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EPACSim - Dokumentation

Dieses Thema im Forum "E-Motoren" wurde erstellt von Christian, 01.11.09.

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  1. Christian

    Christian Team

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    Motivation

    Das Program EPACSim entstand ursprünglich, um einige der häufigsten Fragen zu bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) im Pedeleceinsatz praxisnah beantworten zu können.

    Es stellte sich recht bald heraus, das die Verwendung des Programms trotz der Bemühung um ein hohes Maß an Anschaulichkeit und Transparenz immer noch eine Menge Expertenwissen voraussetzte und das Programm daher nur eine geringe Verbreitung fand. Größter Nachteil war jedoch, dass bei der Simulation realer Pedelecmotoren keinerlei vorgefertigte Datensätze zur Verfügung standen. Es blieb dadurch alles recht theoretisch.

    Das soll bald Vergangenheit sein - hoffentlich.

    Mittlerweile weist das Programm ein Modul auf, das den Benutzer bei der Ermittlung realer Motorparameter anleitet und unterstützt. Auf diese Weise kann nach und nach eine wertvolle Motordatenbank auf Basis benutzergenerierter Datensätze entstehen.

    Hierdurch ist ein großer Nutzen erzielbar:

    1. Simulation verschiedener Motoren/Controller/Akkus. Auswahl der für die persönliche Nutzung idealen Komponenten.

    2. Gegenüberstellung baugleicher Motoren. Identifizierung von Schäden/Problemen anhand vergleichender Messwerte.

    3. Vertiefung des praxisrelevanten Wissens zur Betriebsweise von BLDC-Motoren.

    Bei der Konzeption des Programmes wurde versucht, eine Ausgewogenheit zwischen Bedienbarkeit und Modellgenauigkeit herzustellen. Da die Theorie elektrischer Maschinen jedoch eine gewisse Komplexität aufweist, kann dies naturgemäß nur bedingt gelingen. Auch bestand der Anspruch dahingehend, dass die Ermittlung der Motorparameter ohne ausgedehnten und kostspieligen Messgerätepark möglich sein sollte.

    Mal schauen, wie das in der Praxs aussieht. ;)

    Alle Hinweise und Ideen, die das Programm in punkto Verständlichkeit, Bedienbarkeit und Praxisrelevanz verbessern helfen, sind herzlich willkommen (siehe Thread "EPACSim - Diskussion").
     
    Zuletzt bearbeitet: 01.11.09
  2. Christian

    Christian Team

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    Benötigte Messwerkzeuge

    Erklärtes Ziel bei der Zusammenstellung der für die Parameteridentifikation benötigten Messungen war es, die Kosten für die Messwerkzeuge auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten.

    Folgende Messmittel sind erforderlich:

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    • Voltmeter bzw. Multimeter

    • Amperemeter bzw. zweites Multimeter

    • Niedervolt-Halogenlampen (12 V) verschiedener Leistungen (z.B. 20, 35, 50 und 100 W; jeweilige Anzahl entsprechend der Spannung des verwendeten Akkus)

    • Fassungen für die Niedervolt-Halogenlampen

    • div. Kleinteile: isolierte Kupferlitze (wenigstens 1,5 mm²), Lüsterklemmen, Bananenstecker

    • von Vorteil - aber nicht unbedingt erforderlich: Netzteil mit regelbarer Strombegrenzung

    Die Prüfungen können am eingebauten Motor durchgeführt werden. In diesem Fall ist dafür zu sorgen, dass das Fahrrad stabil aufgestellt ist und sich das angetriebene Rad frei drehen kann. Anzuraten ist jedoch ist die Verwendung einer speziellen Motoraufnahme. Diese kann leicht selbst hergestellt werden.

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    Zuletzt bearbeitet: 01.11.09
  3. Christian

    Christian Team

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    Haftungsausschluss

    Die Anleitungen zur Ermittlung der Systemparameter wurden nach bestem Wissen erstellt. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass sie unvollständig sind oder Fehler enthalten, was schlimmstenfalls zu einem Unfall mit schwerwiegenden Folgen führen kann.

    Der Autor der Anleitungen lehnt jegliche Verantwortung für eventuelle Schäden ab, die mittelbar oder unmittelbar aus dem Befolgen dieser Anleitungen entstehen.

    Wer dies nicht akzeptiert oder mangels entsprechender Ausbildung nicht zu fachgerechten Messungen in der Lage ist, wird ausdrücklich aufgefordert, die Messungen nicht durchzuführen.

    Sicherheitshinweise

    Ein Amperemeter weist (anders als ein Voltmeter) einen sehr geringen Innenwiderstand auf. Es muss daher immer in einen Stromkreis "eingeschleift" (also in Reihe geschaltet) werden und darf niemals verwendet werden, um beispielsweise direkt über den Klemmen einer Batterie zu messen (Kurzschluss!). Sollte ein Multimeter als Amperemeter eingesetzt werden, dann ist in der Regel ein Messkabel umzustecken (typisch: von Buchse "V/Ohm" nach Buchse "A"). Nach der Messung sollte dies sofort wieder rückgängig gemacht werden, um bei späteren Spannungsmessungen nicht irrtümlich einen Kurzschluss zu erzeugen.

    Die jeweiligen Messbereiche der Instrumente sind unbedingt einzuhalten.

    Messungen an Spannungen größer als 48 V erfordern zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und dürfen nur von entsprechend geschulten Personen durchgeführt werden.

    Halogenlampen sollten nur in geeigneten Fassungen betrieben werden. Da sie im Betrieb sehr heiß werden, ist auf einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu achten.

    Es ist dafür zu sorgen, dass keine Gegenstände oder Kleidungsstücke mit rotierenden Teilen in Berührung geraten können.
     
  4. Christian

    Christian Team

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    Ermittlung der Systemparameter

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    Einleitung

    Von den derzeit drei EPACSim-Modulen ist dies das wichtigste. Es besteht aus sechs Bereichen:

    • Eisen- und Reibungsverluste (Motorverhalten im Leerlauf)

    • Batterieverluste (Batterieverhalten unter Last)

    • Wicklungsverluste (Höhe des Wicklungswiderstandes)

    • Controllerverluste (Angabe der Controllerdaten)

    • Berechnung der Motorkonstanten (Motormodell)

    • Sonstiges (zusätzliche Angaben zum Fahrbetrieb)

    Klingt nicht gerade nach "leichter Kost", ist aber tatsächlich halb so wild.

    Um zu berechnen, welche Antriebsleistung der Motor im Fahrbetrieb bereitstellt und wie effizient das ganze abläuft, muss eine Leistungsbilanz aufgestellt werden. Im Grunde genommen wäre auch eine direkte Messung der abgegebenen Leistung möglich, aber das ist in der Praxis schwer zu bewerkstelligen. Zum einen ist hierbei die Erfassung des Motordrehmomentes erforderlich und zum anderen ist es recht mühselig, die ganze Messausrüstung auf einem Pedelec unterzubringen und dazu noch während der Fahrt zu bedienen. ;)

    Alternative: Man überlegt sich, wie man den Motor im Fahrbetrieb mithilfe von Formeln nachbilden kann. Hierzu braucht man ein paar Parameter, die den Motor hinreichend beschreiben. Wenn es gelingt, die Messung dieser Parameter auf die Erfassung elektrischer Größen (Strom, Spannung) sowie auf die Erfassung einfacher mechanischer Größen (Drehzahl) zu beschränken, dann läuft das ganze ziemlich simpel ab.

    Diese Eingabemaske soll genau das sicherstellen.

    Die Genauigkeit hierbei hängt natürlich vom gewählten Modell und von der Messgüte ab, muss aber nicht zwangsläufig schlechter sein als eine komplizierte (und daher bei Verwendung einfacher Messapparaturen ebenfalls nicht fehlerfreie) direkte Messung. Es ist in der Industrie beispielsweise absolut üblich, den Wirkungsgrad und die abgegebene mechanische Leistung von elektrischen Maschinen indirekt über die Messung der elektrischen Eingangsleistung und unter Abzug aller – aus anderen Messungen berechneten – Verluste anzugeben.

    Will man zudem auch noch beobachten, an welcher Stelle im Antriebsstrang sich "Energiefresser" verbergen, dann fängt man am besten vorne bei der Batterie an und arbeitet sich nach hinten zum Motor durch. Messtechnisch gesehen wäre das eine große Herausforderung, anhand berechneter (aus Messungen abgeleiteter) Kurven ist es hingegen einfach.

    Und schließlich: Die Eignung eines Systems für einen bestimmten Zweck ("Ich wohne am Berg, was brauche ich?" oder "Wie groß sollte mein Akku sein?") lässt sich vorab eigentlich nur mit Hilfe einer Simulation so richtig komfortabel überprüfen.


    Eisen- und Reibungsverluste

    Bei dieser Messung werden die Verluste ermittelt, die durch die Drehbewegung des Motors entstehen. Das sind z.B. Lagerreibungsverluste, Verluste an Dichtmanschetten, Hysterese- und Wirbelstromverluste im Blechpaket des Motors (verursacht durch das rotierende Magnetfeld), aerodynamische Verluste des rotierenden Laufrades (z.B. verursacht durch die Speichen) usw.

    Alle diese Verluste treten selbst im stromlosen Fall auf und hängen lediglich von der Drehzahl des Motors ab.

    Die Messung wird so durchgeführt, wie in der Hilfe im Programm angegeben, und die zugehörigen Messwerte werden in die Tabelle eingetragen. Dann wird auf Knopfdruck ("Analyse") eine Regressionsanalyse durchgeführt und ausgerechnet, inwieweit die ermittelten Verluste konstant sind bzw. linear oder quadratisch von der Drehzahl abhängen. Die Messpunkte sollten weitestgehend auf der ermittelten Ausgleichskurve liegen, ansonsten ist die Messung zu wiederholen. Je nach Lage kann es auch ausreichen, "Ausreißer" in den Messwerten einfach zu löschen. Die ermittelte Funktion wird unterhalb des Diagramms dargestellt und lässt sich nutzen, um zum einen die Qualität der Messung zu beurteilen und zum anderen, um die betreffenden Verluste für jeden Drehzahlpunkt zu ermitteln, auch wenn dieser nicht direkt gemessen wurde.

    Das Diagramm kann in die Zwischenablage kopiert (rechter Mausklick in einen leeren Diagrammbereich) oder abgespeichert werden (linker Mausklick in einen leeren Diagrammbereich).


    Batterieverluste

    Bei dieser Messung werden die Verluste ermittelt, die durch den Innenwiderstand der Batterie verursacht werden. Diese Verluste bestimmen, welche Energiemenge der Batterie tatsächlich entnommen werden kann. Man kann sich das leicht klar machen, wenn man mal die Entladung einer Batterie mit dem Strom I in der Zeit t betrachtet und dies einer Entladung mit dem Strom I / 2 in der Zeit 2 x t gegenüberstellt. Im ersten Fall beträgt die "verlorene" Energie I² x R x t und im zweiten Fall I² / 4 x R x 2 x t (also die Hälfte). Dieses Verhalten ist Teil dessen, was man als Peukert-Effekt bezeichnet.

    Die Messung wird so durchgeführt, wie in der Hilfe im Programm angegeben, und die zugehörigen Messwerte werden in die Tabelle eingetragen. Dann wird auf Knopfdruck ("Analyse") eine Regressionsanalyse durchgeführt und damit die rechnerische Leerlaufspannung sowie der (hier kontant angenommene) Widerstand der Batterie ermittelt. Ein quadratischer Term ist bei der Beschreibung der Batterieklemmenspannung unter Last (= Strom) bewusst nicht aufgenommen worden, da dieser dazu führen kann, dass die Ausgleichskurve für hohe Ströme einen vermeintlich negativen Widerstand darstellt. Der fehlende quadratische Term wird zwangsläufig dazu führen, dass die Ausgleichskurve schlechter mit den Messwerten übereinstimmt als bei der obigen Messung der Eisen- und Reibungsverluste. Die ermittelte Funktion wird unterhalb des Diagramms dargestellt und lässt sich nutzen, um das Verhalten der Batterie unter Last zu beschreiben, auch für Ströme, die nicht direkt gemessen wurden.

    Das Diagramm kann in die Zwischenablage kopiert (rechter Mausklick in einen leeren Diagrammbereich) oder abgespeichert werden (linker Mausklick in einen leeren Diagrammbereich).


    Wicklungsverluste

    Bei dieser Messung wird mit dem Wicklungswiderstand die Motorgröße gemessen, die bei Nabenmotoren im Pedelec-Bereich üblicherweise den größten Verlustanteil (nämlich die Kupferverluste) bestimmt. Die Messung ist daher mit hoher Sorgfalt und gemäß der Anleitung in der Hilfe im Programm durchzuführen. Da der Wicklungswiderstand recht klein ist, kann nicht direkt mit einem einfachen Ohmmeter gemessen werden. Es ist besonders darauf zu achten, dass sämtliche Verbindungen über eine festsitzende Verschraubung oder Klemmung hergestellt sind (gilt auch für die Messgeräte).

    Aus den drei ermittelten Messwerten und der Temperatur der Wicklung zum Zeitpunkt der Messung wird der sogenannte Kaltwiderstand des Motors (bei 20 °C) berechnet.

    Dieser Wert entspricht nicht dem Strangwiderstand des Motors.

    Es spielt dabei auch keine Rolle, ob der Motor in Stern- oder Dreieckschaltung ausgeführt ist.


    Controllerverluste

    Hier kann mit einfachen Mitteln nicht viel gemessen werden. Lediglich die Strombegrenzung (ist auf dem Controllergehäuse aufgedruckt und wirkt meist batterieseitig) kann ein Normalanwender problemlos beisteuern.

    Wer die MOSFET-Daten aus dem zughörigen Datenblatt ermitteln will, muss in aller Regel das Controllergehäuse öffnen, wodurch die Gewährleistung des Händlers erlischt. Außerdem sind beim Auseinander- und Zusammenbauen ein paar Dinge zu beachten: Es muss dafür gesorgt werden, dass sich durch diese Maßnahme die thermische Anbindung der MOSFETs an die Kühlfläche (Gehäuse) nicht verschlechtert und es ist zu beachten, dass sämtliche Isolierteile (Folien, Hüsen, ...) wieder exakt montiert werden.

    Das Vorhandensein eines aktiven Freilaufes kann per Messung nur von Experten überprüft werden. Möglich wäre auch, dass ein Händler mit entsprechenden Kontakten zu den Entwicklern diese Eigenschaft (und bei der Gelegenheit auch gleich noch den MOSFET-Typ und das Wirkprinzip der Strombegrenzung) als Service für seine Kunden abfragt.


    Ausgabe der Motorkonstanten

    Dieses Feld dient nur der Information. Es ist deshalb aufgenommen, weil dieser Wert das zentrale Verhalten des Motors beschreibt und daher als eine Art Fingerabdruck bezeichnet werden kann.


    Sonstiges

    Hier werden die folgenden Werte eingegeben:

    • Reifendurchmesser (so wie er sich aus dem tatsächlichen Abrollumfang berechnet)

    • Eigenleistung des Fahrers (um den tatsächlichen Betrieb als Pedelec berechnen zu können)

    • Betriebstemperatur des Motors (um die Widerstandsänderung der Wicklung bei Betriebstemperatur berücksichtigen zu können)
     
    Zuletzt bearbeitet: 09.11.09
  5. Christian

    Christian Team

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    Ermittlung der Fahrwiderstände

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    Einleitung

    Von den derzeit drei EPACSim-Modulen ist dies das einfachste. Die Ein- und Ausgaben sind nahezu selbsterklärend. Wer noch Berührungsängste mit EPACSim hat, sollte vielleicht einfach hier starten.

    Um dieses Modul nutzen zu können, sind keine Eingaben in den anderen beiden Modulen erforderlich.

    Der Fahrwiderstandrechner hilft bei der Ermittlung der Fahrleistung für einen bestimmten Fahrzustand. Dieser Leistungsbedarf ist völlig unabhängig vom verwendeten Motor.


    Durchführung der Berechnungen

    Nach Eingabe der Umgebungsbedingungen

    • Temperatur (erforderlich wegen der Luftdichte)

    • Höhe über dem Meeresspiegel (erforderlich wegen des Luftdruckes)

    • relative Luftfeuchte (erforderlich wegen der Luftdichte)

    • Gegenwind (bei Rückenwind einfach negative Werte eingeben)

    • Gesamtgewicht (Pedelec plus Fahrer)

    • Steigung (bei Gefälle einfach negative Werte eingeben)

    sowie der Vorgabe von

    • Luftwiderstandsbeiwert (Auswahl aus Liste möglich)

    • Rollwiderstandsbeiwert (Auswahl aus Liste möglich)

    • Stirnfläche (Auswahl aus Liste möglich)

    kann man jeweils zwei Werte ermitteln

    • die benötigte Antriebsleistung für die vorgegebene Geschwindigkeit

    • die Geschwindigkeit, die sich mit der vorgegebenen Leistung erzielen lässt

    Das ist durchaus auch für "normale" Radfahrer interessant. Oder kann jemand aus dem Stegreif sagen, wie schnell man ohne Antrieb bei einem Gefälle von drei Prozent wird und ob dabei das Gewicht eine Rolle spielt oder nicht ... ? ;)

    Das Diagramm kann in die Zwischenablage kopiert (rechter Mausklick in einen leeren Diagrammbereich) oder abgespeichert werden (linker Mausklick in einen leeren Diagrammbereich).

    Bei diesem Modul ist Eure Mithilfe erforderlich. Die eingepflegten Beispiele für Luft- und Rollwiderstandsbeiwerte sowie für typische Stirnflächen sind noch lückenhaft und bedürfen einer Überarbeitung und Ergänzung. Ihr findet die Werte in der Datei Beiwerte.csv im Installationsverzeichnis von EPACSim. Bitte nehmt dieses Thema selbst in die Hand und ladet Bereinigungen und Erweiterungen der Datei im Diskussionsthread hoch.
     
    Zuletzt bearbeitet: 09.11.09
  6. Christian

    Christian Team

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    Fahrdiagramme / Systemsimulation

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    Einleitung

    Von den derzeit drei EPACSim-Modulen ist dies das aufschlussreichste. Eingaben sind - außer der Drehgriffstellung - nicht erforderlich. Beim Umgang mit den Diagrammen ist vermutlich eine kleine Einarbeitung notwendig.


    Leistungen

    In diesem Diagramm werden die folgenden Leistungen dargestellt:

    • aufgenommene elektrische Motorleistung (P_mot_auf)

    • abgegebene mechanische Motorleistung (P_mot_ab)

    • Verlustleistung im Motor (P_mot_v)

    • Verlustleistung im Controller (P_con_v)

    • Verlustleistung in der Batterie (P_bat_v)

    • gesamte abgegebene mechanische Leistung inkl. Tretleistung (P_ges_ab)

    • erforderliche Leistung zur Überwindung von Luft-/Rollreibung sowie Steigleistung (P_wid)

    Die dargestellten Kurven werden auf Basis der Eingaben im Modul Systemparameter bzw. im Modul Fahrwiderstände berechnet.

    Der Schnittpunkt von P_ges_ab und P_wid stellt den Punkt bzw. die Geschwindigkeit dar, bei dem/der ein Leistungsgleichgewicht herrscht zwischen erforderlicher und bereitgestellter Leistung. Man bezeichnet diesen Punkt als stationären Arbeitspunkt. Es ist leicht festzustellen, dass sich die Lage dieses Punktes über die Drehgriffposition beeinflussen lässt.

    Wichtig: Ein starke Änderung der Drehgriffposition im realen Betrieb führt dazu, dass sich die Leistungen gleichfalls stark ändern (wie im Diagramm dargestellt). Allerdings - und diese Feststellung ist wesentlich - ändert sich die Geschwindigkeit im Vergleich dazu entsprechend der Beschleunigung nur recht langsam. Sie "kriecht" ausgehend von der ursprünglichen Geschwindigkeit auf den neuen stationären Arbeitspunkt zu. Bis dieser erreicht ist (sich die Geschwindigkeit also nicht mehr ändert), gelten natürlich nicht die Leistungen/Wirkungsgrade/Ströme des neuen Arbeitspunktes sondern die Werte "auf dem Weg dahin", also entsprechend der jeweiligen momentanen Geschwindigkeit!


    Wirkungsgrade

    In diesem Diagramm werden die Wirkungsgrade von Motor (eta_mot) und Gesamtsystem (eta_sys) dargestellt. Letzterer also inklusive aller Verluste im Antriebsstrang (Batterie, Controller, Motor). Man erkennt je nach System einen deutlichen Unterschied zwischen dem vom Hersteller angegebenen Motorwirkungsgrad und dem, was im Betrieb wirklich zählt.


    Ströme

    In diesem Diagramm werden Batterie- und Motorstrom dargestellt. Falls Knicke in den Kurven vorhanden sind, greift im Bereich links davon die eingestellte Strombegrenzung. Man kann schön erkennen, dass z.B. eine vorhandene Batteriestrombegrenzung noch lange nicht sicherstellt, dass der Motorstrom auf den gleichen Wert begrenzt wird.


    Verbrauch

    Dieser Wert gibt an, wie hoch der tatsächliche Energiebedarf pro gefahrenem Kilometer in der jeweiligen Fahrsituation ist. Der Wert muss höher ausfallen, als er beispielsweise mit einem Watts-Up gemessen würde, denn dieses erfasst die Batterieverluste naturgemäß nicht.
     
    Zuletzt bearbeitet: 09.11.09


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