prüfungen untersuchen, wie viel Spitzendrehmoment ausgehend von unterschiedlichen Anfangstemperaturen bereitgestellt werden kann und wie schnell sich das System erholt. Wiederholtes Beschleunigen, dauerhaft hohe Geschwindigkeit, Bergauffahrt, Anhängerbetrieb, Geländefahrt bei niedriger Geschwindigkeit und wiederholte Rekuperation belasten das System auf unterschiedliche Weise.
Welche Komponente am heißesten wird, kann sich mit dem Betriebspunkt ändern. Hoher Strom kann die Statorwicklungen oder Halbleiter begrenzen, während hohe Drehzahl die Rotormagnete, Lager, das Öl oder Elektroblech beanspruchen kann. Ein Steuerungssystem nutzt diese Modelle, um das Drehmoment zu reduzieren, bevor die Hardware eine schädliche Temperatur erreicht.
Mechanische und elektrische Grenzen
Überdrehzahlprüfungen verifizieren Rotor, Welle, Lager und Haltesysteme oberhalb der normalen Höchstdrehzahl mit einem geeigneten Sicherheitsabstand. Schleuderprüfungen können ohne elektromagnetische Belastung stattfinden, während kombinierte Dynamometerprüfungen Drehmoment und Wärme hinzufügen.
Elektrische Prüfungen umfassen Isolationswiderstand, Spannungsfestigkeit, gegebenenfalls Teilentladungen, Stoßspannungsverhalten, Phasenwiderstand, Induktivität, Gegen-EMK, Resolverabgleich und den Betrieb bei Spannungstransienten des Wechselrichters. Permanentmagnetmotoren müssen außerdem auf irreversible Entmagnetisierung und eine sichere Leerlaufspannung geprüft werden.
Dauerhaltbarkeitsprogramme ergänzen Schwingungen, mechanische Stöße, Temperaturwechsel, Feuchtigkeit, Salz, Kontakt mit Kühlmittel oder Öl, Verunreinigungen und wiederholte Drehmomentumkehrungen. Die Dauerhaltbarkeit von Zahnrädern und Lagern ist unverzichtbar, wenn das bewertete Produkt eine integrierte Antriebseinheit und nicht nur ein einzelner Motor ist.
NVH und Drehmomentqualität
Das mittlere Drehmoment kann eine Welligkeit verbergen. Hochauflösende Drehmomentmessungen und Ordnungsanalysen identifizieren elektromagnetische Harmonische, Rastmoment, Wechselrichtereinflüsse, Zahneingriff, Lagerfrequenzen und strukturelle Resonanzen.
Akustische Prüfungen nutzen Mikrofone, Beschleunigungsaufnehmer, Stromsonden und Drehzahlreferenzen, um hörbare Töne ihrer Anregungsordnung zuzuordnen. Prüfungen bei positivem Drehmoment, im Schubbetrieb, bei Rekuperation, verschiedenen Temperaturen und unterschiedlichen Schaltstrategien sind notwendig, da ein leiser Volllastpunkt die Innengeräusche bei geringer Last möglicherweise nicht vorhersagt.
Normen und Wiederholbarkeit
SAE J2907 enthält eine empfohlene Vorgehensweise zur wiederholbaren Leistungscharakterisierung von Motor-Antriebs-Subsystemen elektrifizierter Antriebsstränge. Die UN-Regelung Nr. 85 behandelt Typgenehmigungsmessungen für die Nutzleistung und die maximale 30-Minuten-Leistung. Diese Verfahren beantworten unterschiedliche Fragen.
Forschungslabore und Hersteller verwenden außerdem interne Methoden für Wirkungsgradkennfelder, thermische Grenzen, Dauerhaltbarkeit und NVH. Da es keinen universellen öffentlichen Test gibt, sollten veröffentlichte Ergebnisse nur dann als vergleichbar gelten, wenn Methode und Systemgrenze offengelegt sind.
Unabhängige Wiederholbarkeit erfordert kalibrierte Instrumente, stabilisierte Temperaturen, definierte Betriebsstoffe, eine Korrektur der Dynamometer- und Kupplungsverluste sowie eine ausreichende Verweilzeit. Die Angabe der Unsicherheit ist Teil des Ergebnisses, insbesondere beim Vergleich von Systemen, deren Wirkungsgrad sich nur um Zehntel eines Prozentpunkts unterscheidet.
Fahrzeugangaben richtig lesen
Prüfen Sie bei der Bewertung einer Angabe zu einem Elektroautomotor:
- Gilt der Wert für einen Motor, eine Achse oder das gesamte Fahrzeug?
- Handelt es sich um Leistung und Drehmoment an der Motorwelle, am Getriebeausgang oder am Rad?
- Ist die Leistung eine Spitzen-, 30-Minuten- oder Dauerleistung?
- Welche Batteriespannung und welcher Ladezustand standen zur Verfügung?
- Waren Motor und Batterie bereits warm?
- Umfasst der Wirkungsgrad Wechselrichter, Getriebe, Pumpen und Nebenaggregate?
- Handelt es sich um einen einzelnen Betriebspunkt oder das Ergebnis eines Fahrzyklus?
Fehlen diese Antworten, kann die Zahl das Fahrzeug zwar korrekt beschreiben, eignet sich aber nicht für einen detaillierten technischen Vergleich.
Die Motorenreihe fortsetzen
Kehren Sie zu Electric Motors and Drive Units zurück und lesen Sie das Kapitel motor cooling, um zu verstehen, warum sich die dauerhaft verfügbare Leistung mit den thermischen Bedingungen ändert.