Kinetischer Speicher

für Hybridfahrzeuge

Die mechanische BatterieIn der Rückgewinnung der Bremsenergie liegt beträchtliches Potenzial zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei Kraftfahrzeugen. Die verfügbaren Energiespeicher erlauben jedoch nur eine begrenzte Nutzung dieser Mög-lichkeit. Compact Dynamics entwickelt mit Dynastore eine neue Generation elektrischer Spitzenlastspeicher für Hybridfahrzeuge. Als Erstanwendung wird der Speicher im Kinetic Energy Recovering System (KERS) eingesetzt, einem Hybridsystem für die Formel 1.

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Alternative Antriebe

1 Einleitung

Automobilhersteller unternehmen größ-te Anstrengungen, nicht zuletzt wegen des politischen und gesellschaftlichen Drucks, um den Energieverbrauch und somit die CO2-Emission der Fahrzeuge zu reduzieren. Eines der Hauptpotenziale, das Speichern der Bremsenergie (Reku-peration), wird hingegen kaum genutzt. Die Ursache hierfür ist in den unzurei-chenden Eigenschaften der verfügbaren elektrischen Speichersysteme zu suchen. Denn anders als bei bisherigen Bordnetz-beanspruchungen entstehen beim Verzö-gern eines Pkw enorme Leistungsspitzen. Bild 1 zeigt anhand von Simulationen verschiedener Fahrzyklen die Leistung und Energie, die zur Verzögerung eines Pkw erforderlich ist. Die Bremswirkung des Verbrennungsmotors (Motorbremse) ist dabei im Modell bereits berücksich-tigt. Die Auswertung zeigt lediglich die durch die mechanische Bremse vernich-tete Energie. Soll diese in Form von elek-trischer Energie gespeichert werden, wir-ken auf die Batterie Ladeleistungen von bis zu 30 kW. Herkömmliche Batterien sind nicht in der Lage, diese Leistungen aufzunehmen. Auch bei neuartigen Spei-chern wie dem Nickel-Metallhydrid-Ak-kumulator (NiMH), Lithium-Ionen-Akku-mulator (Li-Ion) oder Doppelschichtkon-densatoren führt diese Belastung in Ver-bindung mit hohen Ladezyklen zu erheb-lichen Spannungsschwankungen und beträchtlicher thermischer Alterung. Da-

her müssen die Speichersysteme in Hy-bridfahrzeugen stark überdimensioniert werden, um eine akzeptable Lebensdau-er zu erreichen. Der Austausch oder die Endverwertung dieser Speicher führt zu einem enormen Aufkommen von ver-schiedensten Chemikalien und Schwer-metallen, deren Entsorgung oder Recyc-lingkreisläufe nicht abgesichert sind. Ein kinetischer Speicher ermöglicht hinge-gen bei ausreichender Kapazität eine sehr hohe Ladeleistung, beliebige Zy-klenfestigkeit und keine Anzeichen ther-mischer Alterung. Der Vergleich ver-schiedener Speichertechnologien zeigt die Vorteile eines dynamischen Speichers als Spitzenlastspeicher, Bild 2.

2 Funktionsweise

Kinetische Energiespeicher, auch Schwung- radspeicher genannt, werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Dabei wird zur Energiespeicherung eine träge Masse, die sich um eine Achse dreht, be-schleunigt. Die nutzbare Kapazität defi-niert sich durch das Trägheitsmoment und die Betriebsdrehzahl, wobei die Drehzahl quadratisch in die Energie-bilanz eingeht: E = J/2 x 2. Mechanische Schwungradspeicher werden vorwie-gend zur Kompensation von Drehunför-migkeiten eingesetzt und finden zum Beispiel als Schwungräder und Aus-gleichswellen in Verbrennungsmotoren Verwendung. Durch den Einsatz von

Der Autor

Johann Sontheim ist Projektleiter bei

der Entwicklung des

kinetischen Speichers

Dynastore bei der

Compact Dynamics

GmbH in Starnberg.

Bild 1: Simulation von Leistungsbedarf und Energieinhalt beim Bremsen anhand genormter Fahrzyklen [1]

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Hochleistungswerkstoffen und hoch tak-tenden Motorsteuergeräten ist man heu-te in der Lage, elektrische Schwungrad-speicher mit hoher Energie- und Leis-tungsdichte herzustellen. Dabei wird durch Beschleunigen einer Schwung-masse mittels einer elektrischen Maschi-ne die elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt. Da Luftreibungs- und Lagerverluste im Verhältnis zur ge-speicherten Energie gering sind, kann diese bei sehr guten Speicherwirkungs-graden über mehrere Stunden gespei-chert werden. Im generatorischen Be-trieb wird die Schwungmasse durch den Antrieb abgebremst. Die dabei erzeugte elektrische Energie wird ins Netz zurück gespeist, die kinetische Energie wird also in elektrische Energie umgewandelt. Bis-her wurden diese Speicher vorwiegend zur Spannungsstabilisierung von Strom-netzen im stationären Betrieb eingesetzt. Aufgrund ihres Gewichts und der auf-wändigen Technik sind diese Speicher für den Einsatz in Pkw wenig geeignet. Zudem beeinflussen deren Kreiseleffekte (Gyromomente) unter Umständen das Fahrverhalten des Fahrzeugs.

3 Neues Speicherkonzept für den Fahrzeugeinsatz

Der Einsatz in Hybridfahrzeugen erfor-derte eine komplett neue Konzeption des Schwungradspeichers. Der Entwicklungs-

schwerpunkt lag hierbei auf kurzzeitiger Speicherung begrenzter Energien mit hoher Ladeleistung, wie es für den dyna-mischen Fahrzeugbetrieb erforderlich ist. Deshalb konnte auf eine aufwändige, magnetische Lagerung verzichtet wer-den. Statt einer Vakuumanlage ist zur Reduzierung der Luftreibung ein abge-senkter Luftdruck durch die einmalige

Evakuierung des Speichergehäuses aus-reichend. Das Ergebnis der Entwicklung war eine vierfache Speichereinheit. Die Aufteilung auf vier kleine Schwungräder mit geringer Masse führt bei einem Un-fall nur zu geringen Kräften, die in der Struktur des Gehäuses beherrscht wer-den können. Die kleinen Einheiten ermög-lichen zudem eine einfache Skalierbar-keit und eine gute Integration in das Fahr-zeug. Durch die Zusammenführung des Schwungkörpers in die Motorgenerator-funktion reduziert sich die Komplexität des Speichers erheblich. Der Antrieb wur-de als Reluktanzmaschine in Innenläu-ferbauweise ausgeführt, Bild 3. Sein Rotor dient, als träge Masse, gleichzeitig als En-ergiespeicher. Ein zusätzlicher Schwung-körper ist daher nicht erforderlich.

Anders als bei einer permanentmag-neterregten Maschine induziert eine Re-luktanzmaschine im unbestromten Zu-stand keine Spannungen. Somit entste-hen keine Eisenverluste, so dass die elek-trische Maschine im Speicherbetrieb na-hezu verlustfrei arbeitet. Der Rotorauf-bau aus dünnen Blechen ist aus elektro-magnetischer Sicht ideal und erlaubt zudem eine hohe massenspezifische En-ergie, die durch die am Umfang angeord-neten Zähne optimiert wird. Im Schadens-

Bild 2: Vergleich von Speichersystemen auf Basis charakteristischer Eigenschaften; zur besseren Vergleichbarkeit wurden die Werte teilweise mit Skalierungsfaktoren dargestellt [2, 3]

Bild 3: Schnittdarstellung eines Dynastore-Einzelspeichers [4]

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ATZ 03I2008 Jahrgang 110228

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fall bietet der Aufbau, im Gegensatz zu Stahlgussschwungrädern oder Schwung-rädern aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) ein gutmütiges Ausfall-verhalten. Der außen liegende Stator trägt zusätzlich als Knautschzone zur Berstsicherheit des Gehäuses bei. Auf Grund der gegenläufigen Drehrichtung der Rotoren weist der Speicher keine frei-en Gyromomente auf. Ebenso werden die im Betrieb entstehenden Motormomente kompensiert. Da die Lager als einzige Bauteile dem Verschleiß unterliegen, entscheidet deren Auslegung über die Lebensdauer des Speichers. Als Rotorla-gerung dient eine vorgespannte Hybrid-Spindellagerung. Die Härte und die ge-ringe Masse der keramischen Wälzkörper ermöglichen eine Erhöhung der Dreh-zahl um 25 % gegenüber Standardlagern bei deutlich gestiegener Laufleistung. Dennoch galt es, hier eine optimale Ab-wägung zwischen Drehzahl und Rotor-trägheit zu finden. Die Ausbildung des Rotors als Ring erhöht das Trägheits-moment (J = m x i2) des Rotors aufgrund des vergrößerten Trägheitsradius’ deut-lich. Hierdurch konnte bei moderatem Gewichtszuwachs die Betriebsdrehzahl stark gesenkt werden.

Zur optimalen Schmierung der Lager wird Schmierstoff aus einem Sumpf am Boden des Speichers über eine im Rotor-träger integrierte Zentrifugalpumpe an die Lagerstellen gefördert. Der überschüs-sige Schmierstoff dient zur „Entwär-mung“ des Rotors, da die Kühlung durch Konvektion wegen des abgesenkten Luft-drucks stark eingeschränkt ist.

4 Der Rotor als Kernstück des Energiespeichers

Wie beschrieben dient der Rotor der elektrischen Maschine zusätzlich als trä-ge Masse des Speichersystems. So muss er neben guten weichmagnetischen Ei-genschaften eine hohe Festigkeit aufwei-sen. Da die Drehzahl quadratisch in die Energiebilanz des Speichers eingeht, hat die Belastbarkeit des Rotorwerkstoffs den Haupteinfluss auf den Energiein-halt des Speichers, Bild 4. Typische Ro-torwerkstoffe besitzen lediglich eine Fließgrenze von maximal 500 N/mm2 und sind daher für diesen Einsatzfall nicht geeignet. Eine der Hauptaufgaben

im Rahmen der Entwicklung war des-halb, hochfeste Werkstoffe mit ausrei-chenden magnetischen Eigenschaften zu finden und zu verifizieren. Aufgrund der hohen Werkstoffbeanspruchung im Betrieb mussten auch Veränderungen der magnetischen Eigenschaften unter Spannung untersucht werden. Hierfür

wurden die Hysteresekurven von hoch-festen Werkstoffen bei unterschiedlichen Spannungszuständen ermittelt, Bild 5. Wie erwartet reduziert sich die Aussteu-erbarkeit der meisten Werkstoffe bei Er-höhung der Zugspannungen. Zugleich erhöhten sich die Ummagnetisierungs-verluste deutlich.

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ATZ 03I2008 Jahrgang 110 229

Zu erwähnen ist ein Werkstoff, der ei-ne Neuorientierung des Gefüges durch Zugbeanspruchung zeigte, wodurch die weichmagnetischen Eigenschaften er-heblich verbessert wurden. Als Ergebnis der Versuche konnte ein geeigneter Ro-torwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von über 2100 N/mm2 bei guten weichmagne-tischen Eigenschaften gefunden werden. Da die Werte in Walzrichtung und quer zur Walzrichtung nahezu identisch wa-ren, kann man auf eine gute Isotropie des Werkstoffs schließen. Bei der aktu-ellen Auslegung wird diese Festigkeit le-diglich zu 70 % genutzt.

5 Funktionen des Motorsteuergeräts

Das Steuergerät ist verbunden mit dem Zwischenkreis des Pkw (Bordnetz) und wandelt bidirektional dessen Gleich-strom in den Kommutierungsstrom zur Regelung der elektrischen Maschine. Das Steuergerät ist mit dem Speichergehäuse verbunden. Die direkte Kontaktierung der Motorwicklungen eliminiert die Anschlussleitungen und minimiert ebenfalls die EMV-Abstrahlung (Elektro-magnetische Verträglichkeit). Zudem übernimmt das Steuergerät das Lade-management des Speichers, wie auch die Spannungsstabilisierung des Bordnetzes. Anders als bei einer Batterie wird die Zwischenkreisspannung überwacht und bei Bedarf durch Laden oder Entladen des Speicher stabilisiert. Somit gibt es

auch beim Zuschalten von Großstrom-verbrauchern keinen Spannungsein-bruch. Die Reaktionszeit des Speichers ist dabei kleiner als 1 ms. Somit können auch geringste Spannungsschwankun-gen ausgeglichen werden.

Der Ladezustand wird über die Dreh-zahl durch die Beziehung E = J/2 x 2 er-rechnet, wobei die Drehzahlinformation anhand der elektromagnetischen Rück-wirkungen der elektrischen Maschine (sensorlose Positionserfassung) ermittelt wird. Die Steuerung ist über Controller

Area Network (CAN) Bus oder Local Inter-connect Network (LIN) Bus mit dem Fahr-zeugcontroller verbunden und tauscht alle sicherheitsrelevanten Informationen aus. Bei Bedarf, zum Beispiel im Crash-fall oder bei einem Kurzschluss im Bord-netz, werden die Speicher entladen, in-dem die Energie in den Motorwicklungen in Wärme umgewandelt wird. Zur Absi-cherung gegen unzulässige Überdrehzahl sind die Ansteuerungen der Leistungs-halbleiter mit einer Hardwarebeschal-tung verriegelt.

Bild 5: Hysterese-kurven verschiedener Rotorwerkstoffe bei unterschiedlichen Spannungszuständen [5]

Bild 4: Abhängigkeit zwischen Speicherkapazität und Spannungsbeanspruchung am Rotor [4]

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ATZ 03I2008 Jahrgang 110230

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6 Zusammenfassung

Der kinetische Speicher Dynastore von Compact Dynamics ermöglicht durch sei-ne Eigenschaften die Nutzung der Brems-energie und die Versorgung von Groß-stromverbrauchern ohne die von Batte-rien bekannten Einschränkungen. Eine Überdimensionierung der Speicher auf Grund fehlender Zyklenfestigkeit ist nicht mehr erforderlich. Die dadurch erlangte Gewichtsreduzierung führt zu weiterer Energieeinsparung. Eine Aufteilung der Energie in mehrere Einzelspeicher und die Einbindung der aktiven Bauteile ins Sicherheitskonzept ermöglicht höchste Sicherheit bei kleinem Bauraum. Durch ausschließlich physikalische Vorgänge bei der Energiespeicherung ist der Speicher keiner Alterung unterworfen.

Der Aufbau des Speichers entspricht dem eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Daraus resultiert eine sehr kompakte und kostengünstige Speicher-einheit. Das aktive Lademanagement er-höht nicht nur die Effizienz des Bord-netzes, sondern trägt auch zur Fahrzeug-sicherheit bei. Durch den Wegfall der chemischen oder kapazitiven Speicher wird der Einsatz von Schwermetallen und Chemikalien besonders bei Hybridfahr-zeugen deutlich reduziert. Spezielle Ent-sorgungs- und Recyclingmaßnahmen sind nicht mehr erforderlich.

Literaturhinweise[1] Kleimaier A.: Optimale Betriebsführung von Hybrid-

fahrzeugen. Lehrstuhl für elektrische Antriebssys-

teme der TU München, Dissertation, 2004

[2] D. Naunin: Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-

elektrofahrzeuge, Beitrag U. Köhler: Batterien für

Elektro- und Hybridfahrzeuge. Renningen: Expert-

Verlag, 4. Auflage 2007

[3] Köhler U., Kümpers J.: NBT GmbH, Hannover,

Meissner E. VB Autobatterie GmbH, Hannover,

Varta Spezialreport Hochleistungsbatterien für

neue Fahrzeuganwendungen.

[4] Interne Berechnungen Compact Dynamics,

Starnberg, 2007

[5] Kreilinger K.: Eigenschaften weichmagnetischer

Werkstoffe. Compact Dynamics / FH München,

Diplomarbeit, 2007

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