Optimierung des Wirkungsgrads eines BLDC-Motors für Elektroroller mit dem Dewesoft-Leistungsanalysator

Elektroroller (E-Scooter) werden im Stadtverkehr immer beliebter, da sie eine nachhaltige und effiziente Fortbewegungsmöglichkeit bieten. Um ihren optimalen Betriebsspannungsbereich zu bestimmen und ihre Leistungsfähigkeit zu maximieren, ist es entscheidend zu verstehen, wie sich die Ausgangsleistung eines BLDC-Motors in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung verändert. Dewesoft-Tools halfen dabei, den optimalen Spannungsbereich für eine maximale Motoreffizienz zu bestimmen.

Bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC Motor, BLDC) sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads, ihrer präzisen Regelbarkeit und ihrer kompakten Bauweise in modernen Geräten weit verbreitet. Sie kommen zum Beispiel in Elektrofahrzeugen wie Rollern und Drohnen sowie in Computerlüftern, bei der Industrieautomatisierung und in HLK-Systemen zum Einsatz.

Ein BLDC-Motor ist ein Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird, jedoch ohne die mechanischen Bürsten und den Kommutator klassischer Bürstenmotoren auskommt. Anstelle von Bürsten, die die Stromrichtung in den Motorwicklungen umschalten, verwenden BLDC-Motoren eine elektronische Steuerung. 

Ein BLDC-Motor verwendet also keinen mechanischen Kommutator zur Stromumschaltung, sondern nutzt die Wechselwirkung zwischen einem rotierenden Permanentmagnet-Rotor und dem elektronisch erzeugten elektromagnetischen Feld des Stators. 

Der Rotor enthält typischerweise Permanentmagnete, während der Stator über Wicklungen verfügt. Durch den Wegfall von Bürsten reduzieren sich Reibung und Verschleiß, was dazu führt, dass ein BLDC-Motor einen höheren Wirkungsgrad, eine längere Lebensdauer und einen leiseren Lauf aufweist. Zudem verringert sich der Wartungsaufwand.

Hintergrund

Die Technische Universität Tallinn (TalTech) ist eine forschungsorientierte Universität mit Schwerpunkt auf Ingenieurwesen, Wirtschaft, öffentlicher Verwaltung und maritimen Themen. Die Universität hat nahezu 10 000 eingeschriebene Studierende, von denen etwa 11 % aus mehr als 100 verschiedenen Ländern weltweit stammen.

Die Forschungsgruppe für Mechatronik und autonome Systeme an der TalTech führt verschiedene Forschungs- und Studienprojekte durch. Der primäre Fokus liegt auf der Entwicklung eines digitalen Zwillings des Antriebsstrangsystems für ein autonomes Elektrofahrzeug.

Die weltweite Einführung von Elektrofahrzeugen hat in den letzten Jahren an Dynamik gewonnen und geht mit einer zunehmenden Hinwendung zu nachhaltigeren Verkehrsformen einher. E-Scooter haben sich dabei aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Bequemlichkeit und vergleichsweise geringen Umweltbelastung als beliebte Option für urbane Mobilität etabliert. 

Eine aktuelle Marktanalyse von Grand View Research schätzt den globalen Markt für E-Scooter im Jahr 2023 auf rund 37,07 Mrd. USD. Zudem prognostiziert die Gruppe einen Anstieg auf 78,65 Mrd. USD bis 2030, was einer jährlichen Wachstumsrate von 9,9 % entspricht [1].

Der Energieverbrauch eines einzelnen E-Scooters ist zwar gering im Vergleich zu Elektroautos, privaten Haushalten oder urbaner Infrastruktur. Aufgrund der rapide zunehmenden Zahl dieser Fahrzeuge in urbanen Gebieten weltweit ergibt sich jedoch ein signifikanter Gesamtenergiebedarf. 

Daher können schon geringe Effizienzsteigerungen auf Motorebene zu signifikanten Verringerungen des globalen Energieverbrauchs beitragen. Dies unterstreicht die Bedeutung der Optimierung kleiner Elektromotoren im Rahmen umfassenderer Bestrebungen zur Steigerung der Energieeffizienz.

Kompakte und effiziente BLDC-Motoren werden als Antriebseinheiten für E-Scooter eingesetzt. Für ihren effektiven Betrieb ist eine präzise Regelung von Spannung und Strom unerlässlich. Der Wirkungsgrad dieser Motoren hängt maßgeblich von der Qualität und Stabilität der Energieversorgung ab, die üblicherweise durch Lithium-Ionen-Akkupacks bereitgestellt wird. 

Die Ausgangsspannung eines Akkus wird durch Faktoren wie Ladezustand, Temperatur und die auf den Motor wirkende Last beeinflusst. Solche Spannungsänderungen können sich unmittelbar auf den Energieverbrauch, das abgegebene Drehmoment und das gesamte Nutzererlebnis auswirken. 

Das Datenerfassungssystem von Dewesoft ist bestens geeignet, den Einfluss des Spannungsniveaus auf die Performance von BLDC-Motoren in E-Scootern zu untersuchen. Durch synchronisierte, hochauflösende Messungen von Spannung, Strom und Drehmoment ermöglicht es eine umfassende Analyse des Motorverhaltens.

Zielsetzung

Ziel meiner Untersuchung ist es, zu analysieren, wie Variationen der Versorgungsspannung die maximale mechanische Ausgangsleistung eines typischen BLDC-Motors in einem E-Scooter beeinflussen. Durch die Auswertung von Energieverbrauch und Drehmoment bei unterschiedlichen Eingangsspannungen lässt sich der optimale Spannungsarbeitsbereich für eine Erhöhung des Wirkungsgrads und Verlängerung der Batterielebensdauer bestimmen.

Test- und Datenerfassungsgeräte

Zur Bewertung des Leistungsverhaltens eines BLDC-Motors unter verschiedenen Betriebsbedingungen wurde ein kompakter Prüfstand aufgebaut. Dieser bestand aus einem BLDC-Motor, der mit einer Magnetpulverbremse als variabler Last gekoppelt wurde, sowie mehreren Sensoren zur Erfassung wesentlicher elektrischer und mechanischer Parameter (siehe Abb. 2). 

Das System ermöglichte eine präzise Steuerung und Messung von Eingangsspannung, Strom, Drehmoment und Drehzahl. Im Einzelnen kamen im Versuchsaufbau die folgenden Komponenten zum Einsatz:

Datenerfassungssystem und Leistungsanalysator

• SIRIUSi-4xHV-4xLV – modulares Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem und Leistungsanalysator mit 4 Hochspannungs- und 4 Niederspannungs-Analogeingängen

• DEWE-43A – 8-kanaliges USB-Datenerfassungssystem für zusätzliche analoge Eingangskanäle und digitale Signale

• Synchronisationskabel – für eine präzise zeitliche Abstimmung

Sensoren und Wandler

• Stromzange CP30 (100 mV/A) – zur Messung der Versorgungsströme

• 3 × Stromzange PR200 (10 mV/A) – zur Messung der Phasenströme

• Drehmomentsensor DYN-200 – Analogausgang 0–5 V, Drehmomentbereich bis 30 Nm

• Drehzahlausgang DYN-200 – Rechtecksignal, Amplitude 6 V (zur Drehzahlmessung)

Motor und Last

• BLDC-Scootermotor – 1 kW, 48 V Nennspannung

• Motorsteuerung – ASI BAC555

• Lastmaschine – Magnetpulverbremse (25 Nm) zur regelbaren mechanischen Belastung

Software für Datenerfassung und Leistungsanalyse

• DewesoftX Professional – zur synchronisierten Erfassung, Visualisierung und Analyse von Daten

• DewesoftX Power Analyzer – DewesoftX-Softwaremodul zur umfassenden Leistungsanalyse mit über 100 spannungs- und strombasierten Parametern zur Bewertung des Motorenergieverbrauchs

Methodik

Hauptziel dieses Tests war es, zu untersuchen, wie ein typischer BLDC-Motor in einem E-Scooter auf Variationen der Versorgungsspannung reagiert. Für das Experiment wurde der Motor zunächst mit einer konstanten Drehzahl von 400 U/min betrieben. Dann wurde die mechanische Last schrittweise erhöht, bis der Motor die Solldrehzahl nicht mehr halten konnte und schließlich zum Stillstand kam. 

Danach wurde die Last wieder reduziert, bis der Motor erneut stabil lief. Dieses Verfahren wurde für 15 verschiedene Spannungsstufen – beginnend bei 36 V und in 1-Volt-Schritten steigend bis 50 V – wiederholt. Bemerkenswert ist, dass der Motor unterhalb von 36 V sowie oberhalb von 50 V nicht anlief; diese Werte definieren somit die effektive untere bzw. obere Testgrenze.

Alle Messdaten wurden mit der erwähnten DewesoftX-Software erfasst. Dabei wurden folgende Parameter aufgezeichnet:

• Drehmoment 

Erfassung direkt über den Drehmomentsensor am DEWE-43A-Modul

• Rotationsgeschwindigkeit

Bestimmung mithilfe eines Winkelpositionsalgorithmus, der auf das Rechteck-Ausgangssignal angewendet wurde

• Eingangsleistung

Berechnung durch das Leistungsanalyse-Plugin von Dewesoft auf Grundlage der gemessenen Motorströme und -spannungen

• Ausgangsleistung

Berechnung aus dem Produkt von Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit

• Wirkungsgrad

Berechnung aus dem Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung (in %)

Zusätzlich zur grafischen Datenanzeige wurden sechs digitale Messskalen zur Echtzeitdarstellung von Drehmoment, Drehzahl, Ein- und Ausgangsleistung, Wirkungsgrad und Versorgungsspannung konfiguriert (siehe Abb. 3 und 4). Dieses Setup bot

Testergebnisse und Analyse

Abb. 5 zeigt die Ergebnisse des Spannungs-Sweep-Tests in einer Grafik mit dem Titel Maximale mechanische Ausgangsleistung vs. Versorgungsspannung. Die Darstellung lässt erkennen, dass zwischen Versorgungsspannung und maximaler mechanischer Ausgangsleistung des BLDC-Motors eine überwiegend positive Korrelation besteht – insbesondere im Bereich von 36 V bis 45 V.

Bei der niedrigsten untersuchten Spannung (36 V) zeigte der Motor eine deutlich reduzierte Ausgangsleistung mit einem Maximum von rund 472 W. Mit steigender Versorgungsspannung erhöhte sich auch die Ausgangsleistung und erreichte im Bereich von 45–46 V Werte von über 560 W. Diese Leistungszunahme ist vermutlich auf eine stabilere Stromversorgung und günstigere elektromagnetische Bedingungen im Motor zurückzuführen.

Interessanterweise traten oberhalb von 45 V leichte Rückgänge bzw. unregelmäßige Schwankungen in der Ausgangsleistung auf. Diese Variationen könnten auf die interne Spannungsregelung der Motorsteuerung, thermische Begrenzungen oder inhärente Nichtlinearitäten im Motorverhalten bei höheren Spannungen zurückzuführen sein.

Die höchste Leistung wurde bei einer Versorgungsspannung von 45 V gemessen. Dies deutet darauf hin, dass diese Spannung den optimalen Betriebspunkt zur Maximierung der mechanischen Leistung bei gleichzeitiger Vermeidung der bei niedrigeren Spannungen beobachteten Ineffizienzen oder der bei höheren Spannungen auftretenden potenziellen Instabilitäten darstellt. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse, dass die Versorgungsspannung einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines BLDC-Motors hat und dass eine präzise Abstimmung der Versorgungsspannung eine geeignete Maßnahme zur Optimierung des Energieverbrauchs in E-Scootern darstellt.

Fazit

Meine Untersuchung zeigt, dass die Versorgungsspannung einen maßgeblichen Einfluss auf die maximale mechanische Ausgangsleistung von BLDC-Motoren in E-Scootern hat. Durch systematische Variation der Eingangsspannung und Analyse der resultierenden Ausgangsleistung konnte ein optimaler Spannungsbereich –  insbesondere um 45 V – identifiziert werden, bei dem der Motor seine höchste Leistung und den besten Wirkungsgrad erreicht.

Der Betrieb unterhalb dieses Bereichs führte zu deutlichen Einbußen bei der Ausgangsleistung, erforderte höhere Ströme und verursachte Ineffizienzen beim Energieverbrauch. Höhere Versorgungsspannungen hingegen führten zu Unregelmäßigkeiten und potenzieller Instabilität, vermutlich bedingt durch Steuerungs- oder Systemgrenzen.

Die Erkenntnisse dieser Untersuchung können E-Scooter-Herstellern und Systementwicklern dabei helfen, Batteriemanagementsysteme, Steuerungsalgorithmen und den Gesamtenergieverbrauch zu optimieren. Selbst geringe Verbesserungen auf Motorebene können – bei Millionen von Fahrzeugen weltweit – zu erheblichen Energieeinsparungen führen.

Die verwendete Ausrüstung von Dewesoft erwies sich als besonders gut geeignet: Ihre synchronisierte, hochauflösende Datenerfassung und Echtzeitanalyse liefert präzise und zuverlässige Daten und stellt damit ein wertvolles Werkzeug zur Bewertung und Optimierung elektrischer Antriebssysteme dar.

Referenzen

Grand View Research. Electric Scooters Market Size, Share & Trends Analysis Report by Product, by Battery, by Voltage, by Region, and Segment Forecasts, 2023 - 2030.