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elektrotechnik:rekuperation

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Rekuperation

I. BionX PL250HT

1. Wirkungsgrad

Bei getriebelosen Nabenmotoren am Beispiel des BionX PL250HT - Messungen am Berg, Tipps fuer den besten Wirkungsgrad.

Den Berg runter sausen und die Hoehenenergie (Potentialenenergie Ep=m*g*h) in den Akku speichern, um den naechsten Berg mueheloss mit hoher Motorunterstutzung zu fahren, wer will das nicht? Wenn das zu 100% funktionieren wuerde, also ohne Verluste, koennte man unzaehlige Berge fahren. Jeder weis, ein schoener Traum, funktioniert aber nicht.

Wie gross der Wirkungsgrad tatsaechlich ist?

Im Internet kann man verschiedenne Aussagen finden von „bringt gar nix“ bis „ich kaufe speziell den Motor, weil er Rekupieren kann“. Zahlen kursieren von 5% bis 30%. Meistens ohne jeglichen haltbaren Beweiss. Dabei wird das Hochfahren und Runterfahren zusammengerechnet. Irgendwelche Balken in der Akkuzustandanzeige koennen doch nicht mal als Schaetzeisen diennen, weil sie mal verschwinden mal kommen, je nach dem ob man gerade starken Strom aus dem Akku gezogen hat, wodurch die Akkuspannung einbricht oder rekupiert hat, wodurch die Spannung hoch geht.

Da ich ein Hang zum Experimentieren und Messen habe, dachte ich mir, warum nicht, das machst Du. Um eine vernueftige Messung durchzufuehren bedarf es

2. Definition was man messen will, was ist die Fragestellung, was will man erreichen.

In diesem Aufsatz wird der Wirkungsgrad der Rekuperation folgends definiert:

Verhaeltniss der eingespeicherten elektrischen Energie in den Akku dividiert durch potentielle Energie der Hoehe, die man abgefahren hat.

*auf den Roll- Luftwiderstand wird wegen der Einfachheit verzichtet, kann aber reingerechnett, veraendert das Ergebniss wenig.

Eta_reku=E_reku/Ep, wo

E_Reku = geladene Strommenge mal Spannung Ah*Volt, oder einfach Wh

Ep=m*g*h

m – Systemmasse in kg

g = 9.81m/s2

h – hoehenunterschied zwischen Oben und Unten in m

Die Fragestellung ist:

wie haengt dieser Wirkungsgrad von beeinflussbaren Bedingungen ab, wie Geschwindigkeit, die man durch den Reku-Level steuern kann

Was will ich erreichen:

Das Ergebniss soll klare Tipps geben, wie man sich bei Rekuperation verhalten soll, um maximalle Energie in den Akku zu speichern, wenn man es will.

Um dieses Vorhaben zu realisieren braucht man:

3. definierte Messstrecke,

am besten wie eine Rampe, mit barometrisch vermessenen Hoehe der Enden, nennen wir sie „Unten“ und „Oben“ und genau vermessenen Laenge durch GPS-Track

4. Messinstrumentarium fuer

- akkumulieren des Stromes in Ah zB Turnigy Watt-meter - akkumulieren der Energie in Wh zB Turnigy Watt-meter - Dauer jede Fahrt, um Durchnittgeschwindigkeit zu bestimmen, entweder mit Stoppuhr oder wie ich es mache, mit aufgezeichnetten GPS-Track mit engen Punkten zB Garmin eTrex Vista

5. mathematische Berechnung

mittels zB Excell


Messstrecke und Systemgewicht

Die Messstrecke soll schon um die 50 bis 100 Hm haben. Wichtig ist die auf Meter genaue Hoehe zu vermessen. Das geht perfekt mit barometrischen Hoehenmeter. GPS-basierte Hoehenbestimmung reicht hier nicht. Meine Strecke ist die Auffahrt zum Schlossberg in Herrenberg bei Stuttgart. Oberflaeche Asphalt, Neigung zwischen 5 und 17%, im Schnitt 8%. Zick-zack-Strasse in einem Wohngebiet am Hang zum Schlossberg (meine Bilder). Ein Panorama von dem Schlossberg habe ich 2004 geschossen. Panorama vom Schlossberg in Herrenberg mit Azimut und Entfernung - aufs Bild klicken und F11 druecken

Der Punkt „Unten“ befindet sich in Laemleshalde in Herrenberg. Der Punkt „Oben“ am Ende Am Joachimsberg, am Parkplatz. Hoehenunterschied 75Hm.

Punkt Unten in Google Maps

Interner Link

Aus diesen Daten berechne ich die Ep=m*g*h (potentielle Energie der Hoehe zu 83728Ws oder 23.26Wh:

Interner Link

Was bedeutet das?

23.26Wh potentielle Energie wird waehrend der Fahrt nach unten umgesetzt in Luf- und Rollwiderstand, in die Verluste der Generierung des Stromes und in die tatsaechliche geladene Energie.

Diese Strecke wurde 9 mal hoch und runter gefahren. Die ersten 5 Fahrten nach unten diennen der Rekuperation, ohne zu tretten. Es werden Oben und Unten die Werte fuer Ah, Wh, Volt im Notizblock aufgeschrieben. Die Fahrtdauer wird spaeter aus dem GPS-Track rausgelesen und die Durchnittgeschwindigkeit bestimmt.

Fahrt #1: mit Reku-Level 4 fahre ich sehr langsam und dachte das ist das beste, da ich kein Luftwiderstand und kein Rollwiderstand habe, die Stromanzeige in der Konsole zeigt den groessten Motorstrom, was aber nicht bedeutet, dass der Strom im Akku hoch ist. Wie sich zeigt, ist die Eta die kleinste, nur 11% der potentiellen Enrgie der Hoehe landet im Akku. Somit ist die Stromanzeige eigentlich umbrauchbar, sie hat sugeriert, dass ich viel Strom lade. Das ist nicht der Fall. Wie ich es spaeter erklaere, ist der Motorstrom zwar gross, was die Stromanzeige zeigt, aber dadurch dass die Drehzahl des Rades und somit Drehzahl des Motors/Generators klein ist, ist auch die Spannung sehr klein. Diese kleine Spannung, mit zwar hohen Strom resultiert in wenig Strom auf der Akkuspannung von 40V. Es werden nur 0.063Ah geladen.

Fahrt #2: mit Reku-Level 3 fahre ich diesmal viel zu schnell und muss an den zwei Kurven die ich nehmen muss, mechanisch bremsen. Bei dieser Fahrt mit der hoechsten Geschwindiglkeit erreiche ich auch den hoechsten Wirkungsgrad. 37% der potentiallen Energie Ep landet im Akku. Es werden 0.212 Ah geladen.

Nun habe ich zwei Extreme abgefahren: die langsamste und die schnellste Fahrt. Zeit fuer Zwischenwerte. Ich versuche laut Tacho die Fahrten mit Umschalten zwischen Reku-Level 2, 3 und 4 Geschwindigkeiten von 25, 20 und 15 kmh zu erreichen. Tatsaechlich sieht man in den GPS-Tracks, dass ich leicht andere mittlere Geschwindigkeiten erreicht hatte.

Fahrt #3: Ziel der Geschwindigkeit 25kmh (erreicht 24.77). Der Wirkungsgrad betraegt 35%. Es werden 0.203 Ah geladen.

Fahrt #4: Ziel der Geschwindigkeit 20kmh (erreicht 21.71). Der Wirkungsgrad betraegt 34%. Es werden 0.199 Ah geladen.

Fahrt #5: Ziel der Geschwindigkeit 15kmh (erreicht 16.44). Der Wirkungsgrad betraegt 24%. Es werden 0.144 Ah geladen.

Der Auszug aus der weiter unten beigefuegten Excell Tabelle zeigen die Berechnung:

Interner Link

Die graphische Darstellung zeigt ganz klar um so schneller desto besser.

Interner Link

Warum ist das so?

Angenommen der Motor/Generator generiert direkt die noetigen 40V erst bei 40-45kmh, was man auch beobachten kann, faehrt man so schnell. Damit ist die generierte Spannung bei niedrigen Geschwindigkeiten proportional niedriger und muss hoch transformiert werden (step-up Wandler). Da der Motor-Innenwiderstand konstat ist, steigen die Verluste mit der Zunahme des Generatorstromes bei niedrigen Generatorspnnungen. Das Eta der Konversion sinkt linear, um so geringer die Drehzahl des Rades. Genau das sehen wir in dem Graph. Eigentlich hat so ein Generator ein Eta von ca 85 bis 88%, wenn er an die Last angepasst wird. Das endgueltige Eta von 35% beinhaltet nicht nur den Wirkungsgrad des Generators von ca 85%, des Step-up Wandlers, aber auch die Umsetzung der mechanischen potentiellen Energie der Hoehe in die Rotation des Generators (Reifen, Rollwiderstand, Luftwiderstand - was hier nicht behandelt wurde).

Verlaengert man die Linie bis 30 kmh bekommt man ca 52%, bis 45 kmh ca 82% Eta, was dem Generator-Wirkungsgrad ohne Hochtransformieren der Spannung entsprechen wuerde. Natuerlich sind Verluste fuer Roll- und Luftwiderstand dann so gross, das Gesammt-Eta sinkt. Das Optimum durfte dazwischen liegen.

6. Fazit:

Die beste Rekuperation existiert bei hohen Geschwindigkeiten. Das Abwuergen des Generators mit kleinen Geschwindigkeiten, obwohl schoen in der Motorstromanzeige mit hohen Werten belohnt, bringt kleineren Akku-Ladestrom.

Die nachfolgende Tabelle zeigt den mittleren Akku-Ladestrom ueber die ganze jeweilige Fahrt. Es handelt sich nicht um den Spitzenstrom, welchen der Wattmeter zeigt (8A) sondern um den mittleren Strom. Diese Strom fliesst hier 2 bis 3 Minuten und ist fuer den Akku nicht zu schaedlich.

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Es wurde gezeigt, dass 75 Hoehenmetter bringen ca 0.2 Ah in den 37V-Akku, wenn man 22-25kmh runterfaehrt.

Wie viel Akku-Energie braucht man um wieder hoch zu kommen?

Um diese Frage zu beantworten, hatte ich den Watt-Meter in der Leitung zum Akku umgedreht, um den bezogenen Strom zu messen und bin 3 mal hochgefahren, mit Motorunterstuezung 2,3,4 (75%, 150%, 300%). Mein persoenlicher Einsatz versuchte ich konstant zu halten bei ca 150W_mechanisch.

In der folgenden Tabelle sind die 3 Fahrten dargelegt. Fuer jede Geschwindigkeit wird auch die Wkin gerechnet, die Rolleistung/Luftwiderstand. Es wird ausgerechnet was der Motor an mechanische Leistung gebracht hat. Diese Wird durch die verbrauchte Akku-Energie dividiert, um das Motor-Eta zu bekommen. Diese Zahl diennt aber nur als Trendanzeige (zwischen fahrt 7 und 8) da ich die tatsaechliche Fahrerleistung nicht kenne. Ein Motor-Eta misst man im Labor.

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Der Wirkungsgrad ueber die Fahrt hoch und runter, berechnet man als Verhaeltniss der in den Akku reingeladenen Energie (hier 0.2Ah bei 37V und schneller Runterfahrt) durch die bezogene Energie aus dem Akku fuer die Hochfahrt:

- 0.40 Ah mit Unterstuezung 75%, entspricht Level 2, somit Gesammt-Eta 50%, Fahrer strampelt sich ab

- 0.55 Ah mit Unterstuezung 150%, entspricht Level 3, somit Gesammt-Eta 36%, normaller Fahrer

- 0.825 Ah mit Unterstuezung 300%, entspricht Level 4, somit Gesammt-Eta 24%, bequemer Fahrer, ohne Muehe hoch

7. Fazit:

Strampelt man sich mit niedrigen Unterstuetzung ab, verbraucht man bei der nach oben Fahrt wenig Akku, dann erreicht man bei schneller Runterfahrt ein Gesammt-Eta von 50%. Um so bequemmer man nach oben faehrt, desto mehr verbraucht man Akku Energie, die man nicht mehr zurueckgewinnen kann, Gesammt-Eta sinkt auf 36 oder 24%.

Daraus laesst sicht eine einfache Fastregel erstellen, die man sich gut merken kann: BionX Reku-Effizienz = 1 / Level beschrieben hier: http://www.pedelecforum.de/forum/showthread.php?8732-BionX-Reku-Effizienz-Faustregel&p=113184#post113184 —- —- Hier noch der Akku-Verbrauch fuer jede 100 Hoehenmeter bei unterschiedlichen Motor-Level (75%, 150%, 300%)**

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torcman 25 Jan 2011 an einigen Stellen musste ich eine Vereinfachung einlegen, ich bitte um Nachsehen.

es wird noch editiert

Neu 2012

ich werde in den naechste Tagen hier ein Paar Themen noch einschneiden.

Fuer diejenigen die sich fragen, mit welche Geschwindigkeit soll ich den steilen Berg runter sausen, um die groesste Energie in den Akku zu bekommen verweise ich auf:

http://www.pedelecforum.de/forum/showthread.php?14882-Rekuperation&p=260024#post260024

torcman 29.11.2012

II. Crystalyte HS4080 i.V.m. EB312 Controller

elektrotechnik/rekuperation.1428346497.txt.gz · Zuletzt geändert: 2019/05/02 18:41 (Externe Bearbeitung)