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Zephy's Blog

Ansichten eines Technikers aus Leidenschaft

19.09.2018 10:33    |    Zephyroth    |    Kommentare (21)    |   Stichworte: Dauerleistung, E-Auto, Leistung, Temperatur, Überhitzung

Zeitlicher Verlauf der Motortemperatur
Zeitlicher Verlauf der Motortemperatur

Die größte Unsicherheit (neben der Lebensdauer des Akkus) herrscht über die Leistungsfähigkeit eines E-Antriebs. Die Hersteller geben scheinbar aberwitzige Leistungen an und enttäuschen dann mit der Maximalgeschwindigkeit.

 

Das liegt daran, das bei einem E-Antrieb Dauer- und Spitzenleistung nicht gleich sind wie beim Verbrenner. Hier konnte man sich drauf verlassen, wenn 130PS drauf stehen, kann er diese auch dauernd liefern. Beim E-Antrieb ist das anders. Ein E-Motor der für eine Dauerleistung von 50PS ausgelegt ist, kann kurzzeitig durchaus 250PS liefern. Es ist alles eine Frage der thermischen Reserven und des Kühlsystems, letztendlich geht es darum, die Wicklungen nicht zu heiß werden zu lassen.

 

Unterschiedlicher Temperaturbereich beim E-Motor und Verbrenner:

Während es einem E-Motor ziemlich egal ist, welche Temperatur er hat, braucht ein Verbrenner im Vergleich dazu nahezu konstante Temperaturen damit Schmierung und Lagerung (Toleranzen!) optimal sind. Das Kühlsystem beim Verbrenner ist darauf ausgelegt die maximale Verlustleistung wegzubringen, ohne dabei eine nennenswerte Temperaturerhöhung zuzulassen. Anders beim Elektromotor, hier darf die Temperatur in den Wicklungen auf bis zu 200°C steigen, bevor es kritisch wird. Das Kühlsystem muß also nicht auf Leistungsspitzen ausgelegt werden, sondern nur auf die zu erwartende durchschnittliche Leistung, die Dauerleistung. Eine Leistungsanforderung darüber hinaus, muß daher zeitlich begrenzt werden.

 

Temperaturverhalten eines E-Motors:

Im ersten Diagramm sieht man 3 Kurven. Sie zeigen den Temperaturverlauf bei halben, vollem und doppeltem Dauerdrehmoment (die Verluste gehen quadratisch mit dem Drehmoment!). Es zeigt sich bei halben Drehmoment erreicht der Motor bei weitem nicht seine kritische Temperatur. Mit dem Dauerdrehmoment wird die kritische Temperatur genau erreicht. Beim doppelten Motormoment (z.b. beim Beschleunigen) dauert es nur 100sec, bis die Wicklungen zu heiß werden und das Drehmoment reduziert werden muß. Die Endtemperatur (würde man nicht reduzieren) wäre übrigens bei etwa 520°C.

 

Im zweiten Diagramm sieht man die maximale Zeitdauer, mit der man ein Vielfaches (in %) der Dauerleistung abrufen kann, bis der Motor überhitzt. Links 100% Dauerleistung (klar, kann man unendlich lange), rechts 1000%, also 10-fache Dauerleistung, die nach nur 3.6sec zur Überhitzung führt.

 

Das Ganze am Beispiel des Audi E-Tron

Audi gibt an Dauerleistung 136PS, maximale Leistung 408PS (also 300% Dauerleistung) für 10sec, danach 360PS (265%) für 60sec. Im Diagramm findet man nun bei 300% eine Zeit von 42sec, bei 265% eine Zeit von 55sec. Wie passt das zusammen? Nun in den ersten 10sec erhitzt sich der Motor nicht auf die kritische Temperatur, die Leistung wird vorher reduziert. Die 55sec für 360PS passt hingegen fast genau.

 

Anhand dieser Kurve sieht man aber auch, das der E-Tron nicht nur diese 3 Leistungstufen kann, sondern durchaus auch für 5min 180PS, was für Steigungen reichen dürfte.

 

Fazit

Es ist beim E-Antrieb überhaupt nicht leicht vorherzusagen, wie sich das Fahrzeug fährt und ob man in die Leistungsbegrenzung kommt. Man muß es schlicht ausprobieren und wird, sofern der Hersteller keinen allzugroßen Schmus gebaut hat, überrascht sein, wie selten man in die Temperaturbegrenzung kommt. Deutschland ist zugegebenermaßen ein spezieller Fall, aber auch hier gibt es quasi nur die Möglichkeit den Antrieb auf der Autobahn mit hohen Geschwindigkeiten in die Begrenzung zu treiben.

 

Ich möchte noch hinzufügen, das diese Erklärung stark vereinfacht wurde. So besteht der E-Antrieb ja nicht nur aus dem Motor, sondern auch dem Wechselrichter und dem Akku. Alle haben ein sehr ähnliches Verhalten, nur mit unterschiedlichen Zeitkonstanten. Diese 3 Komponenten spielen nun zusammen und die Begrenzungen können je nach Lastsituation durch Motor, Wechselrichter und Akku verursacht werden.

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19.09.2018 10:46    |    LtLTSmash

Danke für den informativen Artikel!

19.09.2018 10:54    |    Auric

Sehr schöner Beitrag !

 

eine Anmerkung:

 

"Das Kühlsystem beim Verbrenner ist darauf ausgelegt die maximale Verlustleistung wegzubringen, ohne dabei eine nennenswerte Temperaturerhöhung zuzulassen."

 

Das ist grundsätzlich korrekt, nur ist es idealisiert und auch auf PKW Antriebe zutreffend die den Europäischen Markt sehen werden.

 

Es gab und gibt sehr wohl Verbrenner die ihre maximale Verlustleistung NICHT wegbringen, nur werden die in Märkten verkauft bei denen es keine "Deutsche Autobahn" gibt, die keinen Anhängerverkehr kennen, oder wenn dann nur mit kostenpflichtigen verstärkten Kühlern.

 

Es ist eines der Marketingvorteile den die Deutschen Hersteller geniessen dass der Kunde weltweit davon ausgeht (berechtigt oder unberechtigt lass ich jetzt mal offen) dass der Wagen Vollgasfest ist. Und das betrifft nicht nur die Motorkühlung sondern auch alle anderen Aggregate bis zum Achsdifferential.

 

Wurde ein generelles Tempolimit eingeführt werden würde dieser Marketingvorteil nach 10 Jahren Tempolimit sicher nur noch Porsche-Verkäufern nutzen, so gesehen ist ein generelles Tempolimt nicht zu erwarten.

20.09.2018 01:52    |    Karle1

Tolle Aussichten mit dem Elektroauto.

Das ist ja noch schlimmer wie bei meinem Lancia den ich mal mit Overboost gefahren habe.

Der hatte 165 Din PS und 200-220 PS, je nach Lufttemperatur, Spritqualität und sonstigen Wasserständen.

 

Das war bis dahin mein stärkstes Auto das ich gefahren habe, mit dem kämpfte ich trotzdem am meisten um meinen Führerschein beim Überholen.

Erst zog die Karre, daß man mit dem Allrad mit 4 Durchdrehenden Reifen seitwärts fahren konnte und locker 99% der anderen Autofahrer auf kürzester Distanz überholen konnte und wenn's dem Steuergerät zu bunt wurde hat er den Ladedrück von 2,5 Bar eben mal kurz auf 0,7 Bar reduziert damit die Karre nicht explodierte.

Stellt euch mal vor ihr überholt einen anderen mit dem Kopf an die Nackenstütze gepresst vor lauter Drehmoment und von einer Sekunde auf die andere ist es wie wenn 2 Zündkerzen davon geflogen wären!

Ich sage euch, so oft wie ich mit dem Auto den Arsch zusammen geklemmt habe beim Überholen wünsche ich keinem, wenn man nie weiß wieviel Drehmoment daß Du gerade zur Verfügung hast.

 

Lieber ein 50 PS Golf fahren und den Führerschein behalten als dauernd das Gefühl zu haben in einem Düsenjäger zu sitzen bei dem jede Sekunde mal der Sprit ausgehen kann obwohl die Tankuhr noch voll anzeigt, das ist für den Führerschein gar nicht gut.

 

Gruß

Karle

20.09.2018 08:09    |    Goify

Sehr interessanter Artikel und war mir in der Form noch nicht bewusst gewesen. Das deckt sich auch mit meiner Beobachtung bei Akkuschraubern (auch sehr teuren) und Bohrmaschinen, die man nie länger mit Dauerlast betreiben sollte. Davon wird der Akku warm (wird beim Laden gekühlt) und der Motor sogar richtig heiß. Daher sollte man diese nie überstrapazieren.

 

In unserem Autobahndauervollgasland ist so ein E-Auto mit dieser Dauerleistungskurve eher ungeeignet, aber da kommt schon der Akku zuvor, der bei solchen Fahrten eh ruckzuck leer ist. Das ist eben eine Turbodiesel-Domäne, selbst längste Anstiege und danach lange Etappen mit Bleifuß nehmen zu können, ohne dass der Verbrauch zu extrem wird. Dafür gibt es dann die riesigen Kühlluftöffnungen in der Front.

20.09.2018 09:46    |    Zephyroth

Seit meiner Fahrt mit dem P100D sehe ich das Ganze recht entspannt. Die Kiste hatte 2.5t, eine Spitzenleistung von 700PS, die Dauerleistung war mit 150PS dann eher enttäuschend. Aaaber, den ganzen Tag hab' ich's nicht geschafft den Antrieb in die thermische Begrenzung zu treiben. Gut, ich komme aus Österreich, da hab' ich ein TL von 130.

 

Was passiert denn, wenn ich bei einem Auto mit 700PS das Pedal aufs Blech nagle? In 3sec ist die Kiste auf 100, in etwa 10 auf 200 und in 20sec auf 250. Das ist tief im roten Bereich sämtlicher Legalitäten außerhalb der deutschen Autobahn. Und selbst auf der deutschen Autobahn reicht die Dauerleistung für 200km/h aus.

 

Für 140km/h braucht man etwa 25kW Antriebsleistung, deutlich unter der Dauerleistung. Das System kühlt ab und man hat für den nächsten Sprint wieder genug Reserven.

 

Zum Thema Akkumaschinen: Ich habe mir vor kurzem eine Akku-Heckenschere gekauft, die mit dem Akku meines Bohrschraubers betrieben wird. 18V/4Ah. Meine vorherige kabelgebundene Heckenschere hatte 550W, zumindest stand das drauf. Die Akku-Maschine hingegen hat einen kleinen Motor (ich schätze Dauerlast maximal 30-40W, in der Spitze werden's schon um die 500W sein), nicht mehr. Ich war echt erstaunt, das ich meine komplette Hecke schneiden konnte, keine Einbußen in der Schnittleistung hatte (Äste bis 1.5cm!) und nach getaner Arbeit immer noch 25% im Akku hatte. Sprich meine ganze Hecke war mit ~50Wh geschnitten, die Dauerleistung der Heckenschere war somit um die 50W.

 

Ähnlich ist es beim E-Auto. Richtig ausgelegt, wird man dieses Thermomanagement im Hintergrund nie merken. Es hat schon einen Grund, warum der Audi E-Tron beispielsweise genau 10sec seine 408PS halten kann: Dann hat man 144km/h erreicht, mehr als ausreichend für alle Länder außer Deutschland. Für D gibt's dann noch 60sec 360PS, mehr als ausreichend um die 200km/h zu erreichen, wo dann die Dauerleistung ausreicht.

 

Grüße,

Zeph

20.09.2018 10:03    |    LtLTSmash

Zur Not ergibt sich hier ja dann auch ein Betätigungsfeld für die Tuner, die mit einer Kühlungsverbesserung höhere Dauerleistungen erlauben, oder ließe sich das bei einem E-Motor nicht bewerkstelligen?

Bei den Verbrenner wird das ja (zumindest bei den nicht Vollastfesten Motoren, meist aus USA) gemacht, oft sogar schon vom Hersteller. Hat ja schließlich einen Grund, warum die billigen Einstiegsvarianten von Mustang & Co hierzulande eigentlich nicht verfügbar sind, die würden hier wohl häufig überhitzen.

20.09.2018 10:10    |    Goify

Man kann die Umlaufgeschwindigkeit vom Kühlmittel im E-Motor erhöhen und größere Kühler verbauen. Dann die Kühlleistung der Akkus hochfahren. Bleibt nur noch der Wechselrichter. Keine Ahnung, ob der aktiv gekühlt wird. Wenn ja, wird man da sicher auch was verbessern können.

20.09.2018 10:22    |    Zephyroth

Es ist schwer bei einem Elektromotor die Wärme aus den Wicklungen zu bringen, zumindest bei der verwendeten Bauform. Der Motor liegt üblicherweise in einem Wassermantel, wird also außen gekühlt. Die Wicklungen liegen nun im Inneren des Eisenkerns, der aber recht schlecht Wärme leitet. Selbst wenn man die Kühlung verbessert, wird man kaum mehr Spitzenleistung rauskriegen können. Was sich ändern wird, ist die Zeit, die es braucht das System wieder abzukühlen. Sprich die Zeit zwischen den Spitzenleistungsanforderungen kann kürzer werden.

 

Das ist der E-Motor, beim Akku hast du das Problem, das dieser niedrige Temperaturen haben will (~45°C herum). Da müsste man schon deutlich mehr Wasser durchpumpen, um hier mehr Leistung zuzulassen. Nebenbei, höhere Abgabeleistung geht natürlich deutlich auf die Lebensdauer.

 

Der Wechselrichter hingegen könnte diese Reserven haben. Wenn der ordentlich gebaut ist, kann man hier mit verbesserter Kühlung einiges rausholen.

 

Grüße,

Zeph

20.09.2018 10:25    |    Goify

Vielleicht hilft auch ein Gebläse, ähnlich wie bei den Lichtmaschinen. Das macht sie zwar lauter und der Wirkungsgrad sinkt, dafür werden sie stärker gekühlt.

20.09.2018 10:33    |    Zephyroth

https://www.magna.com/.../...echnology-attribute-2-image_final.jpg?...

 

Hier sieht man einen Schnitt eines E-Antriebs (in diesem Fall Magna, der i-Pace fährt mit sowas). Diese Einheit (ich hab' sie selbst bei Magna gesehen) liefert 350PS in der Spitze. Man sieht gut die Wicklungspakete, den Eisenkern und den Wassermantel mit Führungsrillen. Den Läufer selbst sieht man nicht, der ist aber kreisrund und der Luftspalt zum Eisenkern ist gerade mal 1mm. Da geht keine Luft durch, deswegen gibt's auch kein Gebläse innen.

 

Eine Lichtmaschine mit Klauenpolläufer hingegen hat noch genug Platz um Luft durchzulassen, weshalb man sie so gut kühlen kann.

 

Grüße,

Zeph

20.09.2018 10:50    |    Goify

Ja, das stimmt allerdings. Ich war auch diesen Mai in dem Museum in Graz, aber an den Motor kann ich mich nicht mehr erinnern. Mich faszinierten mehr die Allradvarianten.

20.09.2018 11:07    |    LtLTSmash

Ist die Frage, ob man da ggf. mit hohlen Wellen arbeiten kann um Wärme abzuführen, aber das dürfte dann ja etwas aufwändiger sein. Allerdings glaube ich nicht, das bei den Leuten, an die ich da denke, Geld i.d.R. keine Rolle. dabei spielt.

20.09.2018 11:21    |    Zephyroth

Na ja, was soll das bringen? Die Verlustleistung entsteht hauptsächlich im Stator, nicht im Rotor. Nur bei der Asynchronmaschine (Model S und X) könnte man über eine Rotorkühlung nachdenken. Ein Brushless DC (die meisten E-Fahrzeuge) oder die Switched Reluctance Machine (Model 3 und Semi) haben im Läufer quasi keine Verluste.

 

Den Eisenkern ausbohren für Kühlkanäle funktioniert auch nicht, da man den Eisenquerschnitt für das Magnetfeld braucht.

 

Grüße,

Zeph

20.09.2018 11:23    |    KaJu74

Hat das Model S/X nicht sowieso eine Rotorkühlung?

20.09.2018 11:37    |    LtLTSmash

Ich denke diese "Tuning" wäre ja eh nur für gewisse Fahrzeuge interessant, wie eben Tesla Kunden, die auch über das nötige Kleingeld verfügen. Ansonsten hätt ich gedacht, das die Kühlung des äußeren stillstehenden Teils ja eigentlich noch eher möglich sein sollte. Du kennst dich in dem Bereich ja besser aus als ich, aber gerade Kupfer ist ja ein super Wärmeleiter, da sollte doch was machbar sein.

Kolben werden z.B. i.d.R. mit Öl via anspritzen gekühlt, sowas könnte doch gehen.

Beim Tuning geht es ja auch oftmals gar nicht drum, ob man etwas real nachher nutzen kann (geschweige denn einen technischen Vorteil erzielt, wenn man manche Tuningopfer sieht), sondern das man es hat.

20.09.2018 11:38    |    Zephyroth

Kupfer ja, aber zwischen Wicklung und Kühlmantel liegt der dicke Eisenkern, der leitet Wärme sehr schlecht.

 

Grüße,

Zeph

20.09.2018 11:41    |    LtLTSmash

Mal schauen was da kommt. Es gibt ja bereits Tuning Buden die auch für E-Autos aktiv sind, wie z.B. Brabus, aber das beschränkt sich derzeit meine ich noch aufs optische.

05.12.2021 23:22    |    ompre

Sicher das der Motor überhitzt und nicht der Akku? Gibt es Quellen zu den Diagrammen?

06.12.2021 09:31    |    Zephyroth

Ziemlich sicher. Schon allein wegen der zu erhitzenden Masse. Der Akku hat 600kg, der Motor vielleicht 50kg. Und die Quelle der Diagramme bin ich. Selbst gerechnet. Und bevor jetzt kommt: "Alles erfunden! Ha! Er hat keine Quellen!" Nein, hab' ich nicht. Hat keiner. Diese Kurven sind gut gehütete Geheimnisse. Ich kann's nur anhand der Motordaten und meinem Wissen als Elektronikentwickler so gut wie möglich rekonstruieren. Dürfte aber nicht weit von der Wirklichkeit entfernt sein.

 

Außerdem sollen sie ja nur das Prinzip der Leistungsreduktion und Abgabedauer in Bezug auf die Erwärmung zeigen. Und das tun sie ganz gut.

 

Woher meine Erfahrung? Genau solche Kurven habe ich für ein von mir entwickeltes Produkt berechnen müssen. Allerdings hatte ich da Trafos statt E-Motoren. Nur, die verhalten sich thermisch genau gleich. Da ging's auch um die Frage, wie lange kann ich den Trafo mit 150% Leistung fahren, bevor er abbrennt.

 

Grüße,

Zeph

07.12.2021 16:55    |    ompre

Ok. Ich dachte das die Recht gut gekühlt wären (Wasserkühlung) und die Verlustleistung beim Elektromotor ja nur einige KW beträgt man das ja gut wegkühlen kann.

09.12.2021 09:07    |    Zephyroth

Das stimmt schon. Aber du kommst mit dem Wasser nicht direkt an die Wicklungen. Du kannst nur den Stator kühlen, in dem die Wicklungen liegen. Der Stator ist aber aus Trafoblech, das schon mal kein sonderlich guter Wärmeleiter ist, zusätzlich liegen die Wicklungen nicht gut am Stator an, was wiederum den Wärmeübergang behindert. Kurz, du bekommst die Hitze nicht gut ins Wasser, da ist dann trotz >90% Wirkungsgrad schnell Ende Gelände.

 

Denk' mal nach, ein E-Antrieb mit 150kW (~200PS) hat dann im Motor eine Abwärme von 15kW, das ist schon soviel wie ein typischer Hausanschluss hat. Und das in einer recht kleinen Maschine (~50cm lang, 30cm Durchmesser). Das bringt man nicht so ohne weiteres raus.

 

Wichtig ist die durchschnittliche Leistung rauszubringen. Und die liegt irgendwo zwischen 1-2kW. Das ist ohne grobe Probleme möglich.

 

Grüße,

Zeph

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