Entwicklung eines elektrischen Antriebssystems mit Brennstoffzelle für Personenkraftwagen

Kraftstoffe für Fahrzeuge werden heute aus immer knapper werdenden fossilen Ressourcen gewonnen. Neben dem Bestreben, regenerative Energien zu mobilisieren, besteht die Notwendigkeit, mit noch vorhandenen Reserven sparsam umzugehen. Um dies zu erreichen, müssen energiesparende Fahrzeugkonzepte erstellt werden. In dieser Arbeil wird ein Referezfahrzeug mit elektrischem Antriebssystem, das aus einer Brennstoffzelle versorgt wird, mit Blick auf den Energieverbrauch analysiert. Jede Komponente die den Energieverbrauch maßgeblich beeinflußt, wird auf ihr Optimierungspotential mittels eines rechnerischen Fahrzeugmodells untersucht. Der Energiebedarf am Kontakt zur Straße, an der Motorwelle, am Eingang des Umrichters, sowie die zu tankende Energie in Form von Wasserstoff, wird für ein Fahrzeuggewicht von 300 kg bis 1300 kg angegeben, wobei entsprechende Werte auch auf Batteriefahrzeuge und herkömmliche Fahrzeuge übertragbrr sind. Die Definition des energetischen Wirkungsgrades wird notwendig, weil der bekannte Leistungswirkungsgrad die Verlustenergie bei elektrischem Bremsen nicht berücksichtigen kann. Damit kann der Systemwirkungsgrad jeder energetisch wirksamen Komponente des Fahrzeugs berechnet werden. Die ermittelten Werte können wie andere Wirkungsgrade auch miteinander multipliziert werden und berücksichtigen dennoch die zusätzlichen Rückspeiseverluste. Der Elektromotor wird detailliert im Wirkungsgrad untersucht. Zunächst wird ein geeignetes Motorprinzip qualitativ durch Vergleich der Elektromotorarten ermittelt. Für die permaneterregte Sychronmaschine werden aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen Ferritmagnete vorgesehen. Aus drei Läufervarianten mit radial im Läufer eingebetteten Ferritmagneten wird die geeignetste ausgewählt. Ein im 1:1-Maßstab aufgebauter Elektromotor mit 35 kW Antriebsleistung dient dazu die Berechnungen des Wirkungsgrades meßtechnisch zu bestätigen. Alle verlustbehafteten Teile des Elektromotors werden rechnerisch analysiert. Die Auswirkungen verschiedener Optimierungen des Elektromotors im Zusammenspiel mit dem Umrichter werden anhand des Systemwirkungsgrads verglichen. Für hohe Drehzahlen wird eine Festigkeitsberechnung des Läufers notwendig. Zehn Normfahrzyklen aus der ganzen Welt werden hinsichtlich der sich ergebenden Anforderungen an Drehmoment und Drehzahl des Motors im Fahrzeug als Gesamtsystem und deren Einfluß auf den Energieverbrauch untersucht.