PowerKERS Power KERS – Flywheel als Energiespeicher in Hybrid- und Elektrofahrzeugen für den Individualverkehr

Projektverlauf

Die Analyse verfügbarer Flywheel-Systeme hat ergeben, dass zentrale Problemstellungen mit Forschungsbedarf in der Lagerung der Schwungmasse, der Einhaltung von Sicherheitsbestimmungen, der Kühlmöglichkeit des wegen der hohen geforderten Drehzahl in Vakuum laufenden Rotors, der Optimierung des Wirkungsgrades sowie in der Senkung der Kosten bestehen. Speziell die Frage der Lagerung der Schwungmasse stellte ein Knock-out Kriterium dar, weil einerseits durch zu hohe Lagerverluste die Energieverluste so stark ansteigen, dass sie den Effizienzgewinn im Betrieb des Kfz kompensieren oder sogar übersteigen, und andererseits die Robustheit der Lagerung die Lebensdauer des Flywheel-Systems bestimmt.

Dementsprechend lagen die Ziele des Projekts in der Entwicklung geeigneter Lager­konzepte, um eine Rotation der Schwungmasse mit sehr hohen Drehzahlen und minimalen Verlusten unter Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen zu ermöglichen, sowie in der Optimierung des elektrischen Antriebs bzw. Generators. Demzufolge wurde ein Wirkungsgrad von über 92% für die Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie und vice-versa erreicht, was einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 85% für das Flywheel-System ergibt.

Zu Beginn des Projektes wurden detaillierte Anforderungen an den Schwungradspeicher für den Einsatz im PKW spezifiziert. Diese Anforderungsprofile dienten als Basis für den Vergleich von Realisierungskonzepten für Schwungradspeicher hinsichtlich Realisierbarkeit und Komplexität, Wirkungsgrad und Kosten. Im Laufe des Projektes konnten Antworten auf folgende Fragen gegeben werden:

• Welche konstruktiven Maßnahmen sind möglich, um im Falle eines Unfalls oder eines Defekts sicherstellen zu können, dass die im Flywheel gespeicherte Energie keine Schäden verursachen kann?
• Wie muss das Lager des Flywheels ausgeführt werden, um den Randbedingungen Lebensdauer und Wirkungsgrad gerecht zu werden?
• Wie muss die Bauform des Flywheels für den automotiven Einsatz aussehen, um eine optimale Energie- und Leistungsdichte zu erreichen?

Der Projektverlauf ist in der folgenden Abbildung graphisch dargestellt.

Projektplan PowerKERS

Meilensteine

1. Erstellen eines mechanischen und elektrischen Lastenhefts, welches detaillierte Anforderungen an den Schwungradspeicher aufzeigt.
2. Entwurf eines grundlegenden Realisierungskonzepts des Schwungradspeichers, welches die Anforderungen an die einzelnen Baugruppen spezifiziert und somit die Detailarbeiten ermöglicht.
3. Durchfürung der theoretischen Konstruktion eines Lagers für die stillstehende Welle (für den ersten Testaufbau).
4. Vollständige Integration der entworfenen Lagerung in die elektrische Maschine.
5. Optimierte Auslegung des elektromechanischen Energiewandler-Systems (elektrische Maschine und Leistungselektronik) für den Flywheel-Speicher.
6. Adaptierung der vorhandenen Simulationsumgebung für die Maschine an die zuvor definierten Parameter.
7. Detaillierte numerische Modellbildung des Schwungrads inkl. Lager.
8. Optimierung des Regelalgorithmus für: Statisches Regelverhalten (Welle steht), dynamisches Regelverhalten (Welle dreht sich), und Kombination Magnetlager und elektrische Maschine (Ausregelung von auft
9. Aufbau von Submodule des Flywheels in Form von Prototypen aufgebaut werden in den Bereichen Leistungselektronik für die Magnetlagerung und dem Magnetlager selbst.

Ergebnisse

Entsprechend der geplanten Projektabschnitte führten die folgenden Methoden zu den angestrebten Projektergebnissen:

Energiefluss-Simulation des Gesamtfahrzeugs:

Zur Ermittlung der im realen Betrieb eines Kfz geforderten Eckdaten des Energiespeicher­systems wurden Gesamtfahrzeug-Simulationen durchgeführt. Als Grundlage dieser elektrischen Energiefluss-Simulationen diente ein Simulationssystem zur Modellierung des Energieflusses in Fahrzeugen. Mit dessen Hilfe wurden unterschiedliche Fahrzeugkonzepte (Hybridkonzepte, rein elektrisch betriebenes Kfz, …) simuliert und für jedes Konzept die Belastungsprofile des Energiespeichersystems ermittelt. Daraus ergaben sich die geforderten Eckdaten für Flywheel-Systeme beim Einsatz in unterschiedlichen Kraftfahrzeugen.

Aufbau des PowerKERS Simulationsmodells.

Die Simulationsumgebung (wie oben gezeigt) ermöglichte es auch, den Einfluss von Limitierungen durch das Flywheel-System (z.B. verminderte Rekuperation von Bremsenergie durch begrenzte maximale Leistungsaufnahme) auf den Treibstoffverbrauch bzw. den CO2-Ausstoß zu berechnen. Als Grundlage für die Simulationen dienten einerseits standardisierte Fahrzyklen und andererseits mit Hilfe von GPS-Trackern aufgenommene reale Fahrprofile, aus denen die im täglichen Betrieb des Fahrzeugs resultierenden Energieflüsse berechnet wurden.

Messung mechanischer Belastungsprofile:

Das mechanische Lastenheft wurde durch den Partner FH Joanneum erstellt. Es handelte sich hierbei um eine Integrationsaufgabe in das Fahrzeug mit dem Ziel, Lösungen aufzuzeigen, die möglichst breit in verschiedenen PKW-Klassen eingesetzt werden konnten. Dazu wurden mit Hilfe von MKS-Simulation Fahrzeugtypen mit charakteristisch unterschiedlichem Bewegungsverhalten ausgewählt. Vertreter dieser Fahrzeugtypen wurden mit Beschleu­nigungs­messtechnik ausgestattet. Auf repräsentativen Fahrstrecken wurd der Bewegungs­zustand gemessen und statistisch ausgewertet. Ziel war es, typisch auftretende Belastungen für das Magnetlager aufzunehmen. Die Messdaten erlaubten die genaue Dimensionierung der Magnetlager für ein breites Fahrzeugspektrum und somit eine wirtschaftliche Lösung.

Messng der realen Fahrzeugbelastungen auf den Schwungradspeicher.

Evaluierung von Realisierungskonzepten für Schwungradspeicher

Die erarbeiteten Konzepte wurden auf Modulebene simuliert, um eine Abschätzung der Einsetzbarkeit bei den zu erwartenden Belastungs­profilen (elektrisch, mechanisch) durchführen zu können. Dadurch konnten Knock-out Kriterien erkannt, sowie Stärken und Schwächen der einzelnen Konzepte herausgearbeitet werden. Im Speziellen wurden Abschätzungen durchgeführt, ob die Rahmen­bedingungen in Bezug auf ausreichende Lebensdauer und Unfallsicherheit erfüllt werden können.

Simulation und Aufbau von Subsystemen

Für die  grundlegenden Komponenten des Flywheel-Speichers (Magnetlager und elektrische Maschine) wurden mechanische sowie elektromagnetische Simulationsmodelle erstellt. Auf Basis der Simulationen wurden Funktionsmuster aufgebaut, die zur experimentellen Evaluierung der Belastbarkeit der Komponenten verwendet werden. Durch die Ergebnisse der Experimente konnten wiederum die Simulationsmodelle verfeinert werden.

Fahrzeugsimulationsergebnisse im Projekt PowerKERS

Demonstration der Erfüllung der Anforderungsprofile

Nach dem erfolgreichem Abschluss des Aufbaus der Funktionsmuster von Flywheel-Subsystemen wurden die Funktionsmuster verwendet, um experimentell die Einhaltung der geforderten Rahmenbedingungen (elektrische und mechanische Lastprofile) nachzuweisen bzw. weiteren Verbesserungsbedarf aufzuzeigen.

Umrichter des PowerKERS Flywheel Prototyps.

Motorprüfstand der SR-Maschine im PowerKERS-Projekt

Durch Erfüllung der technischen Rahmenbedingungen konnte anhand der Implementierung der Subsysteme eine Verifikation der hohen Wirkungsgrade sowie der potentiellen Kosten der Systeme durchgeführt werden.

Folgende Punplikationen geben detaillierte Einblicke in die Projektergebnisse:

• [1] Brasseur G., Schweighofer B., Wegleiter H.: „Comparison of Electric Energy Storages for Hybrid Racing Vehicles”, 13^th EAEC European Automotive Congress, Brussels, Belgium, 2011
• [2] Recheis M., Schweighofer B., Fulmek P., Wegleiter H.: „Evaluation of inductive displacement sensor configurations for a flywheel energy storage system”, Soft Magnetic Materials Conference (SMM), Kos, Greece, 2011
• [3] Wegleiter, H.; Schweighofer, B.; Holler, G.; Brunnader, R.: „Fast Quasi Optimal Control of Hybrid Electric Vehicles considering Limiting Conditions”, European Electric Vehicle Congress EEVC, Brussels, Belgium, 2011
• [4] Bader M., Schweighofer B., Wegleiter H.: „Aspects of Mechanical Engineering and Material Sciences for the Design of Flywheels for Mobile Applications”, European Electric Vehicle Congress EEVC, Brussels, Belgium, 2011
• [5] Recheis M., Wegleiter H., Schweighofer B., Fulmek P.: „Inductive Displacement Measurement for a Basic Active Magnetic Bearing Test Rig”, 34^th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Tratanska Lomnica, Slovaka, 2011
• [6] Recheis M., Wegleiter H., Schweighofer B., Fulmek P.: „Impedance Measurements of Ferrite Core Displacement Sensors for Flywheel Energy Storage Systems”, IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), Graz, Austria, 2012
• [7] Recheis M., Schweighofer B., Fulmek P., Wegleiter H.: „Optimization of Active Magnetic Bearings for Automotive Flywheel Energy Storage Systems Based on Soft Magnetic Materials”, Joint European Magnetic Symposia (JEMS), Parma, Italy, 2012 (published in European Physical Journal Web of Conferences)
• [8] Schweighofer B., Recheis M., Fulmek P., Wegleiter H.: „Rotor Losses in a Switched Reluctance Motor – Analysis and Reduction Methods”, Joint European Magnetic Symposia (JEMS), Parma, Italy, 2012 (published in European Physical Journal Web of Conferences)
• [9] Fulmek P., Wegleiter H., Haumer P., Recheis M., Schweighofer B.: „Magnetic Characterization of High Strength Steels for High Speed Switched Reluctance Motors”, Soft Magnetic Materials Conference (SMM), Budapest, Hungary, 2013
• [10] Recheis M., Schweighofer B., Fulmek P., Wegleiter H.: „Selection of Magnetic Materials for Bearing-less High Speed Mobile Flywheel Energy Storage Systems”, Soft Magnetic Materials Conference (SMM), Budapest, Hungary, 2013  (accepted for Publication in IEEE Journal: Transactions on Magnetics in 2014)
• [11] Recheis M., Buchroithner A., Andrasec I., Gallien T., Schweighofer B., Bader M., Wegleiter H.: „Improving kinetic energy storage for vehicles through the combination of rolling element and active magnetic bearings”, Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Vienna, Austria, 2013
• [12] Sauer M. , Magnetlagerprüftstand, Bachelorarbeit, TU Graz, Austria, 2013
• [13] G. Bischof, K. Reisinger, T. Singraber, A. Summer: Investigation of a passenger car’s dynamic response due to a flywheel-based kinetic energy recovery system, Vehicle System Dynamics 2013, Taylor & Francis, accepted
• [14] G. Bischof, K. Reisinger, T. Singraber, A. Summer: Gyroscopic Bearing Loads in Vehicular Flywheel-based KERS, SAE International, submitted.