Ausgewählte Kapitel aus Verbrennungskraftmaschinen: Hybridisierung Em. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil G. Hohenberg - Lexus 400h Lexus 600h Toyota ...
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Ausgewählte Kapitel aus Verbrennungskraftmaschinen: Hybridisierung
Em. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil G. Hohenberg
office@ivd-hohenberg.at
Lexus 400h
Lexus 600h
Toyota Prius
Honda Civic
VW up
Prof. Hohenberg GmbH
Renault Kangoo
Wohin geht die Elektrifizierung? 3 Wege sind aussichtsreich:
Batterieelektrisches
Fahrzeug
Micro-/Mild-Hybrid Plug-In Hybrid
mit 48V Mit Hochvolttechnik
8. Juni 2015 Seite 2
Entwicklungs-Schwerpunkte (Wien 2015)
(Treiber Datenverwertung)
Vernetzung / Automatisiertes /
Kommunikation Autonomes Fahren
Elektrifizierung / Hybridisierung
(CO2-Gesetgebung Treiber)
„Die Technik ist vorhanden, ob allerdings der Kunde die neue, teurere
Technologie kauft?“ Zitat aus Wien 2015
8. Juni 2015 Seite 3
Entwicklung der Elektromobilität
Hype-Zyklus nach (Gartner) Hohenberg
8. Juni 2015 Seite 4
AUDI R8 e-tron
Quelle: Audi, Wiener Motorensymposium 2015
„Ein technologischer Leuchtturm ist der neue Audi R8 e-tron“
„Alles andere als normal ist seine batterieelektrische Reichweite von mehr als 450 Kilometern.“
„Erreicht haben wir dies vor allem durch eine neue Batterietechnologie.“
„Wir werden in den kommenden Jahren weitere Reichweitensteigerungen erleben.“
Prof. Dr. Winterkorn, Wien 2015
8. Juni 2015 Seite 5
Li-Ion-Batterie: optimistische Roadmap Hochenergiebatterien
Quelle: Audi, Wiener Motorensymposium 2015
„Kurzfristig erwarten wir eine Zunahme der Energiedichte um fast 50 Prozent auf 380 Wh/l.
Ein e-Golf käme damit rund 300 Kilometer weit.“
„Eine Energiedichte jenseits von 700Wh/l ist nur mit neuen Ansätzen zu schaffen,
etwa durch Batterien mit Festkörperelektrolyten.“
„Sie ermöglichen eine Vervielfachung der heutigen Energiedichten um den Faktor 4.“
Prof. Dr. Winterkorn, Wien 2015
8. Juni 2015 Seite 6
Die Ladedauer – ein maßgeblicher Faktor für die Elektrifizierung
Konventionelle Tankstelle
40l/min Fördermenge am Zapfhahn Elektrische 6h elektrisch
Kraftstoff für 100 km Anschlussleistung
näherungsweise in 10 sek. 3kW
6kW 15kW
Heute übliche elektrische
Anschlussleistung für 1-
Familienhaus bei etwa 20 kW
Schnelladung verringert die
Lebensdauer der Batterie
1 min flüssiger
Kraftstoff
8. Juni 2015 Seite 7
Inhalt
1. Motivation/Vorteile einer Hybridisierung / Elektrifizierung
2. Möglichkeiten der Hybridisierung?
3. Besondere Gesichtspunkte:
1. Rekuperationspotential ist begrenzt
2. Downsizing/-speeding sinnvoll für VKM und E – Motor
3. Reichweitenproblem durch Batterie
4. Batterie Lebensdauer
5. Reale Betriebskostenersparnis eines EV
6. Auswirkungen auf die Verbrennungsmotorenentwicklung
7. Fazit: Wann setzt sich ein E – Fahrzeug durch?
8. Juni 2015 Seite 8
Vorteile einer Hybridisierung / Elektrifizierung
8 16
Leistung [kW]
Geschwindigkeit [km/h]
Geschwindigkeit
6 12
4 8
2 4
0 0
• Start/Stopp -2
-4
Elektrisch -6
Leistung
• „Boost“ -8
0 5 10 15 20 25 30 35 40
E-Booster Zeit [sec]
140
• Rekuperation 120
100
Torque [Nm]
0.33
80
•
0.32
Betriebspunktverschiebung 60 0.30
0.28
40 0.26
0.20
• rein elektrisches Fahren 20
0
0.10
1000 2000 3000 4000 5000 6000
lokal emissionsfrei Engine speed [rpm]
0.26
0.28
0.33
0.32
0.30
0.33
0.32
0.30
0.28
0.26
0.33
0.32
0.30
0.28
0.26
• CO2 – Zertifizierung / Realer Verbrauch
8. Juni 2015 Seite 9
Start/Stopp-Systeme
~ 7% Verringerung des Kraftstoffverbrauches im Zyklus (Stadtbetrieb)
– Verwendung des „bekannten“ Anlassers
• vorhandener bzw. verstärkter Anlasser
• „eingerückter“ Anlasser
• verstärkte Batterie
– Einsatz eines riemengetriebenen Startergenerators
• verstärkte Lichtmaschine
• benötigt angepasste Leistungselektronik
• 48V sinnvoll
• Riemenspanner für beide Richtungen (Motorisch/Generatorisch)
– Nutzung eines integrierten Startergenerators (ISG)
Honda Civic, Daimler, Audi, BMW usw.
8. Juni 2015 Seite 10Herausforderungen beim Einsatz eines Start/Stopp-Systems
– Kosten des Systems
– Welche Rückwirkung hat der Start/Stopp-Betrieb auf
• Kraftstoffverbrauch bzw. CO2-Emission
• Schadstoffemission, auch mit Blick auf eine stattfindende
Partikelfilterregeneration
– Einfluss auf den Komfort mit Blick auf
• die Startzeit des Motors
• mögliche Motor-/Karosseriebewegungen während des Startvorgangs
– Auswirkung auf das Gesamtsystem
• z.B. Spannungsabfall während Motorstart
• Batterie-Belastung/ Lebensdauer
8. Juni 2015 Seite 11Certification and Real-World CO2 Emission of Vehicles with Electric
Cruising Range
Konventioneller Betrieb (mit VKM)
CO2-Emission [%]
Momentaner Mittelwert mit el. Reichweite
Zertifizierung
z.B. 25 km el. Reichweite
= -50 % CO2-Emission
Fahrstrecke / elektrische Reichweite [km]
8. Juni 2015 Seite 12Certification and Real-World CO2 Emission of Strongly Electrified Vehicles
Conventional operation
Certification
8. Juni 2015 Seite 13Möglichkeiten der Elektrifizierung/Hybridisierung
Mild
BEV
Hybrid E-Motor
z.B. Honda Insight VKM z.B. Nissan Leaf,
Mitsubishi i-MiEV
EV + RE
Full Hybrid
seriell
z.B. Toyota Prius z.B. A1 e-tron
EV + RE
PHEV
parallel
z.B. Toyota Prius z.B. VW twin
PlugIn GM Volt drive, Getrag Ford
Opel
zwei E-Motoren Ampera
ein E-Motor
Batterie
Einmotor- z.B. AVL e-Fusion
klein groß Konzept z.B. IVD CEA - Konzept
VW, Daimler, Porsche
Plug In Hybrid
8. Juni 2015 Seite 14EV BEV mit 2 großen E-Motoren
Nissan
Battery PCU M Leaf
24kWh 80KW
EV w/ small serial RE
G
15kW
Battery PCU M Audi A1 e-tron
15kWh 45/75kW
8. Juni 2015 Seite 15Toyota Prius
P G M
RE w/ 2 large motors
?
PHEV or E-REV
C1
C3
“elektrisches
CVT-Getriebe”
G P M
C2
Chevrolet Volt
Opel Ampera
8. Juni 2015 Seite 16- 48V
EV + ICE – assist 1 large motor - Hochvolt
Getriebe
C
G/M G/M
Vorteile:
• Kosten
• Package
•
• Thermomanagement
• Riemenloser Motor möglich
Nachteil ohne Getriebe:
• unter 10-15km/h nur rein elektrisch
8. Juni 2015 Seite 17CEA – Combustion Engine Assist - „Das Beste aus beiden Welten“
• signifikante el. Reichweite
• kompakt
• moderate Batteriegröße
• Variabilität für unterschiedliche
Einsatzbereiche
• Kostenvorteile
8. Juni 2015 Seite 18CEA – Combustion Engine Assist - „Das beste aus beiden Welten“
IVD Motorenprüfstand
8. Juni 2015 Seite 19Reales Rekuperationspotential bei Vollbremsung E – Fahrzeug; Golfklasse; 1250kg; 40kW E – Motorleistung 8. Juni 2015 Seite 20
Vergleich E – Motor (PSM) und Verbrennungsmotorkennfeld mit gleicher
Leistung
P=M*n*c
Pmax = 40kW
=0,87
=0,92
ηmax E – Motor
=0,85
=0,33
ηmax VKM
=0,28
=0,30
8. Juni 2015 Seite 21Wirkungsgradverlauf E – Motor (n = 2500U/min)
& VKM (n = 2500U/min)
Wirkungsgradverlauf E – Motor über
Drehmoment bei konstanter Drehzahl
Wirkungsgradverlauf VKM über
Drehmoment bei konstanter Drehzahl
8. Juni 2015 Seite 22Wirkungsgrad - Fahrspaß – Trade Off VKM
Betriebspunktvergleich große/kleine VKM; (Golf ca. 70km/h)
VKM mit 40kW VKM mit 70kW
10Nm 60Nm
Fahrspaß Fahrspaß
Wirkungsgrad Wirkungsgrad
8. Juni 2015 Seite 23Wirkungsgrad - Fahrspaß – Trade Off E – Motor
Betriebspunktvergleich großer/kleiner E – Motor
E – Motor 40kW E – Motor 70kW
70Nm 170Nm
Fahrspaß Fahrspaß
Wirkungsgrad Wirkungsgrad
8. Juni 2015 Seite 24WARNING
NO
FOR 50km
8. Juni 2015 Seite 25Influence of vehicle size on the electric cruising range in the NEDC
200
Mega City
Vehicle
150 Golf-
segment
Range [km]
SUV
Bicycle
Golf Cart
50
0
0 10 20 Battery capacity [kWh] 40
8. Juni 2015 Seite 26Range comparison (internal combustion engine vs. electric vehicle) at
constant speed
1200 30
Golf-segment
range conventional
5. gear
ICE (50 liter)
800 20
Range [km]
3. gear 4. gear
2. gear range factor
400 10
1. gear
electric cruising range
(10kWh)
0
0 40 80 Velocity [km/h] 120
8. Juni 2015 Seite 27Das Beste aus beiden Welten
elektrisch Fahren Verbrennungsmotorische Unterstützung
verbrennungsmotorische
Reichweite [km]
Reichweite (7 Liter)
elektrische Reichweite (10kWh) ohne
Klimatisierung
Reichweite bei 3kW
Klimatisierung
Geschwindigkeit [km/h]
8. Juni 2015 Seite 28Anwendung verschiedener Antriebssysteme
VKM
Fahrzeuggewicht
Plug in-
Fuel Cell Hybrid
E-REV
BEV
Urban Extra Urban Highway
Stop and Go Drive Cycle Continuous
8. Juni 2015 Seite 29Batterielebensdauer
Beginning After 500 cycles
Used power density [W/kg]
Reale Kapazität (Lebensdauer) ist eine Funktion von: Used power density [W/kg]
• Lade- und Entladestrom
• Überladung / Tiefentladung (SOC)
• Batterietemperatur
• Zyklenzahl 500 – 1000 – (3000)
Quelle: Toshiba, Motor u. Umwelt 2008
8. Juni 2015 Seite 30Tendenzen der Batterieschädigung als Funktion des Lade- und
Entladestroms
10
Entladen 100% Laden 100%
Schädigung [-] 8
6
4
Laden 50%
2
Laden 10%
0
0 25 50 75 100
Ladezustand (State of Charge) [%]
Auswirkungen auf EV – Strategie:
• Leistungsreduktion bei niedrigem State Of Charge (SOC)
• Begrenzung der Rekuperation bei hohem SOC
• Schädigung nimmt mit genutztem SOC – Bereich zu
8. Juni 2015 Seite 31Einfluss der Temperatur auf die Lebensdauer am Beispiel einer Li-Ionen
Batterie
40
kalendarische Lebensdauer [Jahre]
5
0
-40 -20 0 20 40 Temperatur [°C] 80 100
Quelle: Abgeändert, vgl. Daimler AG, 30. Int. Wiener Motorensymposium 2009
8. Juni 2015 Seite 32Einfluss der Temperatur auf die Lade- und Entladeleistung am Beispiel
einer Li-Ionen Batterie
Lithium Abscheidung Überhitzung
optimaler
Temperaturbereich
Lithium Abscheidung Überhitzung
Quelle: Johnson Controls-Saft
8. Juni 2015 Seite 33Auswirkungen der Zyklenanzahl und Lebensdauer einer Li-Ion Batterie
auf die verfügbare max. Kapazität
„Nur wenige Schnellladungen, dennoch in 4
Jahren um 17% gesunken.“
auto-touring 12/2014
Quelle: Fa. Torqueedo Starnberg Germany; Produktkatalog 2009
8. Juni 2015 Seite 34Comparison: Electric propulsion vs. internal combustion engine
VW Golf GTE Conventional VW Golf
vs.
Vehicle Costs
Quelle:Source: www.welt.de
www.volkswagen.at Source: www.volkswagen.at
Weight Energy Storage Vehicle Range
Charge time
8. Juni 2015 Seite 35Betriebskosten Strom vs. Benzin auf Basis des NEDC Quellen: http://www.ris.bka.gv.at, http://www.oeamtc.at/sprit/, www.e-control.at, http://www.bcg.at/, VW 8. Juni 2015 Seite 36
Auswirkungen der Elektrifizierung des Antriebsstranges auf die
Motorenentwicklung
• Start/Stop-Häufigkeit nimmt zu
Lagerverschleiß
Starter/Anlasser Verschleiß
kritische Drehzahl wird sehr häufig durchlaufen
o Nockenwellen – Antrieb
o NVH (Noise, Vibration, Harshness)
o ZMS
• längere Stillstandzeiten (Range Extender)
• Betriebspunktverschiebung (Steuerzeiten Verbrennung)
• Abgasnachbehandlung (längere Stopzeiten)
• Hubraumreduktion (Downsizing) über kleinere Einzelhubräume oder
Zylinderzahl
Fahrspaß nimmt ab E – Boosten Schlechteres Oberflächen zu Volumen
Verhältnis höherer Verbrauch
8. Juni 2015 Seite 37Wann setzt sich ein E – Fahrzeug durch?
Bsp.: Elektro – Boot
Eigenschaften:
• geringe Reichweite
• geringe
Maximalgeschwindigkeit
• hohe Kosten
Bsp.: Golf - Cart
Eigenschaften:
• klein/ leicht
• keine Klimaanlage
• definierte Reichweite
8. Juni 2015 Seite 38Mercedes SLS AMG E-Cell
Vorraussichtliche Fahrzeit E-cell
bei 392kW Gesamtleistung und
48 kWh Li-Ionen Batterie
ca. 5 min Fahrspaß
Vorraussichtliche Fahrzeit V8 bei
320kW Gesamtleistung und 80L
Tankinhalt
ca. 40min Fahrspaß
8. Juni 2015 Seite 39VW Golf GTE
Quelle: http://articles.sae.org/13535/
8. Juni 2015 Seite 40Tesla Model S
Quelle: www.teslamotorsclub.com
8. Juni 2015 Seite 4148 Volt Starter-Generator
Quelle: Herausforderungen und Potenziale von 48-V-Startsystemen, ATZ 03/2013
Quelle: Abgeändert, vgl. Audi AG, 34. Int. Wiener Motorensymposium 2013
+ „riemenloser Motor“ möglich
8. Juni 2015 Seite 42Sie können auch lesen
