Home

Schwungradkomponente und stufen¬ - ETH E-Collection

Contents

1. Importe 2 23 Mineral l Total Fossil 11 14 Wasserkraft 39 04 Wasser Umw lzkraft 0 93 Nuklear 48 22 andere 0 68 Total nicht fossil 98 99 88 86 a Entspricht den Beitr gen aus den Kehrichtverbrennungsanlagen Beim UCPTE Mix sind alle restlichen erneuerbaren Energien der Wasserkraft zugeschlagen Tabelle 7 3 6 Aufteilung der Stromherstellung nach Energiequellen nach 24 Bei einem Hybridfahrzeug wird die Batterie entweder zuhause oder am Bestimmungsort der Fahrt aufgeladen Demzufolge sind die Mehrheit der 152 7 Bewertung des Energieverbrauchs Ladestationen keine Grossverbraucher und werden in der Regel ber ein Niederspannungsnetz versorgt Der Wirkungsgrad der elektrischen Energie versorgung wird massgeblich durch die Niederspannungsverteilung redu ziert Die energetischen Wirkungsgrade und die GWP Emissionen sind in Tabelle 7 3 7 zusammengefasst Ener Preia Energie l feed aor cra aufwand GWP20 GwPl00 GWPS00 Stromherstellung et eher nicht kg CO kg CO total erneuerbar erneuerbar Aca Tl Aeg T F TI T T eq TJl AegsT5ey Strom Mix CH 2 252 ab KW 0 768 1 484 6365 6042 5796 2 653 0 905 1 748 11544 11010 9860 Strom Mix UCPTE l Strom Mix CH ab NS 3 286 3 087 153419 144000 139440 ab KW Strom Mix UCPTE 3 825 0 258 179086 168189 162124 ab NS Steinkohlekraftwerk UCPTE Mix ab KW 3 784 0 3
2. 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Drehzahl 1 min HC Kennfeld VW 1 31 GT Digifant pme bar oi 1 ai d id i 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Drehzahl 1 min Bild 5 1 2 Vergleich der HC Emissionen im Originalzustand des Motors oben und mit der erh hten Z ndspannung unten X 5 Realisierung des Antriebes Drehzahl Drosselklappen posit Luftverh ltnis A o N oO 10 12 14 16 18 20 Zeit s Bild 5 1 3 Verlauf des Verbrennungsluftverh ltnisses vor und hinter dem Katalysator sowie des Drosselklappenwinkels im Taktbetrieb 5 1 2 Elektromaschine An den Elektroantrieb werden vier Anforderungen gestellt Als Hauptauf gaben sind der elektromotorische Fahrzeugantrieb mit einer Nennleistung von 6 kW und die Speisung der Bordnetzversorgung bis 1 kW zu bezeich nen Weiter soll die EM generatorisch bis 16 kW aufnehmen Bremsener gierekuperation und als Starter verwendet werden k nnen Stillstandsmo ment gt 5 Nm Ausgehend von diesen Forderungen und unter der Randbedingung eines m glichen Betriebes in einem Fahrzeug wurde am Institut f r Elektrische Maschinen IEM eine wirkungsgradg nstige Systeml sung erarbeitet Dazu wurde eine Asynchronmaschine gew hlt Der Rotor ist als Kurzschlussl u fer ausgebildet und der Stator ist 10 polig gewickelt Es besteht die M g lichkeit einer Wicklungsumschaltung Im Bordnetzgenerato
3. Elektro motor fl Fahrzeug Strasse Etektro motor Parailelhybrid Zweiwellenhybrid Verbrennungs Gene Elektro motor rator motor Serieller Hybrid Fahrzeug Bild 1 2 1 M gliche Hybridkonfigurationen Klassifizierung nach Nennleistungsverh ltnis Diese anwendungsorientierte Klassifizierung wird in 23 vorgeschlagen Dabei sind aus dem Verh ltnis der Nennleistungen der beiden Motoren R ckschl sse auf den Einsatzzweck des Fahrzeuges durchaus m glich Bei einem Range Extender berwiegt die Nennleistung der elektrischen Maschine derjenigen des Verbrennungsmotors Dieser dient verbunden mit einem Generator als netzunabh ngige Ladestation im Fahrzeug Der Range Extender ist ein serielles Hybridkonzept Der Verbrennungsmotor verf gt ber eine Nennleistung von ca 10 20 der Gesamtleistung Er wird zumeist genutzt um die Batteriereichweite zu erh hen Der Verbren nungsmotor wird normalerweise in Abh ngigkeit vom Batterieladezustand betrieben F r einen regul ren Fahrbetrieb ohne Speisung ab Batterie ist der Verbrennungsmotor nicht ausgelegt ein eingeschr nkter Betrieb ist aber bei leerer Batterie denkbar limp home 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich 7 Der Dual Mode Hybrid verf gt ber einen Elektromotor und einen etwa gleichstarken Verbrennungsmotor Beide reichen je aus um eine gen gend starke Antriebsleistung f r das Fahrzeug zur Verf gung zu stellen so dass dies
4. S R Ovshinsky et al Performance Advances in OVONIC Nickel Metal Hydride Batteries For Electric Vehicles 11th Electric Vehicle Symposium Florence Italy September 1992 L Padeste Three Way Catalysts in a Hybrid Drive System Experimental Study and Kinetic Modelling Dissertation ETH Nr 10515 Z rich 1994 F J Paefgen M Lehna Der Audi duo das erste serienm ssige Hybridfahr zeug ATZ 99 6 97 Frankfurt 1997 P Rice Anpressdruckregelung f r die Trockenkupplungen des Hybrid III Diplomarbeit am IMRT ETH Z rich Juli 1994 W Runge Die Berechnung des stationdren und dynamischen Entladeverhaltens von Bleiakkumulatoren Archiv f r Elektrotechnik Bd 57 pp235 246 Z rich 1975 H Schaefer Batteriesysteme f r Hybridfahrzeuge Ergebnisbericht 1993 1996 des Sonderforschungsbereiches 365 Umweltfreundliche Antriebstechnik f r Fahrzeuge TU M nchen 1996 W Schleuter Ein Beitrag zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens von Blei NiCd und Ni Fe Akkumulatoren Disseration RWTH Aachen Aachen 1982 U Schwegler S Wegmann G Moreni M Piffaretti Grossversuch mit Leicht Elektromobilen LEM in Mendrisio 2 Zwischenbericht Studienreihe Nr 21 EDMZ 805 018 2d AssoVel Mendrisio Mendrisio Schweiz August 1998 U Seiffert Denkbare Eckdaten eines umweltfreundlichen Automobils Konfer enz ber umweltfreundliche Automobile ETH Z rich 27 5 1991 S
5. to o 2 ho a Spez Grenzverbrauch kg kWh Q ho gt _ u ee ew eee un U ae a N in Sense go aim wipe ee a 0 22 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 4 3 2 Grenzverbr uche im Takt und Drosselbetrieb Wirkungsgrad der EM bei 50 km h zur Taktbetriebsunterst tzung 0 67 oO D g gt D Pmech 1 kW Wirkungsgrad ab Netz bis E_mech _ Pmech 3 kW o D an a Pmech 2 kW 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Zwischenwellendrehzahl min 1 Bild 4 3 3 Wirkungsgrad der EM vom Netz bis zur Strasse unter Beriicksichtigung des Lade und Entladewirkungsgrades der Bleibatterie und des Ladeger tes bei einem mitt leren Ladegrad von 50 4 3 Hybride Fahrstrategien 69 Bei einem Heizwert von 43 0 MJ kg Benzin ergibt sich der Grenz wirkungsgrad f r den Taktbetrieb nach Bild 4 3 2 zwischen n 0 283 0 292 Gekoppelt mit den vorgelagerten Ketten ist dieser Grenzwirkungs grad der elektrischen Kette basierend auf Bild 4 3 3 gegen berzustellen Der Drosselbereich zwischen Taktbetrieb und Vollastleistung umfasst je nach Geschwindigkeit eine Leistungsspanne von 0 2 kW Das absolute Leistungsniveau des Drosselbetriebes bewegt sich zwischen 12 14 kW 4 3 2 Leistungsanpassung im berlandbetrieb Durch den Verzicht auf eine Beschleunigungsreserve beim Betrieb des VM entsteht im berlandbetrieb beim Wunsch nach schnellen Leistungs spr ngen die
6. 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Ladegrad al Bild 3 2 10 Ladezustandabh ngiger Korrekturfaktor rag Korrekturfaktor in Funktion des Stromes des Diffusionswiderstandes 0 10 20 30 40 50 60 Ladestrom A Bild 3 2 11 Ladestromabh ngiger Korrekturfaktor ry 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 43 3 2 4 Traktionsbatterie Nickel Metallhydridbatterie NiMH Eine NiMH Batterie stellt eine neuere L sung f r die Leistungs und Energiebed rfnisse eines Hybridfahrzeuges dar die Leistungsdaten sind aus Tabelle 3 2 2 ersichtlich Deshalb soll diese Batterie hier ebenfalls darge stellt werden obwohl aus Kosten und Verf gbarkeitsgr nden auf sie f r einen Einsatz im ETH Hybrid IH Projekt verzichtet worden ist Batteriespannung V Kapazit t Ah Leistungsdichte W kg 175 Energiedichte Wh kg 46 Energiedichte Wh l 100 a Bei einer Strombelastung von 5 Cs Tabelle 3 2 2 Leistungsdaten von Ni MH Batterien verschiedener Gr sse und Hersteller Stand 1995 Die potentielle Batterie hat eine Kapazit t von 45 Ah bei 120 V F r den Kapazit tsbereich mit Ladegrad q 0 1 0 9 wird das in 91 beschriebene Modell verwendet Dieses wird in dieser Arbeit f r den Volla dungsbereich verfeinert Temperatureinfl sse und Selbstentladung durch Standverluste werden nicht ber cksichtigt Die Zustandsgr ssen des Modells der NiMH Batterie sind der Ladegrad q die spezifische Strombelastung C Z
7. 5 6 2 5 4 N C a or 4 8 10 20 30 40 50 Fr Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 6 1 2 Verbrauchsvergleich zwischen Messung auf dem Rollenpr fstand c 0 0106 und Simulation f r das Versuchsfahrzeug Fahrzeugmasse 2270 kg entlang der Fahrwiderstandskurve bei ebener Fahrt Der Wirkungsgradvergleich des Konstantfahrverbrauchs von Ziel und Versuchsfahrzeug ist in Bild 6 1 3 dargestellt Die Wirkungsgraddifferenz kann in der Simulation nachempfunden wer den und liegt in den unterschiedlichen Betriebspunkten begr ndet Da bei beiden Testaufbauten die Messergebnisse entlang der ebenen Fahrwider standskurve verwendet werden kumulieren sich zwei Effekte tiefere Rad drehzahl f r gleiche Fahrgeschwindigkeiten und h here Widerstandskr fte beim Versuchsfahrzeug die beim Versuchsfahrzeug eine Betriebspunktver schiebung des Kettenwandlers an die Bereichsgrenze verursachen 6 1 3 Verbrauchsvergleich des Elektrobetriebes im Versuchsfahrzeug Die Messwerte des elektrischen Wirkungsgrades des Antriebsstranges im Versuchsfahrzeug korrelieren vom Verlauf her sehr gut mit der Simulation die auf den Kennfeldern der EM und des Wechselrichters basieren Bild 6 1 4 132 6 Vergleich Simulation und Messung Wirkungsgradvergleich zwischen Ziel und Versuchsfahrzeug 0 26 0 24 Zieltahrzeug 0 22 N oO _ Versuchsfahrzeug e gt Antriebswirkungsgrad
8. Diese Leistungsregelung durch Drehzahlanpassung stellt den sogenannten berlandbetrieb dar Im berlandbetrieb wird das Schwungrad als parasit re Tr gheit abge kuppelt K3 ge ffnet Bild 2 3 4 Die direkte Kupplung von VM und CVT entspricht mit Ausnahme der Getriebespreizung der Anordnung in heute k uflichen Personenwagen mit stufenlosen Getrieben Der VM wird falls m glich bei Vollast und somit bei bestm glichen Wirkungsgrad betrieben An der Grenze des Verstellbereiches des CVT und beim bergang zwischen Taktbetrieb und berlandbetrieb muss der VM gedrosselt betrieben wer dend vgl Kap 2 3 4 1 Auf eine Drehmomentenreserve wird verzichtet Verbrennungsmotor Rad Bild 2 3 4 berlandbetrieb mit abgekoppeltem Schwungrad 2 3 3 3 Elektrobetrieb Die EM ist in diesem Konzept mit einer Nennleistung von 6 kW f r einen innerst dtischen Betrieb bis ca 65 km h ausgelegt Die EM wird bei einer mittleren Leistung betrieben Die Aufgabe des Schwungrades ist die 24 2 Konzept des ETH Hybrid III Antriebsstranges bernahme von geforderten Leistungsspitzen Somit k nnen in dieser Kon figuration sowohl Leistungen zum Schwungrad hin wie auch von ihm weg auftreten Bild 2 3 5 Die abzugebende mittlere Leistung der EM in Abh n gigkeit des Betriebszustandes des Fahrzeuges und des Antriebsstranges muss formuliert werden vgl Kap 4 2 2 Ein Betrieb der EM ohne Schwungrad ist aufgrund des beschr nkten Lei stungsangebot
9. Konstantfahrt Genormte Testzyklen Rekuperation Transiente Betriebsartenwechsel Untersuchungen am Rollenpriifstand Konstantfahrverbrauchswerte ECE R15 04 Zyklus NEFZ mit reduzierter Spitzengeschwindigkeit Rekuperation E Transiente Umschaltungen Vergleich Simulation und Messung Verbrauch bei konstanter Fahrt 53 55 55 56 60 61 65 65 66 69 69 71 75 75 76 80 84 88 99 101 103 104 106 107 108 110 41 111 113 AIS 117 121 121 123 125 126 126 129 129 6 2 6 3 7 1 1 2 7 3 7 4 8 1 8 3 Vergleich der Verbrauchswerte des Zielfahrzeuges Vergleich zwischen Ziel und Versuchsfahrzeug Verbrauchsvergleich des Elektrobetriebes im Versuchsfahrzeug Verlauf von Transienten im ECE Zyklus Vergleich am Zielfahrzeug Vergleich im Versuchsfahrzeug Batteriemodellvergleich Bewertung des Energieverbrauchs Problematik Die Methode des Life Cycle ET Beschreibung der LCA Methode p3 Anwendung des LCA auf den ETH Hybrid HI Antrieb Zielsetzung und Systemgrenzen oh Life Cycle Inventar LCI Materialien Life Cycle Inventar der Betriebsenergien Vergleich der Betriebsarten des Antriebes iii 129 130 131 133 133 135 136 139 139 139 140 145 145 145 148 153 Vergleich der Betriebsarten Taktbetrieb Elektrobetrieb 153 Vergleich des ECE R15 04 Zyklusverbrauchs Hybride F
10. Schweiz Communicating Interacting Processes Compressed Natural Gas Kohlenmonoxid Kohlendioxid Continuously Variable Transmission Polynomkoeffizient Q Dimethylether Energie J Gleichgewichtspotentialdifferenz V Elektromaschine Extra Urban Driving Cycle Kraft N Frankreich axiale Anpresskraft N Forschungsstelle f r Zahnr der und Getriebe Global Warming Potential Unterer Heizwert MJ kg Kohlenwasserstoffe Spezifischer Strom bersetzungsverh ltnis Batteriestrom A CVT mit quadriertem Spreizungsbereich Institut f r Elektrische Maschinen Integrated Gate Bipolar Transistors Institut f r Mess und Regeltechnik International Standardisation Organisation Intelligent Transport System Polynomkoeffizient V S urekonzentrationskoeffizient Il s 7 Kriechgang 170 k Steifigkeit der Reibkupplung Nm rad L Langsamgang LCA Life Cycle Assessment LCI Life Cycle Inventory LVV Laboratorium f r Verbrennungsmotoren und Verbrennungstechnik m Masse kg M Moment Nm Mo Ersatzmasse f r die rotierenden Tr gheiten kg MG Gleitmoment Nm MH Haftmoment Nm n Drehzahl min n Anzahl Batteriezellen pro Batteriemodul N Norwegen NEFZ Neuer Europ ischer Fahrzyklus NiCd Nickelkadmiumbatterie NiMH Nickelmetallhydridbatterie NMHC Non Methanic Hydrocarbons NO Stickoxide p Druck Pa bar P Leistung W PGrenz Leistung bei derder Drosselbetrieb und der Takt W betrieb den gleichen Wirkungsgrad aufweise
11. bersetzung Der R ckw rtsgang wird beim R ckw rtsfahren ab Schwungrad ben tigt Vorstellbar ist auch dass der Elektromotor im 4 Quadrantenbetrieb angesteuert wird was diesen zus tzlichen Gang berfl ssig machen w rde stattdessen w rde im Kriechgang mit umgekehrter Drehrichtung gefahren Da das Getriebe f r den Frontantrieb ausgelegt wird ist das Differential m selben Geh use integriert Zum Schutz des Kettenwandlers wird eine Sicherheitsrutschkupplung eingebaut die bei unvorhergesehenem Blockie ren der Fahrzeugr der den Kettenwandler vor der berlastung bewahren kann Zur Minimierung der Reibung wurden ausschliesslich Rollen und Kugellager verwendet Der Getriebewirkungsgrad wird durch die Antriebs leistungen des hydraulischen Hilfssystems entscheidend beeinflusst 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 93 Langsamgang SANS Sa Schnellgang la 1b A e h 2 Bild 5 1 15 Prinzipschaltung des i Getriebes mit dem Kraftfluss durch den Langsam und Schnellgang Kettenwander Kettenwandler Klaue 1a Rad Rad Differential Differential Schneller Gang Klaue 1b und 2a geschlossen Langsamer Gang Klaue 1a und 2b geschlossen Bild 5 1 16 Schema der Getriebewellen und Zahnradpaarungen des i CVT des ETH Hybrid III Antriebes ohne Kriech und R ckw rtsgang 94 5 Realisierung des Antriebes v Sprchronunk cyr s Gesamtgetriebe bersetzung
12. e Integration eines neuen Schwingungstilgers am Kurbelwellenende Elektrisch bet tigte Drosselklappe mit Ruheposition vollst ndig offen normally open e Verbesserte Z ndung durch erh hte Z ndspannung e Anpassung der Kurbelwinkel und Drehzahlmessung Eine Scheibe mit 63 1 Z hnen kombiniert mit 2 Hall Sensoren erm glicht eine Winkelaufl sung von 1 40 Kurbelwinkel e Anpassung des Auspuffkollektors mit doppelwandigen Rohren zur Reduktion der Aufheizzeit vor dem Katalysator e Verwendung von zwei Breitbandlambdasonden Verzicht auf Lichtmaschine und Anlasser werden durch Funktionen der EM ersetzt 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten TI Zus tzlich werden diese nderungen kombiniert mit e Drei Wege Katalysator mit verbesserter Sauerstoffspeicherung e Anpassung des Motormanagements 5 1 1 2 Katalysator Der intermittierende Betrieb des VM im Taktbetrieb verursacht eine Luft sp lung im nichtgefeuerten Betrieb die durch eine angepasste Bet tigung der Drosselklappe reduziert aber nicht ganz verhindert werden kann Durch die Verwendung eines Katalysators mit erh htem Sauerstoffspeicherverm gen kann die Konvertierungsf higkeit bei kurzzeitigen Abweichungen des Luftverh ltnisses aufrechterhalten werden Die Untersuchung verschiedener Katalysatoren wurde am Technisch Chemischen Laboratorium TCL durch gef hrt Dabei wurde aufgrund der Anforderungen des Taktbetriebs ein Pt Rh CeO Al O Katalysator ausgew
13. l NEFZ steht f r Neuer Europ ischer Fahrzyklus Er beinhaltet einen Stadtteil ECE und einen ausserst dtischen Anteil Extra Urban Driving Cycle EUDC mit einer H chstgeschwindigkeit von 120 km h 126 5 Realisierung des Antriebes Im Vergleich zu den vierpl tzigen Elektromobilen die m Leicht Elektro Mobil LEM Versuch in Mendrisio eingesetzt werden 69 sind die Ver brauchswerte des ETH Hybrid II Antriebes im Sharan in Tabelle 5 5 6 zusammengefasst Verbrauch Verbrauch im NEFZ Fahrzeug Betriebsart Einheit im NEFZ Mendrisio pro Mendrisio Tonne Leermasse Elektro Elektro Elektro Elektro Elektro Citroen Saxo Tabelle 5 5 6 Vergleich der Verbrauchswerte im NEFZ mit reduzierten H chstgeschwindigkeit Messmethode f r LEM Fahrzeuge in Mendrisio ber der Fahrstrecke und spezifisch ber der Faghrzeugmasse Peugeot 106 VW Citystromer Renault Clio Honda EV ETH Hybrid II Benzin 5 5 4 Rekuperation Die Rekuperation profitiert vom schwereren Versuchsfahrzeug Dadurch kann der Energiespeicher voll ausgen tzt werden Die Rekuperation die n Bild 5 5 3 aufgezeichnet ist ergibt mit der Auswertung gem ss Kap 5 4 3 einen Rekuperationswirkungsgrad Np 0 51 und kann somit die Werte f r das Zielfahrzeug best tigen 5 5 5 Transiente Umschaltungen Im Fahrzeug lassen sich die transienten Schaltvorg nge sehr gut beurtei len Dabei ist das Zuschalten des VM im Taktbetr
14. Die Abk hlung des VM in den Stillstandszeiten und damit die Erh hung der Reibleistung wird ber cksichtigt W hrend den ersten 3 Sekunden des gefeuerten Betriebs werden bis maximal 4 4 Mehrverbrauch ber cksich tigt Der Verbrauchsfaktor ist eine lineare Funktion der Stillstandszeit wobei nach 30 Sekunden Motorstillstand der maximale Mehrverbrauch erreicht wird 3 2 2 Elektromaschine Die Modellierung des Wirkungsgrades erfolgt analog dem Vorgehen beim VM mit einem linearen Ansatz ber der Last wobei die Parameter dreh zahlabh ngig sind Die EM wird als Einheit zusammen mit der Leistungs elektronik modelliert Die Parameterbestimmung basiert auf den gemesse nen Kennfeldern der EM f r die Betriebsarten motorischer Antrieb genera 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 33 torischer Betrieb zur Speisung des Bordnetzes sowie Rekuperationsbrem sung vgl Bild 5 1 7 und Bild 5 1 8 P EMaus PEMO Eme P EMein 3 2 5 Beim Generator und Rekuperationsbetrieb stellt die mechanische Lei stung die Eingangsleistung ab Zwischenwelle da Beim Motorbetrieb ist dies die elektrische Speiseleistung ab Batterie 3 2 5 3 2 3 Traktionsbatterie Blei Vlies Batterie Im ETH Hybrid III Fahrzeug wird eine Blei Vlies Batterie vom Typ HAGEN drysafe mit 120 V Nennspannung und einer Cs Kapazit t von 38 Ah verwendet Diese Batterie besteht aus 10 seriell angeordneten Einheiten mit je 12 V Nennspannung und 14 5 kg Masse Die Kenndaten der ge
15. IPCC Radiative Forcing of Cli mate Change The 1994 Report of the Scientific Assessment Working Group of OC Summary for policy makers WMO UNEP 1994 ISO 14040 Draft Environmental Management Life Cycle Assessment Princi ples and Guidelines 1995 S Kaiser Datenbl tter zu GP 120Ah NiMH Batterie EcoLogic Ziirich 1995 S Kaiser Nickel Metallhydrid Versuchsbetrieb mit einem Elektromofa For schungsschlussbericht des BEW Bern 1993 176 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 6l Katalog der Automobile Revue 95 Hallwag Verlag Bern 1995 Th Kopp Katalysatorvorw rmung Schlussbericht interner LES Bericht 95 ETH Z rich 1995 W Kriegler A Zrim Das Hybridkonzept bergangsl sung oder wirkliche Alternative Konferenz Individuelle Mobilit t im 3 Jahrtausend M rz zuschlag 13 9 1996 L K ng Entwicklung einer Drehfeldmaschine mit optimalem Wirkungsgrad f r ein Hybridfahrzeug Dissertation ETH Nr 11373 Z rich 1996 B Lehmann Optimierter Betrieb eines Latentwdrmespeichers im Hybrid III Antrieb der ETH Z rich interner LES Bericht 96 ETH Z rich 1996 M Lehna Audi duo ein Hybridfahrzeug f r die City Logistik VDI Bericht 1378 Batterie Brennstoffzellen und Hybridfahrzeuge Dresden 17 18 2 1998 Diisseldorf 1998 D Linden Handbook of Batteries and Fuel Cells Mc
16. IcvT Bild 5 1 17 Zusammenhang der Gesamt bersetzung zur bersetzung des Kettenwan dlers in den beiden Fahrstufen langsam und schnell Die Definition der Kettenwandle r bersetzung bleibt in beiden Fahrstufen dieselbe 5 1 4 3 Hydraulisches Hilfssystem Das hydraulische Hilfssystem versorgt das Getriebe und die Hybridein heit mit Hydraulik l und hydraulischer Stellenergie Folgende Verbraucher sind zu versorgen Kettenwandlerverstellung und anpressung Bet tigung der Klauenkupplungen Schmierung der Zahnr der K hlung des Kettenwandlers Bet tigung der Reibkupplungen Um eine bedarfsgerechte effiziente Hydraulikversorgung zu erm glichen werden drei Teilkreisl ufe mit verschiedenen Druckniveaus betrieben wel che mit zwei Zahnradpumpen versorgt werden 26 und Bild 5 1 18 Eine Darstellung des lkreislaufes ist auch in 72 zu finden Die Bet tigung der Reib und Klauenkupplungen erfordert das h chste Druckniveau Aufgrund begrenzter Olmengen die m glichen Leckagen m ssen durch konstruktive L sungen minimiert werden kann ein Druck 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 95 speicher verwendet werden der im Bereich von 60 90 bar betrieben wird Der Speicher wird durch die kleinere der beiden Zahnradpumpen bei Bedarf nachgef llt Bild 5 1 18 Ansicht des i Getriebe mit den beiden Hydraulikpumpen und den Ventil bl cken zur Speisung der verschiedenen Druckniveaus Unten ist der Hochdruckspeicher
17. Leistung am Rad kW Bild 4 4 2 Zusatzverbrauch im Taktbetrieb durch die generatorische Speisung des Bord netzes mit 250W Dauerleistung Grenzwirkungsgrad zur Erzeugung von 250W Bordnetzspeisung 0 95 T Energetischer Wirkungsgrad 3 gt o o an w T T f Z 0 65 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Antriebsleistung ab Batterie W Bild 4 4 3 Wirkungsgrad der Bordnetzspeisung ab Fahrbatterie im Elektrobetrieb Die Verschlechterung des Batteriewirkungsgrades infolge Leistungserh hung wird vollum J nglich der Bordnetzspeisung zugeschlagen 74 4 Verbrauchssimulation Deshalb ist die Erzeugung des Bordnetzstromes mit dem Grenzwirkungs grad zu bewerten d h die Verschlechterung des Entladewirkungsgrades durch die Erh hung der Speiseleistung wird nur dieser Leistung zugeschla gen Die resultierenden Wirkungsgrade sind in Bild 4 4 3 aufgetragen Je nach geforderter Antriebsleistung und Entladegrad der Batterie schwankt der Entladewirkungsgrad der Batterie im Bereich von 0 7 0 95 Der Vergleich der beiden Varianten der Bordnetzversorgung ergibt fol gendes Bild Tabelle 4 4 1 Betriebsart Elekt Leistung ab Elekt Leistung ab Benzinver Batterie W Netz W brauch l h Taktbetrieb mit generatori 0 118 scher Speisung Taktbetrieb mit Speisung ab 379 383 Fahrbatterie Elektrischer Fahrbetrieb Fahrbetrieb Panrien 294 387 526 Tabelle 4 4 1 Vergleich der
18. ber sieben Jahren f r dieses Fahrzeug heutige Personenwagen verf gen ber eine durchschnittliche Nutzungsdauer von etwa zw lf Jahren Dieses Vorgehen deckt sich mit der angewandten Methodik in 89 7 3 2 Life Cycle Inventar LCD Materialien Auf der Materialseite kann davon ausgegangen werden dass sowohl der VM wie die EM inkl Wechselrichter f r die Lebensdauer des Fahrzeuges ausgelegt sind Dies entspricht auch den Erfahrungen des Z rcher Feldver suches mit 20 VW Golf Hybrid II Fahrzeugen Die Batterie ist diejenige 146 7 Bewertung des Energieverbrauchs Komponente die ber eine begrenzte Lebensdauer verf gt und somit die Materialbilanz der Betriebsphase belastet a Verbindung mit dem Material Inventar f r Energiesysteme kg 6 Glas unbeschichtet kg nm 19 24 Blei rezykliert kg 76 90 Blei rezykliert kg 8 50 Polypropylen kg 1 09 MG Silizium P I Bahntransport tkm 19 66 Wasser vollentsalzt 5519 Wasser 0 00009 Heiz l EL in Heizung 100 kW 0 001086 Strom Mittelspannung Bezug in UCPTE 10 13 Transport LKW 28 t 31 79 Transport Schiene HS kg 0 34 H S Schwefelwasserstoff p H gt SO in Wasser kg 0 071 a p Prozessemissionen b f Emissionen in Frischwasser 0 00084 Pb Blei p 0 00054 Ion Blei f Schwefelwasserstoff f Tabelle 7 3 1 Life Cycle Inventar f r eine geschlossene Bleibatterie mit 120 V und 38 Ah mit einem Totalgewicht von 145 k
19. pfel R Dones E Zollinger Oekoinventar f r Energiesysteme 3 Auflage ENET Bern 1997 R Frischknecht Methodik Oekobilanzierung und Oekoinventar in Oekolo gische und energetische Bewertung von Solarzellenanlagen in der Schweiz Pres semappe zur Medienorientierung Z rich 13 10 1994 S Ginsburg E Shafai Ch Wittmer H P Geering Test Bench Results of a Torque Pedal Interpretation with a CVT Equipped Power Train SAE Paper 970293 Warren USA 1997 M G hring Betriebsstrategien f r serielle Hybridantriebe Proceedings des 6 Aachener Kolloquium Fahrzeug und Motorentechnik 97 Aachen 1997 R Gretsch Ein Beitrag zur Gestaltung der elektrischen Anlage in Kraftfahrzeu gen Dissertation Universit t Erlangen 1978 W Gruca F Wagner Wirkungsgrad und Verlustleistung des RHVF 154 ETH Versuchsgetriebes P I V Entwicklungsbericht 62 93 im Auftrag des IET LVV der ETH Z rich Z rich 1993 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 175 HAGEN Batterie AG Hagen drysafe multicraft technisches Datenblatt Kas sel 1992 K S Hardy A Sabharwal S T McBroom Simulation and evaluation for 80 mpg Electric amp Hybrid Vehicle Technology 96 pp 45 48 UK amp International Press Dorking GB 1996 T Hayashi N Kishi S Kikuchi N Suzuki The Research of Emission Reduc tion Technologies for ZLEV Haus
20. 1 100km Tabelle 5 4 3 Konstantfahrverbrauch beim Rollwiderstandsbeiwert c 0 02 5 4 Untersuchungen am dynamischen Pr fstand 113 Im Vergleich zum Bestwert dieses VM von n 0 322 260 g kWh sind die Antriebswirkungsgrade im Bereich von 2 12 der Nennleistung durch aus gut Verbrauchswerte mit der EM konnten auf dem dynamischen Pr f stand nicht gemessen werden da der verwendete Wechselrichter erst f r den Fahrzeugeinbau zur Verf gung stand vgl Kap 5 5 1 Konst 50 km h Konst 30 km h Soe Geschwindigkeit km h n_VM rpm grad rpm n Schwun Ubersetzungsverhaltnis des Kettenwandlers o G 40 60 80 100 oO 20 40 60 80 100 Zeit s Zeit s N Bild 5 4 1 Geschwindigkeit Schwungrad und Motordrehzahl und ber setzungsverh ltnis des Kettenwandlers bei Konstantfahrt 50 und 30 km h 5 4 2 Genormte Testzyklen Am dynamischen Pr fstand k nnen die gew nschten Fahrprofile Zeit Geschwindigkeit dem Fahrer ber einen Monitor vorgegeben werden Aus gehend von der Abtriebsdrehzahl wird auf die Geschwindigkeit geschlossen und dem Fahrer zum Soll Ist Vergleich angezeigt Der Benzinverbrauch wurde mit einem Pierburg Durchflussmessger t PLU gemessen und stimmt mit dem errechneten Verbrauch aus der Kohlenstoffbilanz der Abgase auf 5 berein Die Ergebnisse des ECE R15 04 sind in der Tabelle 5 4 4 ersichtlich 114 5 Realisierung des Antr
21. 100km 54D R 2 Treibstoff im NEFZ Referenz Verbrauch 100km 3 3 6 B 4 77B 6 0 kWh 3 10 l ECE te 100km Smode DSs mix i gemischt Beschleunigung s km h 16s 0 175 0 15s 0 9s 0 80 17s 3s 14s 100 100 100 0 1008 0 100 0 100 a P Parallelhybrid S serieller Hybrid A autarker Hybrid D Dual Mode PA Power Assist b Als Elektrofahrzeug C permanent erregter Synchronmotor d Asynchronmaschine ejausgeglichene Ladungsbilanz der Batterie f simuliert simuliert 255 Gastur Otto bine 4 Takt Fer un Asyn PS 70 45 75 2x35 NiCd NiMH 234 Tabelle 1 3 1 bersicht der Hauptdaten verschiedener Hybridkonzepte In der vorliegenden Arbeit werden der Benzinbetrieb und der Elektrobe trieb einander gegen bergestellt Es wird der Frage nachgegangen unter 1 4 Eigene Beitr ge 15 welchen Betriebsbedingungen welche Energieform bevorzugt werden soll Dabei sind die Randbedingungen zu untersuchen und zu gewichten die eine Beurteilung des Gesamtantriebstranges beeinflussen Davon abgeleitet wer den Wege aufgezeichnet wie die vorhandenen St rken des realisierten Hybridantriebes weiterentwickelt werden k nnten Kapitel 2 enth lt das Konzept des ETH Hybrid IH die Modelle zur Beschreibung der Dynamik und des Energieverbrauchs des Antriebsstranges werden in Kapitel 3 erl utert In Kapitel 4 folgen die Simulationen in den verschiedenen Betriebsarten Die Realisie
22. 6 1 1 Vergleich simulierter und gemessener Verbrauchswerte im Taktbetrieb Fahr zeug mit 1500 kg Masse auf dem dynamischen Pr fstand 6 1 2 Vergleich zwischen Ziel und Versuchsfahrzeug Der Vergleich zwischen der Verbrauchssimulation und den Messwerten f r das Versuchsfahrzeug wurde entlang der Fahrwiderstandskurve bei ebe ner Fahrt durchgef hrt Die Messwerte von Tabelle 5 5 1 werden in Bild 6 1 2 den Simulationsergebnissen gegen bergestellt Die Simulation stimmt mit Ausnahme des Umschaltbereichs zwischen den beiden G ngen inner halb von 3 mit den Messergebnissen berein Die grosse Differenz im Umschaltbereich kann damit erkl rt werden dass bei jedem Takt der VM w hrend der Umschaltphase gedrosselt werden muss da w hrend der Umschaltung die Zugkraft unterbrochen wird Der tiefe Teillastpunkt ist im Verbrauchskennfeld weit von der optimalen Vollastlinie entfernt Zudem stellt der ganze Drosselvorgang eine Transiente mit grossen Abweichungen vom Station rzustand dar Der erh hte Fahrwiderstand des Versuchsfahr zeug verursacht w hrend des Schaltvorganges infolge der Zugkraftunterbre chung eine gr ssere Drehzahldifferenz ber der Kupplung K2 was zu erh hten Kupplungsverlusten f hrt 6 1 Verbrauch bei konstanter Fahrt 131 Verbrauchsvergleich Simulation Messung am Versuchsfahrzeug 6 2 y i x Messwerte und Interpolation 6 ra 000 Simulation und Interpolation 5 8 258 x S
23. Ausschnitt aus dem ECE R 15 04 gemessene Drehzahlverl ufe 4000 A om fi Seas 3500F o C A i i N ee w a l 4 sel Res u x 5 h t an ef i i i A i ae _ 2500 I i i i HA i Pea i 2000 a Eu L ode c l i hoes lt 1 S 1500 E l amp ra l 1000 10 i a i a Bar 5006 TI VM ads Getriebeein ang i i i H 0 Zwischenwelle EMS NZ gt Schwungrad a in ECE_8 8 02 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Zeit s Bild 6 2 1 Gemessener Verlauf der Schwungrad der Zwischenwellen der Getriebeein gangs und der Drehzahl des VM fiir das Zielfahrzeug im ECE R15 04 Zyklus Ausschnitt aus dem ECE R15 04 Vergleich Simulation Messung Drehzahlen min t ECE_8_8_02 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Zeit s Bild 6 2 2 Vergleich der simulierten und gemessenen Drehzahlen des Schwungrades und des VM fiir das Zielfahrzeug im ECE R15 04 Zyklus 500 6 2 Verlauf von Transienten im ECE Zyklus 135 ersichtlich bei Sekunde 252 in Bild 6 2 1 die auf einen unregelm ssigen Momentenaufbau beim VM Start zur ckzuf hren sind Ausschnitt aus dem ECE R 15 04 Vergleich Simulation Messung 60 Ferien Zr 50 Messung Simulation 4 co gt oO oO N oO Fahrzeuggeschwindigkeit km h _ Oo ECE_8 8 02 10 320 340 360 380 400 200 220 2
24. Cers der Batterie Cers 12 5 resultiert f r ein 12 V Batteriemodul eine maximale Ruhespannung von Up 12 69 V 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 35 freee ee I Us Ca U U Bild 3 2 1 Ersatzschaltbild fiir die Entladung der Bleibatterie Da die Batterie nur bis zur Spannung Up q 1 entladen wird muss die Batteriekapazit t Cp die Ladung in einem kleinen Spannungshub freisetzen Daraus folgt dass die modellierte Kapazit t wesentlich gr sser spezifiziert werden muss 3 2 7 Q Q Batt Co See n a R U Uka 0 URE 1 3 2 7 Bei einer Batteriekapazit t von 38 Ah bei Cs entspricht 4 56 kWh Ener gieinhalt ergibt sich eine Modellkapazit t Cp 147 59 10 F Die Batteriespannung ergibt sich mit dem ohmschen Gesetz U UR T R R R 3 2 8 Der Konzentrationswiderstand R in 3 2 8 bildet den Unterschied der Leitf higkeit des Elektrolyten durch die nderung der S urekonzentration ab und wird mit einem Polynom zweiten Grades im Entladegrad approximi ert 2 Ry 99 1 Ie AW 3 2 9 Die Koeffizienten lauten q 0 24 Q q 0 07 Q und g 0 012 Q Der Durchtrittswiderstand R in 3 2 8 beschreibt den bergangswiderstand zwischen Elektrode und Elektrolyt mit den Koeffizi enten d 0 02 Q d 0 25 und d 0 2 in 3 2 10 36 3 Modellierung des Antriebsstranges R d 1 d e mit i 3 2 10 Der relative Strom i stellt das Verh ltnis des Klemmenstrom
25. Drosselbetrieb Solange der Leistungswunsch deutlich unterhalb der Vollastleistung des VM bei seiner minimalen Betriebsdrehzahl liegt kann mit einer getakteten Betriebsweise des Motors eine gemittelte Betriebspunktverlagerung erzielt werden Dieses Verfahren arbeitet analog der in der Elektrotechnik weit ver breiteten Puls Breiten Modulation und nutzt die Tatsache dass der beste Wirkungsgrad des Ottomotors an seiner Vollast liegt sofern er bei st chiometrischem Gemisch und ohne Aufladung betrieben wird minimale Drosselverluste Das Schwungrad wird m Taktbetrieb als Kurzzeitenergie speicher genutzt Der VM wird mit Vollast betrieben um das Schwungrad zu laden w hrend der Entladung steht der VM still Im Taktbetrieb st das Schwungrad ber die Reibkupplung K3 mit der Zwischenwelle stets verbunden Bild 2 3 2 F r die Lade und Entlade phase des Schwungrades treten zwei unterschiedliche Konfigurationen des Antriebes auf Fahrzeug mit Antrieb verbunden Reibkupplung K2 zu Fahrzeug mit Antrieb nicht verbunden Reibkupplung K2 offen Bei geschlossener Reibkupplung K2 ist der VM w hrend der Ladephase ber die Kupplung K1 mit dem Antriebsstrang verbunden Bild 2 3 2 Die Vollastleistung des VM liefert einerseits die gew nschte Antriebsleistung f r das Fahrzeug andererseits wird sie falls erforderlich zur Speisung des 22 2 Konzept des ETH Hybrid III Antriebsstranges Bordnetzes bereitgestellt Die Uberschussleistung besc
26. Erh hung der Komplexit t auch die Masse des Antriebsstranges steigt Mit der Verwendung von Elektrizit t neben einem fl ssigen Treibstoff stellt sich die Frage nach den relevanten Vergleichsgr ssen der unterschiedlichen Energieformen In verschiedenen Arbeiten wurden die einzelnen Komponenten des ETH Hybrid IH entwickelt und optimiert Dies gilt f r die Motorsteuerung des Benzinmotors 53 die Kombination von Schwungrad und Verbrennungs motor 19 die Konstruktion des stufenlosen Weitbereichsgetriebes und der Regelung des Kettenwandlers mit den Klauen und Reibkupplungen 73 des Eiektromotors 49 87 und nicht zuletzt f r den W rmekreislauf Bei der Auslegung der Fahrstrategie wurden die verschiedenen Betriebsarten mit Schwerpunkt auf dem verbrennungsmotorischen Betrieb simuliert opti miert und verifiziert 91 14 I Einf hrung Eigenschaft Pos uo a Leermasse Ver 1245 1165 660 1015 gleichsfahrzeug Volvo Toyota i ECC Mercedes Prius gt N 1350 Zusatzmasse 1580 1758 Leermasse Batteriegewicht Motortyp VM 1710 1240 1230 350 Diesel Otto Otto Otto Otto TDI GDI 2 Takt 4 Takt 4 Takt Leistung EM kW Peak 32 721 30 30 40 20 34 34 kW Dauer Buatterieurt Blei NiMH NiCd NiCd Blei Vlies Vlies Reichweite el km je 50 ECE one 30 ECE 70 a 24 ECE 85 FTP 16 2 ape I4ECE j 12 8 5 8 ECE ECE Zyklus Verbrauch el kWh 100km Verbrauch 1
27. Gesamt bersetzung des Getriebes Winkelgeschwindigkeit Leistungsfluss aus einer Komponente Batterie Entladephase der Batterie Ladephase der Batterie Brennstoff Durchtrittswiderstand entladen Elektromaschine im Generatormodus Leistungsfluss in eine Komponente hinein elektrisch Elektromaschine Elektromaschine m Motorbetrieb Fahrzeug Gasung 171 lt lt lt lt Nms rad 172 G i i k K Kin KW L La LE LG Luft q R Roll S Schmier Steig Getriebe Innenwiderstand Ohmscher Widerstand Konzentrationswiderstand Kupplungen kinetisch Kettenwandler laden Last Lager Leistungselektronik Ladegerat Luftwiderstand Ladung Rad Rollwiderstand Schwungrad Schmier l Steigungswiderstand Thermisch Umwandlungswiderstand Verluste Verbrennungsmotor Zwischenwelle Getriebeeingangswelle Literaturverzeichnis 12 13 14 Air Resources Board of State of California Proposed amendments to the low emission vehicle regulations to add en equivalent zero emission vehicle EZEV standard and allow zero emission vehicle credit for hybrid electric vehicles Draft Staff Report Mobile Source Division El Monte California 14 7 1995 F An M Barth Critical Issues in Quantifying Hybrid Electric Vehicle Emis sions and Fuel Consumption SAE Paper 981902 August 1998 E Andreta et al Car of Tomorrow Plan of Action European Commission DGXIVF Brussels 1995 M B
28. LCA ist eine Methode zur Erfassung von umweltrelevanten Eigenschaf ten und potentiellen Auswirkungen auf diese Eigenschaften in Zusammen hang mit einem Produkt die im gesamten Produkteleben auftreten Diese Vorgehensweise gliedert sich in drei Phasen Erarbeitung eines Inventars aller relevanten Ein und Ausgangsstoffe des betrachteten Systems wobei auch Zwischenstoffe die innerhalb der Systemgrenzen auftreten enthalten sein k nnen Bestimmung der Wirkungspotentiale der Ein und Ausgangsstoffe auf die verschiedenen Umweltaspekte Interpretation der Ergebnisse aus dem Inventar und deren Zusammen fassung auf die Wirkungspotentiale im Vergleich zu den Zielen der Analyse 7 2 Die Methode des Life Cycle Assessments 141 LCA ist eine von verschiedenen Methoden zur Absch tzung der Auswir kungen auf die Umwelt Andere Methoden sind z B Risikoanalyse stand ortbezogene Umwelt Audits oder relative Grenzwertbelastungen Mit der LCA Methode werden keine konomischen oder sozialen Aspekte ber ck sichtigt 43 7 2 1 1 Zielsetzung und Systemgrenzen In einer ersten Phase ist die Zielsetzung der LCA und der Umfang des betrachteten Systems klar zu definieren Dabei ist zu beachten dass die Systemgrenzen soweit wie n tig festgelegt werden um die Zielsetzung der Studie erreichen zu k nnen Es ist Wert auf messbare und klar definierte Abgrenzungen zu legen 7 2 1 2 Beschreibung des Life Cycle Inventars LCI Die Erstellung des L
29. Regel Steinkohle so emittiert der Taktbetrieb weniger als 45 der Emissionen des Stromes aus Steinkohle Die Lebensdauer der Bleibatterie ist bei der Beurteilung der erforderli chen Prim renergie und der Emissionen ein nicht zu vernachl ssigender Faktor da sie mindestens einmal ersetzt werden muss Mit der Anwendung des Taktbetriebes als effiziente Teillastverbesse rungsmassnahme beim Benzinmotor kann ein Elektrobetrieb nur noch zur Verbesserung der lokalen Luftqualit t beitragen Als Konsequenz wurde die vorgeschlagene Teillastverbesserung ohne Elektroantrieb simuliert und ein Verbrauchseinsparpotential zum Basisfahrzeug von ber 50 gefunden Weitere Einsparungen sind mit der Anwendung modernster Motorentechnik durchaus zu erzielen Weitergehende Wirkungsgradsteigerungen sind mit Brennstoffzellen als Antriebsaggregate erzielbar sofern ussersten Wert auf optimale Auslegung der Hilfs und Nebenaggregate gelegt wird und der verwendete Treibstoff auf erneuerbaren Ressourcen bas ert vii Summary This work contains the concept the modeling the realization and the assessment of the different operating strategies of a hybrid power train con sisting of a spark ignited engine an electric machine a flywheel as short time energy storage device and a continuously variable transmission CVT with an enhanced gear ratio range the ETH Hybrid III power train The interest is focused in particular to the comparison of the operation on
30. Taktbetrieb gew hlt Die Grenzdrehzahlen des Taktbe triebes werden konstant gew hlt vgl Kap 4 1 3 und 91 19 Bei einem Fahrleistungsbedarf gt 14 kW wird im berlandbetrieb gefahren Im Grenz bereich der beiden Betriebsarten 12 14 kW reduziert sich der Wirkungs grad des Taktbetriebes infolge der kurzen Taktzeiten deutlich Die Verluste des Motorstarts und die kinetische Energie des VM nach dem Auskuppeln ffnen der Reibkupplung K1 f hren dazu dass eine gedrosselte perma nent gefeuerte Betriebsweise effizienter wird als der Taktbetrieb Bei der Rekuperation werden die verschiedenen Optionen gem ss Kap 2 3 3 4 in der Priorit t Schwungrad Batterie W rme genutzt 2 3 4 2 Fahrstrategie E Die Fahrstrategie E fordert einen rein elektrischen Antrieb zur Erzielung eines lokal emissionsfreien Betriebes Die EM wird zusammen mit dem Schwungrad genutzt Die Solldrehzahl des Schwungrades wird in Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit zur Sicherstellung einer minimalen Beschleu nigungsleistung variiert vgl Kap 4 2 2 Die Drehzahl der EM ist durch die Nenndrehzahl 1800 min nach unten begrenzt Im Betriebsbereich lt 6000 min kann die Drehzahl aufgrund der gew nschten Beschleuni gungsreserve bestimmt werden Die Strategie der Rekuperation ist f r die Fahrstrategie E und V identisch 2 3 4 3 Kombinierte hybride Fahrstrategie H Ist die Wahl der Fahrstrategie E in der Regel durch eine Gesetzgebung nach lokal emissionsfre
31. Ueberlandbetrieb Zwischenwelle Fahrzeuggeschwindigkei 2000 Be ee _ 77 7 Schwungrad 18007 Br Verbrennungsmiotor Drehzahlen min 1 Geschwindigkeit 50 km h 500 10 15 20 25 Zeit s Wechsel vom Taktbetrieb zum Ueberlandbetrieb 400 F JNS p vnsle VATA wa 2 a Se Fahrerwunschmoment TZS50 ec x Eee AN ra ae Oe a AA aiaa gt S i 3 E ol amp 300 Dr ee eh aan LR N ah Rie gag a Moment am Rad 3 aH 250 ii i Ban reais ae De ee tines on 5 poet an fod a A x Steuerspannung 4 Kantenschieber Ee 1 AEP EN T Rae Ra er ee E f v iN S ne X 5 E Kettenwandler bersetzung 2 eh haat Mik sheen sten meer cannes o 5 Wechsel_T_U_org 0 10 15 20 25 Zeit s Bild 5 4 3 bergang zum Taktbetrieb in den berlandbetrieb w hrend einer Beschleu nigung Beim bergang zum Taktbetrieb wird zuerst die Drehzahldifferenz zum Schwungrad aufgehoben die Reibkupplung K3 geschlossen und je nach 120 5 Realisierung des Antriebes Drehzahlniveau ein Ladezyklus des Schwungrades bis zur oberen Drehzahl grenze von 3600 min durchgef hrt Wechsel vom Ueberlandbetrieb zum Taktbetrieb 4000 Fahrzeuggeschwindigkeit ST Ww Q Zwischenwelte Verbrennungsmotor Drehzahlen min 1 Geschwindigkeit 50 km h Drosselklappe 10 Grad CEF Wechsel_T_U_org 3 30 32 34 36 38 40 Zeit s Wechsel vom Ueberl
32. Verz gerung des Fahrzeuges ab 70 km h mit Schwun gradrekuperation und einer anschliessenden Beschleunigung 5 4 4 Transiente Betriebsartenwechsel Beim Betrieb des ETH Hybrid III Antriebes treten verschiedene Betriebs artenwechsel auf Stellvertretend werden folgende zwei F lle genauer betrachtet Wechsel zwischen Taktbetrieb und berlandbetrieb Wechsel zwischen Taktbetrieb und Rekuperationsbetrieb 5 4 4 1 Wechsel zwischen Taktbetrieb und berlandbetrieb Beim Wechsel zwischen Taktbetrieb und berlandbetrieb wird in eine v llig neue Antriebskonfiguration bergegangen vgl Kap 2 3 3 Der 118 5 Realisierung des Antriebes Wechsel zum berlandbetrieb erfolgt sobald der Fahrerwunsch oberhalb der Taktbetriebsgrenze liegt und gleichzeitig das Schwungrad entladen ist Wie in Bild 5 4 3 deutlich wird kann f r kurze Zeit ein Leistungswunsch oberhalb des Taktbetriebes aus dem Schwungrad befriedigt werden Die Anpassung der Getriebe bersetzung wechselt beim Betriebsartenwechsel die Richtung was an der bersetzung des Kettenwandlers erkennbar wird Wie aus dem Verlauf der Schwungraddrehzahl zu sehen st wird anf ng lich die Beschleunigungsleistung teilweise aus dem Schwungrad geliefert so dass auch der Momentenwunsch ann hernd erf llt werden kann Sobald das Schwungrad entladen und abgekoppelt ist wird zur Betriebsart berlandbetrieb gewechselt In der neuen Konfiguration wird die erforderli che Motorleistung ber ei
33. beiden Halbkegelpaaren Fixkegel und variabler Kegel bertr gt die hydraulisch angepresste Stahlkette das Antriebsmoment Bild 3113 Durch die Momentenf hler I und II wird durch momentenproportionale Drosselung des Abflusses der notwendige Druck f r die Momenten bertra gung erzeugt Durch die Verschiebung des 4 Kanten Schiebers kann die Position der variablen Kegel derart ver nert werden dass ber die Anpas sung der Laufradien der Gliederkette die erforderliche bersetzung einge stellt wird Die mechanische und hydraulische Modellierung ist in 76 zu finden Der Wirkungsgrad des Kettenwandlers wird vom gew hlten berset zungsverh ltnis der Last und der Drehzahl beeinflusst Bild 5 1 14 Beste Werte sind bei bersetzung i erzielbar Wirkungsgrade bis n 0 97 sind bei tiefen Drehzahlen und hohen Momenten erreichbar Die Wirkungsgrade 90 5 Realisierung des Antriebes zeigen mit zunehmendem Drehzahlniveau eine abnehmende Tendenz Die Leerlaufleistung nimmt mit zunehmender Drehzahl zu 29 Fixkegell Verschiebbarer Kegel ORS TURES oo _ RETTET Moment gt nm m Momentenfuhler Il pa Verschiebbarer Kegel II Moment gt Abfluss 2 bar _ Fixkegel II a _ 4 Kanten Schieber Speisedruckregelung Steuerger t Vp von vol f rdernder Pumpe Ustel Bild 5 1 13 Funktionsschema des Kettenwandlers mit dem Steuerger t 5 1 4 2 Getriebeauslegung Das Konzept des stufenlosen Ge
34. bersicht sind hier nochmals die Regelkreise aufgelistet die zum Betrieb der einzelnen Komponenten notwendig sind Verbrennungsmotor Verbrennungsluftverh ltnis Z ndzeitpunkt und Drosselklappenposition Kap 5 1 1 3 Elektromaschine Frequenz Spannung und Wechselstrom der EM 87 Die Regelungen sind lokal im Wechselrichter integriert da die erforderliche Regelgeschwindigkeit von 10 kHz die M glichkeiten des Steuerungssystems bersteigt Hybrideinheit Anpressdruck der Reibkupplungen Kap 5 1 3 2 5 3 Realisierung des Versuchsfahrzeuges 107 i CVT Getriebe Kettenwandleriibersetzung Kap 5 1 4 1 Hydraulikversorgung fiir CVT und Hybrideinheit Kap 5 1 4 3 Als Kaskadenregler oberhalb der Komponentenregler ist die Regelung des Fahrwunsches als Kraftwunsch am Rad zu betrachten Typisch fur diese Regelungsaufgabe ist die Interaktion mit den Fahrstrategien Der Wechsel zwischen den verschiedenen Betriebsarten kann auch zum Umschalten zwi schen unterschiedlichen Reglern f hren d h die Fahrstrategie entscheidet ber die zu aktivierenden Regler der Momentenwunschregelung und somit ber die erforderliche Soll bersetzung Unterlegt ist als Lageregelung die bersetzung des Kettenwandlers 26 Der schematische Aufbau ist in Bild 5 2 2 und 73 ersichtlich Fahrpedal Ma wunsch s t Ubersetzung Ubersetzungs regelsystem Antrieb Bild 5 2 2 Struktur der Kraftwunschregelung nach 73 5 3 Realisierung de
35. der GWP20 Emissionen der verschiedenen Stromherstellungsarten und dem Benzinbetrieb im Zielfahrzeug F r die Lebensdauer der Bleibatterie sind opti mistische Werte nach Tabelle 7 4 1 eingesetzt 158 7 Bewertung des Energieverbrauchs Im Benzinbetrieb stehen zwei Varianten zur Diskussion a mit generatorischer Bordnetzspeisung d h 5 17 1 100 km b Bordnetzversorgung ab Fahrbatterie d h 4 53 14 2 06 kWh 100 km Vergleicht man die drei Varianten auf den Einsatz an Prim renergie und GWP Tabelle 7 4 2 werden die selben Zusammenh nge wie in Kap 7 4 1 deutlich In Bild 7 4 4 ist ein Vergleich des Elektrobetriebes sowie des Taktbetrie bes mit Bordnetzspeisung ab Generator gegen ber weiteren Antriebskonfi gurationen im selben Grundfahrzeug aufgetragen Als einfachste Variante wird der VM mit einem CVT ohne Elektroantrieb kombiniert und unter Ausnutzung der Schwungnutzung betrieben Im zweiten Konzept wird ebenfalls auf den Elektroanteil verzichtet Der VM wird zusammen mit einem Schwungrad und einem CVT zur Realisierung des Taktbetriebes und Strom Strom zur Nutzung der Rekuperationsenergie eingesetzt Einheit Mix sete Grenzstrom Brenngas Kernkraft Steinkohle UCPTE UCPTE UCPTE UCPTE Prim renergie MJ 100km 230 3 Erz Fr dito Benzinbetrieb Generatorisch Prim renergie MJ 100km 230 1 ll 5 234 4 224 3 233 4 213 2 Benzinbetrieb Fahrbatterie Prim renergie MJ 100 km 391 6 281 1 446 3 317 2 433 50 175 5 Elektro
36. die Rekuperation ins Schwungrad neben dem Aufbau der Beschleunigungsreserve an Bedeutung Bei Netzladungen von gt 6 Stunden f r eine Volladung ist ein sehr guter Ladewirkungsgrad der Batterie erzielbar Der Batterie ist im Falle der Netz ladung ein Ladeger t mit integriertem AC DC Wandler vorgeschaltet das ber einen energetischen Wirkungsgrad von Ny adegerat 0 85 verf gt Die Abh ngigkeit des ber die Dauer eines ECE Zyklus integrierten ener getischen Wirkungsgrades vom Ladezustand der Batterie ist in Bild 4 2 10 erkennbar F r die Batterie kann somit ein Entladewirkungsgrad von 0 85 0 91 angegeben werden Erfolgt die Batterieladung vom Netz lt 1kW kann der Energiebedarf im ECE Zyklus aus Tabelle 4 2 2 entnommen werden Energiebedarf ab Netz kWh 100km 16 02 17 15 20 70 24 84 Tabelle 4 2 2 Verbrauch im Elektrobetrieb im ECE R15 04 Zyklus mit einer Bleibatterie und einer NiMH Batterie bei 6 st ndiger Ladung 4 2 Elektrobetrieb 63 Entladewirkungsgrad der Bleibatterie 6000 5500 a fo Q oO 4500 4000 aeaa 0 92 3000 Q3 a7 Q 25007 2000 DEE paat Bar dpa EE O z Konstantleistung an der Batterieklemme W 1500 EEE l 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Relativer Entladegrad ge ge_max Bild 4 2 8 Wirkungsgradkennfeld der Bleibatterie bei konstanter Entladeleistung aufge tragen ber dem relativen Entladegrad Ladewirkungsgrad der Bleibatter
37. ein Datenerfassungsrechner inklusive einem 21 Monitor von 25 kg enthalten Folglich k nnen die ber cksichtigten 360 kg Mehrgewicht f r den Aufbau am dynamischen Pr fstand als durchaus reali stisch abgesch tzt werden Neben dem erh hten Luft und Rollwiderstand spielt f r die Abstimmung des Antriebes auf das Fahrzeug vor allem der gr ssere Radradius von 9 5 eine entscheidende Rolle Den gr ssten Einfluss gegen ber dem dynami schen Pr fstand haben die ver nderten Betriebspunkte des Kettenwandlers Die Nennleistung des VM von 45 kW skaliert nicht gerade ideal zum Fahrzeuggewicht des Sharan Die anvisierten Ziele des Fahrversuches n m 5 3 Realisierung des Versuchsfahrzeuges 109 lich die Fahrbarkeit des Antriebes zu ergr nden k nnen aber auch mit der aktuellen Konfiguration erreicht werden In einem weiteren Schritt m sste auch der ben tigte Bauraum des Antriebsstranges reduziert werden Eine Studie ber einen m glichen Aufbau eines weiterentwickelten Hybridantrie bes mit Schwungrad ist in 35 skizziert Die Fahrversuche wurden auf Rol lenpr fst nden an der EMPA in D bendorf und an der Ingenieurschule Biel durchgef hrt Bild 5 3 1 Das ETH Hybrid III Fahrzeug basierend auf einem Volkswagen Sharan Die Frontpartie ist gegen ber der Serie um 18 cm verl ngert Rotierende Masse Luftwiderstand c A Ks tC Motor Hubvol Leistung dm kW 1 3 45 Tabelle 5 3 2 Hau
38. eine beschr nkte Zero Emission Reichweite kombiniert und dargestellt Die Ans tze unter Abschnitt c werden dabei nicht ber cksichtigt Zudem soll von einer heute blichen Energieform Benzin ausgegangen werden die teilweise durch Elektrizit t ersetzt werden kann Bei der Evaluation der anzuwendenden Antriebsysteme zur Erh hung des Antriebswirkungsgrades werden sowohl in den USA als auch in Europa Hybridantriebskonzepte regelm ssig miteinbezogen Ein solches Hybrid konzept ist Gegenstand der vorliegenden Untersuchung 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwa genbereich Es folgt ein kurzer berblick ber einige Hybridantriebskonzepte die in den letzten Jahren f r Personenwagen entwickelt oder vorgeschlagen wor den sind Das Zusammenf gen zweier Antriebsaggregate in einem Hybridantrieb in der Folge jeweils ein Verbrennungsmotor und eine Elektromaschine erm glicht eine Verbrauchs und oder Emissionsminimierung des Fahrzeu ges durch die Kombination der Vorteile dieser Systeme In der Literatur sind auch andere Definitionen von Hybridantrieben zu finden 48 86 die hier nicht ber cksichtigt werden Mit der Vielfalt der Kombinationsm glichkei ten k nnen unterschiedliche Systemeigenschaften gezielt realisiert werden 4 l Einf hrung Hybridantriebe bieten gegen ber den heutigen Personenwagenantrieben zwei entscheidende Vorteile Einerseits kann der Verbrennungsmotor oder die Elektromaschine teilweise vom
39. gt gt 0 12 x Messpunkte Versuchsfahrzeug Messpunkte Zielfahrzeug 0 a at detente Am ee a ee 0 08 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 Leistung am Rad kW Bild 6 1 3 Wirkungsgradvergleich bei gleicher Leistung zwischen dem Versuchsfahrzeug und dem Antriebsstrang im virtuellen Zielfahrzeug bei Konstantfahrt in der Ebene Vergleich Elektroantrieb Simulation Messung im Versuchsfahrzeug 0 6 0 55 in oO 2 oi x Messwerte im Versuchsfahrzeug Simulation f r Versuchsfahrzeug Antriebswirkungsgrad ab Batterie 0 25 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Fahrgeschwindigkeit km h Bild 6 1 4 Vergleich der Simulation und der gemessenen Wirkungsgrade des Antriebes im Elektrobetrieb von der Batterie bis zum Rad im Versuchsfahrzeug mit c 0 0133 6 2 Verlauf von Transienten im ECE Zyklus 133 Die Abweichung von 2 7 kann durch die zus tzlichen Widerst nde in der Verkabelung und der Abweichung der Maschinenspeisung von einer rei nen Sinusform erkl rt werden vgl 87 F r die Absch tzung des elektri schen Verbrauches kann aber die bereinstimmung zwischen Simulation und Messung als gen gend genau betrachtet werden Die Fahrwiderst nde des Versuchsfahrzeuges gekoppelt mit den Verlusten des Schwungrades als Beschleunigungsreserve begrenzen die H chstgeschwindigkeit auf 34 km h bei einem maximalen Wirkungsgrad von 57 Dies zeigt eine gute berein stimmung mit den Simulationen aus Bild 4 2 3
40. hlt Eine umfassende Analyse des gew hlten Pt Rh CeO Al O Katalysators und ein optimiertes Betriebsmu ster als Vorgabe f r die Sauerstoffspeicherregelung ist in 63 und 81 beschrieben 5 1 1 3 Motormanagement Das Motormanagement f r Z ndung und Einspritzung wurde am Institut f r Mess und Regeltechnik IMRT ausgelegt aufbauend auf der Original software der Volkswagen AG die ber eine Bankeinspritzung Digifant verf gt Die Motorsteuerung des ETH Hybrid IH Antriebes ist eine zylin derindividuelle Applikation und wurde in der Programmiersprache C por tiert Die einzuspritzende Treibstoffmasse wird anhand der Luftmasse die mittels Saugrohrdruck und temperatur ermittelt wird bestimmt Die Ein spritzmasse wird vorausberechnet und ber eine Lambdaregelung korrigiert 78 53 12 60 75 Durch den Einsatz eines Katalysatormodells und der beiden Breitbandlambdasonden kann der Sauerstoffspeicher des Katalysa tors geregelt werden 75 Die notwendige Steuerungshardware f r die kur belwinkelsynchrone Bet tigung von Z ndung und Einspritzung entstand in Zusammenarbeit des IMRT und des Institutes f r Technische Informatik und Kommunikationsnetze TIK 84 vgl auch Kap 5 1 6 Die Lagerege 78 5 Realisierung des Antriebes lung f r den elektrischen Aktuator der Drosselklappe wurde ebenfalls am IMRT entwickelt und im Motormanagement integriert 5 1 1 4 Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors Ziel der Anpassungen war es
41. hybride Auto mobilantriebe Z rich 9 11 1993 L Svantesson A Comprehensive Environmental Concept for Future Family Cars Tagungsband der Int Konferenz ber hybride Automobilantriebe Z rich 9 11 1993 S Tagliaferri L Padeste A Baiker Behaviour of Three Way Catalysts in Hybrid Drive Systems Dynamic Measurements and Kinetic Modelling Proceed ings of the Third International Congress on Catalysis and Automotive Pollution Control Br ssel 20 22 April 1994 H O Trutmann Komplexe Technik schont die Umwelr Bulletin SEV VSE 9 97 Verband Schweizerischer Elektrizit tswerke Z rich 1997 H O Trutmann Verteilt und doch zusammen zum Steuerungssystem von Hybrid IIT Erweiterte Konferenz ber hybride Automobilantriebe ETH Z rich 6 11 96 H O Trutmann N Jelaca M ICX Motorsteuerung Benutzerhandbuch interner TIK Bericht ETH Z rich 27 2 95 R Turin Verbrauchsanalyse f r getakteten Motorenbetrieb interner IMRT Bericht Mot 4 93 ETH Z rich Mai 1993 R van der Graaf An IC Engine Flywheel Hybrid drive for road vehicles Pro ceedings of the EAEC Congress pp150 167 Strasbourg 1987 A Vezzini Optimierung des elektrischen Antriebssystems f r ein Hybrid Fahr zeug Dissertation ETH Nr 11784 Z rich 1996 W Warthmann G Benczur rm ssy F Haschka D Ohms Alkalische Nickel systeme f r den Einsatz in Hybridfahrzeugen VDI Bericht 1225 D sseldorf
42. im Sharan 5 5 Untersuchungen am Rollenpr fstand 125 Die Emissionswerte des Fahrzeuges sind in Tabelle 5 5 4 dargestellt 1 39 18 0 30 56 0 29 21 185443 7 Tabelle 5 5 4 Emissionswerte des ETH Hybrid Ill Antriebes im Versuchsfahrzeug im ECE R15 04 Zyklus bei warmem Antriebsstrang 5 5 3 NEFZ mit reduzierter Spitzengeschwindigkeit An der Ingenieurschule Biel wurde mit dem ETH Hybrid IH Fahrzeug der NEFZ gefahren Dabei sollte eine Vergleichsbasis zu den eingesetzten Fahrzeugen im Leicht Elektro Mobilversuch in Mendrisio erm glicht wer den Dazu wurde im ausserst dtischen Teil des Zyklus EUDC die H chst geschwindigkeit von 120 km h auf 80 km h gesenkt 54 Die Messergeb nisse s nd aus Tabelle 5 5 5 ersichtlich Beim Kaltstart wird der VM bis zum 1 Erreichen einer Motor ltemperatur von 40 C permanent bei 1800 min betrieben Katsa 13 018 025 1763 75 Tabelle 5 5 5 Messergebnisse im NEFZ mit H chstgeschwindigkeit 80 km h des ETH Hybrid Il Versuchsfahrzeuges bei kaltem und warmem Antriebsstrang Verschlechterungsfaktoren der Emissionen sind 1 0 Die Verbrauchsdifferenz zwischen den Messungen mit Kalt und Warm start betr gt 5 7 Dabei f llt der Mehrverbrauch w hrend des ECE Teiles des Zyklus an der EUDC Verbrauch ist innerhalb 1 in beiden Zyklen der selbe Im kalten Zyklus ben tigt das Fahrzeug im EUDC 6 77 1 100km im warmen Zyklus resultiert ein Verbrauch von 6 70 1 100 km
43. neben der Erm glichung des Taktbetriebes einen st chiometrischen Betrieb im gesamten Betriebskennfeld darzustel len um so den jeweils optimalen Wirkungsgrad f r jede Drehzahl an der Vollast zu erzielen Bild 5 1 1 Permanenter Motorbetrieb Taktbetrieb Effektiver Mitteldruck Pme bar 4000 5000 6000 2000 3000 Motordrehzahl 1 min Bild 5 1 1 Verbrauchskennfeld des Benzinmotors angepasst an die Bed rfnisse des ETH Hybrid III Antriebes Im Drosselbetrieb dreht der VM bei 1800 min Neben der Optimierung des kennfeldabh ngigen Ziindzeitpunktes erfolgt eine Anpassung der Z ndspannung zur Verringerung der Gefahr von Z ndaussetzern Dies f hrte vor allem bei den h ufigen Motorstarts im Taktbetrieb zur Begrenzung der HC Emissionen 21 und Bild 5 1 2 Das Verhalten der Lambda und Drosselklappenregelung ist in Bild 5 1 3 f r einen Takt des Taktbetriebes ersichtlich Die Drosselklappe wird w h rend dem Abschalten des VM geschlossen um den Luftmassenstrom durch 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 79 den Motor in dieser Zeit zu minimieren Somit kann die Sauerstoffzufuhr und die Ausk hlung des Katalysators begrenzt werden Die Sauerstoffspei cherf higkeit des Katalysators ist beim Lambdaverlauf hinter dem Katalysa tor gut zu erkennen Die ersten 0 5 s nach dem Motorstart erzielt der Kataly sator trotz fettem Gemisch ein hohe Konversionsrate 73 HC Kennfeld VW 1 31 GT Digifant pme bar
44. nicht ber ein Netzladeger t Generator cI DI Ottomotor Planetengetriebe Batterie Bild 1 2 4 Schema des Toyota Prius Hybridkonzeptes ESORO Twin Trak Der Twin Trak ist ein weiteres paralleles Hybridkon zept das sich nicht unbedingt in das bliche Klassifikationsschema einzu ordnen l sst Der Zweizylinder Ottomotor ist mit dem Elektromotor auf der selben Welle angeordnet 40 Beide Motoren sind mit dem Fahrzeug ber eine einzige Reduktionsstufe verbunden Das Fahrzeug ist nur mittels Elek tromotor aus dem Stillstand zu bewegen das Anfahrdrehmoment des E Motors erlaubt diese Strategie Der Verbrennungsmotor wird erst ab Geschwindigkeiten ber 60 km h zugeschaltet und kann den oberen Lei stungsbereich abdecken Bild 1 2 5 Durch die mangelnde Startm glichkeit mit dem Verbrennungsmotor ist man geneigt den Antrieb in die Klasse der seriellen Hybride einzureihen Dem widerspricht aber die direkte mechanische Anbindung beider Motoren an das Reduktionsgetriebe Die Konfiguration eines Parallelhybrides ist somit nur in einem begrenzten Betriebsfenster gegeben 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich 11 Reduktions getriebe 2 Zyl Ottomotor Bild 1 2 5 Schema des ESORO Twin Trak Parallelhybridantriebes Elektro motor Rad Alle hier vorgestellten Konzepte zielen auf die Reduktion des Treibstoff verbrauches bei Einhaltung bestehender Emissionsvorschriften Die M g lichkeit einer
45. wird als konstant angenommen p 1 16 kg m Somit wird der Luftwiderstand 2 Fyup 0 350 A Pr Vp 3 1 5 Der Steigungswiderstand ergibt sich nach 3 1 6 F Mp 8 sin amp 3 1 6 Steig Das Moment Myx des VM entspricht beim Motorstart dem Schleppmo ment negatives Vorzeichen und in der Betriebsphase dem netto gelieferten Antriebsmoment Das Moment Mp y der EM kann sowohl positive im Fall der Motor oder Anlasserfunktion als auch negative im Fall des genera torischen Bremsens oder des Alternatorbetriebes Werte annehmen Als Verlustmomente treten am Schwungrad Mys die Luftreibung und die Lagerreibung des Schwungrades auf der Zwischenwelle sowie das Reaktionsmoment der Reibkupplung K3 auf 3 1 8 An der Zwischenwelle ergibt sich das resultierende Verlustmoment My aus den Lagerreibungen der 3 Reibkupplungen und dem St tzmoment der Schwungradlagerung 3 1 9 Das Verlustmoment des Getriebes Myg besteht aus den Reibmo 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 31 menten des Kettenwandlers und der Zahnradpaarungen und Lagerungen sowie den Antriebsleistungen der beiden hydraulischen Pumpen 3 1 10 Dieses mechanische Grundmodell ist ein reines l ngsdynamisches Modell und bildet somit Querbeschleunigungen und die Kreiselwirkung des Schwungrades nicht ab Mit dem Drallsatz ergeben sich die Bewegungsglei chungen f r die Tr gheiten Oy Oym Myy Mx 3 1 7 8 Os Mys Mrs 3 1 8 Or OR Mga Myg
46. wurde um die Schnittstelle zum Fahrzeug erwei tert ber ein Display wird dem Fahrer die relevante Information angezeigt Neben der reinen Fahrinformation k nnen durch die Wahl verschiedener Bildschirmseiten zus tzliche Informationen w hrend dem Betrieb angese hen werden vgl Kap 5 2 1 Die einzelnen Seiten k nnen ber eine abge nderte Schaltung der Bedienung der Geschwindigkeitsregelung angew hlt werden Zus tzlich ist die Anbindung des Batterieladeger tes und des Batte riemanagers ans Steuerungssystem realisiert worden 5 4 Untersuchungen am dynamischen Pr fstand 111 5 4 Untersuchungen am dynamischen Pr fstand Am LVV wurde der Antrieb auf dem dynamischen Pr fstand untersucht Die Dynamik des Fahrzeuges wird an diesem Pr fstand mittels Schwung massen und einer geregelten Wirbelstrombremse dargestellt Normalerweise ist der Pr fstand f r Abtriebsdrehzahlen ab Getriebeausgang ausgelegt F r den ETH Hybrid III Antrieb wurde nach dem Halbwellenausgang das Dif ferential ist hier bereits integriert ein Hochtreibergetriebe mit der festen bersetzung 4 1 integriert F r die Simulation des Fahrzeuges wurde von den folgenden Fahrzeugdaten ausgegangen Rotierende Fz Masse ke o Radradius 0 274 Rollwiderstandsheiwwer o ooa Tabelle 5 4 1 Eckdaten des Fahrzeugs am dynamischen Pr fstand Hh Der Pr fstandsaufbau wird ohne spezifische Luftkonditionierung mit Umgebungsluft betrieben Die elektris
47. 1995 Th Weibel Ph Dietrich Relative Life Cycle Assessment of Hybrid Vehicles A tool for Decision Support for Local Zero Emission Mobility final report of task 6 2 of the BRITE EURAM project European Development of Hybrid Technol ogy Approaching Efficient Zero Emission Mobility HYZEM Z rich 1996 90 9 92 93 94 179 R Wimmer Regelung der Trockenkupplungen des Oekofahrzeugs Hybrid III interner IMRT Bericht Mot 5 96 ETH Z rich 1996 Ch Wittmer Entwurf und Optimierung der Fahrstrategien f r ein Personenwa genantriebskonzept mit Schwungradkomponente und stufenlosem Zweibereichs getriebe Dissertation ETH Nr 11672 Z rich 1996 Ch Wittmer Optimierte Fahrstrategien f r den Hybrid lI Erweiterte Kon ferenz ber hybride Automobilantriebe ETH Z rich 6 11 96 Ch Wittmer L Guzzella Ph Dietrich Optimierte Fahrstrategien eines Hybrid fahrzeuges mit schwerer Schwungmasse der Taktbetrieb als Beispiel Sonder heft Regelungstechnik im Auto der Zeitschrift Automatisierungstechnik AT Frankfurt 1996 J Yamaguchi Toyota readies gasoline electric hybrid system Automotive engineering pp55 58 Detroit July 1997 180 Curriculum Vitae Philipp Dietrich 1992 1998 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Laboratorium f r 1989 1991 1986 1989 1979 1986 1973 1979 1967 1973 22 Januar 1960 Verbrennungsmotoren und Verbrennungstechnik de
48. 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 39 ren angewendet Der Ladevorgang wird bei einer Ladespannung von Umax 16 26 V beendet Bild 3 2 5 Ersatzschaltbild fiir die Ladung der Bleibatterie Die Modellierung der Batteriekapazit t Cp f r Ladung und Entladung erfolgt gem ss 3 2 7 Die Arbeitskapazit t C wird nach 28 m Verh ltnis zur Batteriekapazit t in 3 2 15 definiert C 1 0 107 Cp 147 59F 3 2 15 Der ohmsche Widerstand r wird nur mit einer ladezustandsabh ngigen Korrektur r gem ss 3 2 16 und Bild 3 2 6 angepasst r Tig 7 mit rg 7 895mQ 3 2 16 Der Gasungswiderstand r verhindert faktisch bei Spannungen unterhalb der Gasungsspannung U 14 34 V einen Strom Ist die Ladespannung oberhalb U verlangsamt der Gasungswiderstand r die Ladung der Batte rie vgl Bild 3 2 7 F r Spannungen U gt 16 26 V fliesst die gesamte Ladelei stung ber r Die Batterieerw rmung durch die Gasung wird nicht model liert Der Umwandlungswiderstand r wird mit zwei Korrekturfaktoren ange passt Die Faktoren von 3 2 17 sind in den folgenden zwei Bildern darge stellt fuq in Bild 3 2 8 und r in Bild 3 2 9 P rT mit r 07 22 11mQ 3 2 17 u uO ug ui 1 Das IUI Ladeverfahren speist die Batterie in einer ersten Phase mit einem konstanten Strom Geht bei einer definierten Spannung in Konstantspannungshaltung ber und schliesst nach einer bestimmten Zeit mit einer zweiten reduzierten Konstantstro
49. 40 260 280 3300 eit s Bild 6 2 3 Geschwindigkeitsverlauf im simulierten und gemessenen ECE R15 04 Zyklus des Zielfahrzeuges 6 2 2 Vergleich im Versuchsfahrzeug Die schwerere Masse und die Dynamik des realen Fahrzeuges erschwer ten die Einhaltung des geforderten Geschwindigkeitsprofils Bild 6 2 4 Zudem ist ein erh htes Messrauschen erkennbar das von der Verkabelung und der gemeinsamen Speisung von Antrieb und Datenerfassungsger t im Fahrzeug herr hrt Der gemessene Drehzahlverlauf ber einen Teilzyklus ist in Bild 6 3 1 dargestellt Entgegen dem Verlauf m Zielfahrzeug ist das Drehzahlniveau des Schwungrades nach jedem Teilzyklus infolge abwei chendem Leistungsbedarf des Fahrzeuges unterschiedlich Die qualitative bereinstimmung zwischen Simulation und Messung kann auch f r das Versuchsfahrzeug erzielt werden Bild 6 3 2 Dabei wird klar dass kleine Ver nderungen je nach Betriebszustand des Fahrzeuges deutlich unterschiedliche Reaktionen d h Zustands berg nge erzeugen So wird w hrend der Beschleunigung auf 50 km h ab Sekunde 120 in Bild 136 6 Vergleich Simulation und Messung 6 2 4 und Bild 6 3 2 in der ersten Phase des Versuchs im Taktbetrieb gefah ren In der Simulation wird direkt im Drosselbetrieb beschleunigt Eine kleine Differenz beim Fahrwunsch kann diese Differenz ausl sen Wie bereits in Kap 6 1 2 diskutiert reagiert der Verbrauch sehr sensitiv auf Gangwechsel mit gleichzeitig betriebenem VM Aussc
50. 56 3 749 338596 301021 283705 Steinkohlekraftwerk 4 405 0 067 4 338 394667 350991 330076 UCPTE Mix ab NS Brenngaskraftwerk 2 607 0 003 2 604 269440 255470 248906 UCPTE Mix ab KW Brenngaskraftwerk 3 035 0 030 314156 297961 289563 Wasserkraftwerk CH ab KW UCPTE Mix ab NS al ll ll ll a KW f r Kraftwerk b NS f r Niederspannung Wasserkraftwerk CH ab N Kernkraftwerk UCPTE Mix ab KW Kernkraftwerk UCPTE Mix ab NS Tabelle 7 3 7 Energiebedarf und Treibhausgasemissionen verschiedener Stromherstellungsarten bis zum Kraftwerk und bis zum Endverbraucher Niederspannungsversorgung nach 24 und 89 Bei der Betrachtung der verschiedenen Stromherstellungsarten und Stromnetzen in Tabelle 7 3 7 st die grosse Bandbreite erkennbar Der gesamtenergetische Wirkungsgrad der Stromerzeugung bis zum Kunden 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes 153 inkl Niederspannungsverteilung ist in der Schweiz 37 7 und im UCPTE Netz 26 1 Bezieht man den Strom beim Kunden auf die einge setzten nicht erneuerbaren Ressourcen so ergeben sich die Wirkungsgrade von 57 2 f r die Schweiz und 28 0 f r den Strom Mix im UCPTE Netz 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes F r den Vergleich der verschiedenen Betriebsarten sind vor allem die erforderliche Prim renergie und die Emissionen die den Treibhauseffekt GWP beeinflussen von Interesse Zur Beurteilung des GWP reicht die Heranziehung des GWP20 aus da die Betrachtun
51. 6 2 Verlauf von Transienten im ECE Zyklus Die Qualit t der Simulation kann berpr ft indem gemessene und berechnete Drehzahl und Geschwindigkeitsverl ufe im ECE R15 04 Zyk lus verglichen werden Die simulierten Verl ufe stellen ein Mass der Genau igkeit der Modellierung der Antriebsdynamik dar 6 2 1 Vergleich am Zielfahrzeug Der zeitliche Verlauf der Drehzahlen innerhalb des ECE R15 04 Zyklus stimmt f r die Teilzyklen 2 bis 4 berein beim ersten Teilzyklus wird vor dem Losfahren das Schwungrad vom Stillstand in den Taktbetriebsbereich beschleunigt Aus diesem Grund betrachten wir den zweiten Teilzyklus im Detail Im Vergleich des Geschwindigkeitsverlaufs in Bild 6 2 3 ist das Ver halten eines modellierten Fahrers im Falle der Simulation einem menschli chen Fahrer mit dem realen Antriebsstrang gegen bergestellt In Bild 6 2 1 ist der zeitliche Verlauf verschiedener gemessener Drehzahlen des Antriebes aufgetragen Der Vergleich zwischen Simulation und Messung ist f r die Drehzahl des VM und des Schwungrades in Bild 6 2 2 dargestellt Die bereinstimmung zwischen Simulation und Rechnung des Zyklus verbrauches ist mit einer Differenz lt 4 gut Unterschiede sind vor allem in 134 6 Vergleich Simulation und Messung der Reibleistung des Schwungrades erkennbar die bei geringen Antriebslei stungen oder im Stillstand an Einfluss gewinnen Zudem sind beim Zuschal ten des VM beim gemessenen Verlauf teilweise Drehzahlschwankungen
52. Ambivalenz zwischen stetiger Erh hung der Abtriebsleistung und dem Leistunsgbedarf zur Drehzahlanpassung des VM d h eine Nicht minimalphasigkeit des Systems Dieses Verhalten ist mit dem R ckschalt vorgang bei handgeschalteten Getrieben vergleichbar Die EM kann dazu genutzt werden die Verstellgeschwindigkeit im berlandbetrieb bei einer bersetzungsanpassung zu erh hen Wie in 74 und 26 aber eindr cklich gezeigt wird reicht die Leistung der EM bei weitem nicht aus die Tr ghei ten innerhalb von 0 2 Sekunden so zu beschleunigen dass jeder Fahrwunsch erf llt werden kann Bei extremen Leistungswunsch nderungen kann neben der berwindung der Tr gheiten auch die Verstellgeschwindigkeit des Ket tenwandlers zu einem limitierenden Faktor werden 4 3 3 Autarker Ladebetrieb Der Ladebetrieb der Batterie w hrend des Taktbetriebes stellt den umge kehrten Fall einer Taktdauerverl ngerung dar Die EM wird als Generator betrieben Um dieses Ladeverfahren mit der Netzspeisung vergleichen zu k nnen reicht es aus den Wirkungsgrad der Stromerzeugung bis zu den Batterieklemmen zu berechnen Der Wirkungsgrad der Batterie ist unabh n gig von der Quelle der Ladeleistung 70 4 Verbrauchssimulation Im Taktbetrieb wird die zus tzlich erforderliche mechanische Leistung analog Kap 4 3 1 mit dem Grenzwirkungsgrad erzeugt In diesem Fall ist aber der Grenzwirkungsgrad des VM anzuwenden da diese Leistung nicht zus tzlich ber das Getriebe f
53. CI ist die Phase des LCA in welcher die relevanten Eingangs und Ausgangsfl sse des Systems f r ein spezifisches Produkt qualitativ und quantitativ bestimmt werden Dabei handelt es sich um ben tigte Ressourcen und die emittierten Schadstoffe Es sind dies Stofffliisse in Luft Wasser und Boden als Masse pro Einheit des erw nschten Systemout puts Die Erstellung eines Inventar ist ein iterativer Prozess In Abh ngigkeit der gesammelten Daten und den Erkenntnissen ber die Prozesszusammen h nge ergeben sich teilweise neue Bed rfnisse nach zus tzlichem Daten material oder Grenzen werden erkennbar die eine Datenerhebungsanpas sung erforderlich machen um die Zielsetzung der Arbeit erreichen zu k n nen Es ist auch denkbar dass eine vertiefte Erkenntnis des Systems eine Anpassung der Systemgrenzen oder der Fragestellung erfordert Sinnvollerweise wird ein solches Inventar modular aufgebaut wobei Module f r Rohmaterialverarbeitung Transportbed rfnisse Abfallentsor gung Komponentenfertigung usw hilfreich sind Es m ssen auch die rekur siven Abl ufe innerhalb des bearbeiteten Systems modellierbar sein z B der Ausgangsstrom eines Schrittes in einem Raffinerieprozess ist Schwer l 142 7 Bewertung des Energieverbrauchs und dieses Kann durchaus wieder als Eingangsstrom in einem vorgelagerten Prozess Verwendung finden Schwer l als Treibstoff eines Roh ltankers 7 2 1 3 Life Cycle Impact Assessment In diesem Analyses
54. Diss ETH Nr 12958 Gesamtenergetische Bewertung verschiedener Betriebsarten eines Parallel Hybridantriebes mit Schwungradkomponente und stufen losem Weitbereichsgetriebe f r einen Personenwagen ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGEN SSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE Z RICH Philipp Dietrich Dipl Masch Ing ETH geboren am 22 Januar 1960 von Grub Eggersriet SG Referent Prof Dr M K Eberle Korreferent Prof Dr H P Geering 1999 Vorwort Die vorliegende Arbeit ist ein kleiner Beitrag zur Erkennung eines Substi tutionspotentials von Elektrizit t im individuellen Personenverkehr Diese Arbeit entstand zwischen 1996 und 1998 am Laboratorium f r Verbren nungsmotoren und Verbrennungstechnik der ETH Z rich im Rahmen des interdisziplin ren Projektes Hybrid II Mein Dank gilt in erster Linie Prof Dr Meinrad K Eberle und Dr Hans Uli Horler f r die Erm glichung dieser Arbeit und der ganzen Realisierung der ETH Hybrid IN Projektes Besonders danke ich f r die gew hrten Frei heiten das erhaltene Vertrauen die vielen fachlichen Diskussionen und die Motivation auch in schwierigen Zeiten Ich danke f r das stets offene Ohr bei Fragen der Projektleitung und Finanzierung dieses Projektes Ich danke auch Prof Dr Hans P Geering f r die bernahme des Korrefe rates und seinem Interesse an meiner Arbeit Hier danke ich speziell f r seine Bem hungen mich mit dem gan
55. ETAC ed Guidelines for Life Cycle Assessments A Code of Practice Br s sel 1993 E Shafai P Dietrich Ch Wittmer S Ginsburg Advanced System Design and Control Aspects in a Fuel Optimal Hybrid Vehicle Proceedings of the 5th IEEE Mediterranean Conference on Control and Systems Paphos Cyprus July 21 23 1997 E Shafai S Ginsburg U Christen H P Geering Regelungstechnische Aspekte der Hybrid IH Antriebsstranges Erweiterte Konferenz ber hybride Automo bilantriebe ETH Z rich 6 11 96 E Shafai H P Geering Control Issues in a Fuel Optimal Hybrid Car Pre prints of the 13th IFAC World Congress vol Q pp 231 236 San Francisco CA June 30 July 5 1996 E Shafai Ch Roduner and H P Geering Indirect Adaptive Control of a Three Way Catalyst SAE Paper 961038 February 1996 178 76 IT 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 E Shafai M Simons U Neff and H P Geering Model of a Continuously Vari able Transmission 1 IFAC workshop on Advances in Automotive Control Monte Verita Switzerland March 13 17 1995 E Shafai Hybrid IH Gesamtfahrzeugsimulation interner IMRT Bericht ETH Z rich 1993 E Shafai Daten zu Digifant interner IMRT Bericht Mot 7 91 ETH Z rich November 1991 G D Skellenger M G Reynolds L O Hewko Freedom An Electric Hybrid Research Vehicle Concept Tagungsband der Int Konferenz ber
56. Fahr zeugkontur und eine geringe Massenabh ngigkeit des Rollreibungskoeffizi enten von unver nderten Roll und Luftwiderstandsbeiwerten f r beide Fahrzeuge ausgegangen Das erh hte Leergewicht wird durch die Integra tion des Elektroteils Batterie und EM und des Schwungrades verursacht Trotz dieser Zusatzmasse wird eine Halbierung des Benzinverbrauches im Stadtverkehr angestrebt Eine leicht reduzierte H chstgeschwindigkeit ist infolge des Wirkungsgrades des stufenlosen Getriebes m Nennleistungs punkt sowie des Mehrgewichtes nicht zu vermeiden 2 3 3 Betriebsarten Die drei Reibkupplungen sind wie oben erw hnt die Stellelemente mit denen der Leistungsfluss zwischen dem VM der EM den Energiespeichern 2 3 Aufbau des Antriebes 21 Schwungrad und Batterie sowie dem Fahrzeug vorgegeben werden kann Diese mechanische Konfiguration der Komponenten bildet die Grundlage f r die Betriebsarten des Antriebsstranges Im Taktbetrieb und im berlandbetrieb wird das Fahrzeug mit Benzin betrieben Im Elektrobetrieb liefert die Batterie die gemittelte Antriebsleistung Im Rekuperationsbetrieb kann maximal die Bremsleistung entweder elektrisch oder mechanisch zur ckgespeist werden Eine detaillierte Analyse und Darstellung der Betriebsarten f r den Takt und Uberlandbetrieb ist in 91 zu finden 2 3 3 1 Taktbetrieb Der Taktbetrieb erm glicht eine Wirkungsgradsteigerung des Betriebes des VM bei kleiner Leistungsanforderung gegen ber dem
57. Fahrzustand des Fahrzeuges entkoppelt betrieben werden andererseits besteht die M glichkeit zwischen den beiden Energiespeichern Treibstoff oder elektrische Energie welcher die Antriebsenergie liefern soll zu w hlen Dadurch erh ht sich der Freiheits grad der Betriebsstrategie der zur Reduktion von Verbrauch oder und Emis sionen genutzt werden kann Eine spezifische Anwendung ergibt sich aus der M glichkeit das Fahr zeug ber eine beschr nkte Strecke lokal emissionsfrei betreiben zu k n nen Eine weitere Anwendung ist die Kombination zweier Antriebsaggre gate zur ausschliesslichen Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Antriebsstranges Die Suche nach einem optimalen Hybridantrieb wird stark durch die anzustrebende Nutzung definiert Als Ziele von Hybridantriebsentwicklun gen sind Verbrauchsverbesserung Emissionsreduktion Leistungssteigerung oder die Kombination der oben genannten denkbar Wichtige Randbedin gungen sind das Potential der Wirkungsgradverbesserung des Verbren nungs und Elektromotors die Energieumwandlungsverluste aus der Ver wendung unterschiedlicher Energiespeicherungen die Wahl der Antriebsan ordnung Getriebewirkungsgrad oder die Erh hung der Fahrzeugmasse die zu einer Steigerung des Energieaufwandes f hrt Zu den Nachteilen von Hybridantrieben z hlt die zus tzliche Masse Man kann sich allenfalls einen Antriebsstrang mit zwei Motoren in der gleichen Massengr ssenordnung wie ein Konvent
58. GWP20 Ben kg CO zinbetrieb Aeq 100 km Generatorisch GWP20 kg CO Benzinbetrieb Aeg 100 km Fahrbatterie GWP20 kg CO 31 3 2 2 2 2 Elektro Aeq 100 km Tabelle 7 4 2 Prim renergie und GWP2O Vergleich f r den ECE R15 04 Zyklus f r die Betriebsarten Elektro und Benzinbetrieb Wasserkraft CH 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes 159 450 400 e 20 42 kWh 4 3 350 7 300 A E 250 m Prim renergie 2 200 _ a GWP20 o 150 Fahrenergie 100km 25 100 Strom ab Netz oder Benzin 5 50 gt 0 BEER BEER RR Z 5 5 gt ayo 2 b 2B c O d 3 i u u x Bild 7 4 4 Vergleich verschiedener Antriebsvarianten im ECE Zyklus Der ETH Hybrid III Antrieb a im Elektro und b Taktbetrieb inkl Bordnetzversorgung ein Fahrzeug von 1250 kg mit CVT im Drosselbetrieb ohne E Antrieb und Schwun grad und d ein Fahrzeug von 1310 kg im Taktbetrieb ohne E Antrieb Variante b ohne Elektro komponente Im Elektrobetrieb ist der UCPTE Strom Mix und die Bandbreite m glicher Stromherstellungen dargestellt 7 4 3 Hybride Fahrstrategien 7 4 3 1 Verschiebung der Taktbetriebsfrequenz und des Drosselbetriebs Der Drosselbetrieb bildet den bergang vom Taktbetrieb zum berlandbetrieb Die Auswirkung der Ergebnisse aus Kap 4 3 1 auf den Prim renergiebedarf und die GWP20 Belastung ist zu beurteilen um festzu stellen ob es sinnvoll ist die Leistungen im Taktbet
59. Graw Hill Book Com pany New York 1984 R Marchesi Gemischregelung f r den Ottomotor des Okofahrzeugs Hybrid II Diplomarbeit am IMRT ETH Z rich Februar 1995 K Meier Engel J Czerwinski P Comte Low cost Measuring of the Energy consumption of Hybrid Vehicles Proceedings of ElectricVehicle Symposium EVS 15 29 9 3 10 98 Briissel 1998 St Moore M Eshani An Empirically Based Electrosource Horizon Lead Acid Battery Model SAE Paper 960448 February 1996 B Nawrocki Vergleich des Taktbetriebs von Ottomotoren mit der konvention ellen Drosselung sowie mit variabler Einlasssteuerung mit Hilfe von Prozessrech nung Diplomarbeit am IET LVV ETH Z rich Februar 1994 E Nawrocki Optimierung eines Schwungradspeichers f r Fahrzeugantriebe Semesterarbeit am IET LVV ETH Z rich Februar 1993 U Neff Regelung des stufenlosen Getriebes des Okofahrzeugs Hybrid III interner IMRT Bericht Mot 2 96 ETH Z rich M rz 1996 U Neff Programm zur Getriebeumschaltung des kofahrzeugs Hybrid HI interner IMRT Bericht Mot 3 96 ETH Z rich M rz 1996 C Nizzola M Michaud Adaptive Regelung eines Automobilkatalysators Semesterarbeit am IMRT ETH Z rich September 1995 H Oetting P Heidemeyer R Scholz F Zimmermann Stufenlose Getriebe f r Personenkraftwagen VDI Bericht 579 S 125 150 D sseldorf 1986 62 63 65 66 67 68 69 70 71 72 13 74 75 177
60. Kap 4 2 3 und dem Wirkungsgrad der Batterie resultiert eine Reichweite der Bleibatterie von 20 24 km pro Ladung Somit muss die Batterie nach einer Lebens dauer von 6000 24000 km aufgrund der Anzahl Ladezyklen ersetzt wer den Nach Tabelle 7 3 3 resultiert somit von der Batterieherstellung eine Erh hung des Prim renergiebedarfs von 31 0 124 0 MJ 100 km und ein GWP 20 Beitrag von 1 65 6 59 kg CO q 100 km Bei einer zeitlichen Begrenzung der Lebensdauer der Bleibatterie 2 4 Jahre ergeben sich eine Erh hung des Prim renergiebedarfs von 13 43 26 86 MJ 100 km und ein GWP 20 Beitrag von 0 71 1 43 kg CO 100 km F r den Vergleich des Benzinbetriebs zum Elektrobetrieb werden die Werte f r 1000 Ladezyklen zur Beurteilung der Lebensdauer der Bleibatterie herangezogen Dies ent spricht bei einer Lebensdauer von vier Jahren einer mittleren elektrischen Fahrleistung von 43 der gesamten Fahrstrecke 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes 155 Die Bleibatterie muss bei Temperaturen unterhalb von 10 C geheizt wer den Dies f hrt nach 34 bei einer mittleren Tagesfahrleistung von 38 km Tag zu einem Zusatzendenergiebedarf von 27 7 MJ 100km gemittelt ber das ganze Jahr Bei kleineren t glichen Fahrleistungen steigt dieser Beitrag entsprechend Um diesen Beitrag nicht zu stark zu gewichten und mit der M glichkeit der Ausnutzung der Abw rme des VM Rechnung zu tragen wird dieser Beitrag f r das betrachtete Batterieszenari
61. Schaltvorganges f hren kann und den Schaltvorgang verl ngert Die Erfahrung am Pr fstand hat gezeigt dass dies vor allem bei niedrigen Drehzahlen eintreffen kann pr T S D m4 o 1 05 w O aie 45 2000 2400 2800 3200 3600 Eingangsdrehzahl n des CVT min Bild 5 1 21 Last und Drehzahleinfluss auf die Verstellzeiten T von lansam zu schnell und T4 von schnell zu langsam sowie maximale Verstellgeschwindigkeiten des Ketten Druck in der Kupplung K2 bar Betriebsmodus 20 12 wandlers des ETH Hybrid III Antriebes Rekuperation Gangschaltung ffneh der g Schliessen der Kupplling K2 Kupplung K2 i altung de enkupplungen 125 13 135 1 15 15 Zeit s Bild 5 1 22 Zeitlicher Verlauf einer Getriebeumschaltung vom Schnell in den Langsam gang Die eigentliche Umschaltung der vier Klauenkupplungen erfolgt innerhalb weni ger als 300 ms Der Antrieb befindet sich w hrend ca 700 ms im Betriebsmodus Getrie beumschaltung 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 99 Die Zeitdauer der Umschaltung der Klauenkupplungen wird auch durch die vorhandene Drehzahldifferenz am Synchronk rper beeinflusst Diese Drehzahldifferenz kann durch eine Schlupf nderung im Kettenwandler oder durch eine Last nderung im Antriebsstrang w hrend der Umschaltung her vorgerufen werden Erst nach dem Einlaufen der Synchronringe kann eine optimale Bet tigung der Klauenkupplunge
62. Verbrauchsverschiebung von fossilen Treibstoffen hin zu Strom f hrt zur Frage der Bewertung der unterschiedlichen Energieformen F r die Gesamtbeurteilung des Energieverbrauchs muss bei allen verwende ten Energien die Energiekette inklusive der vorgelagerten Prozessstufen mitber cksichtigt werden Weitere ausgef hrte Varianten von Parallelhybri den sind in 15 zu finden In den letzten Jahren wurde an der ETH Z rich neben den beschriebenen parallelen Hybridkonzepten innerhalb eines interdisziplin ren Projektes ein Parallelhybridantriebskonzept der ETH Hybrid IH Antrieb realisiert Als wesentlicher Teil dieser Arbeit wird in den folgenden Kapiteln die Funkti onsweise des gew hlten Konzeptes und die damit erzielbare Steigerung des Antriebswirkungsgrades aufgezeigt Serielle Hybridkonzepte An die m gliche Auftrennung zwischen Leistungserzeugung und Lei stungsbedarf bei seriellen Hybridkonzepten werden vor allem die Erwartung eines tiefen Emissionsniveaus gekn pft Der Verbrennungsmotor kann getrennt vom Leistungsbedarf des Fahrzeuges bei emissionsminimierten und oder verbrauchsoptimierten Bedingungen betrieben werden sofern ein elektrischer Speicher zur Verf gung steht Diese Entflechtung erm glicht den Einsatz von Antriebskonzepten die bis anhin am Ansprechverhalten f r Personenwagen gescheitert sind z B Gasturbine 79 80 Serielle Hybrid 12 1 Einf hrung konzepte sind vielfach mit einer grossen Batteriekapa
63. ahrstrategien BAER Bordnetzspeisung Schlussfolgerungen und Ausblick Wertung der Erkenntnisse neben des ETH Hybrid I i Ausblick eo Abkiirzungen Literaturverzeichnis Curriculum Vitae 156 159 161 164 164 165 167 169 173 180 iV Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Konzept der Modellierung der Realisierung und der Bewertung der verschiedenen Betriebsm glichkei ten eines Hybridantriebsstranges bestehend aus einem Ottomotor einer Elektromaschine einem Schwungrad als Kurzzeitenergiespeicher und einem stufenlosen Weitbereichsgetriebe dem ETH Hybrid HI Antrieb Im Besonderen galt das Interesse der Gegen berstellung von Benzin und Elek trobetrieb F r den Antriebsstrang werden die bestehenden Modelle zur Beschrei bung der Dynamik und des Wirkungsgrades im Batteriebereich erweitert und mit Messergebnissen an Batteriemodulen berpr ft Mit Modellrech nungen wird das Verhalten des Antriebes im Zielfahrzeug einem Volk swagen Golf sowie im realisierten Versuchsfahrzeug basierend auf einem Minivan VW Sharan simuliert Die Messergebnisse best tigen die Simula tionen Die Ergebnisse des Antriebsstranges im Ziel und im Versuchsfahr zeug werden einander gegen bergestellt Ausgehend vom verwendeten Zielfahrzeug werden die verschiedenen Betriebsarten bez glich dem erforderlichen Prim renergieeinsatz und den Auswirkungen auf den Treibh
64. am zu schnell ist l nger als die Verstellzeit Ty in die entgegengesetzte Richtung weil im ersten Fall der Widerstand der R ckstellfeder berwunden werden muss Die maximale Verstellgeschwindigkeit ist an den Endlagen der Steu erspannung U des Kettenwandlers erkennbar Bild 5 1 20 Im Rahmen der Entwicklung der bersetzungsregelung ermittelte das IMRT die maximalen Verstellzeiten T resp Ty und Verstellgeschwindigkeiten des Kettenwan dlers im Getriebe des ETH Hybrid III Antriebes f r verschiedene Lastf lle und Eingangsdrehzahlen Bild 5 1 21 Steuerspannung V 0 2 4 6 8 1 12 14 16 18 20 zeit Bild 5 1 20 Anpassung der bersetzung ift mit maximaler Verstellgeschwindigkeit an die vorgegebene Soll bersetzung i Der Bereich der Steuerspannung reicht von 0 3 V mit einer Gleichgewichtslage je nach Randbedingung zwischen 1 3 1 5 V Die Getriebeumschaltung zwischen Langsam und Schnellgang wird bei Zugkraftunterbruch durchgef hrt um einer allf lligen Verspannung des 98 5 Realisierung des Antriebes Kettenwandlers vorzubeugen Die Bet tigung einer Klauenkupplungen dau ert zwischen 50 150 ms Dies f hrt zu einer mittleren Schaltdauer von etwa 250 500 ms wie in Bild 5 1 22 ersichtlich ist Die Schaltdauer wird vom Hydraulikdruck der lviskosit t und dem hydraulischen Stellvolumen beeinflusst Bei den Klauenkupplungen ist auch damit zu rechnen dass zwei Klauen aufeinander treffen was zu einer Wiederholung des
65. andbetrieb zum Taktbetrieb A Een Pe FU e e ne T Tr wala yw Wo 300 Wi l Steuerspannung 4 Kantenschieber we OM Pe EN GN A a iA 9 5 BOYS Never NM 2 oO Pr o T Moment am Rad NS Q Oo T on ee Wechsel_T_U_org 20 22 24 26 28 30 32 34 35 33 4 Zeit s Bild 5 4 4 Ubergang vom Uberlandbetrieb in den Taktbetrieb bei der Beendigun g einer Beschleunigungsphase und anschliessendem Wechsel in den Rekuperationsbetrieb Momente am Rad Nm i_KW 100 Steuerspannung 100 V Die Drehzahl des Schwungrades steigt in der Zeit vor Sekunde 30 an obwohl die Reibkupplung K3 ge ffnet ist Dies ist eine Folge der Luftrei 5 5 Untersuchungen am Rollenpr fstand 121 bung der Lagerreibung zwischen Schwungrad und der Zwischenwelle und einer m glichen Reibleistung in der Reibkupplung 5 4 4 2 Wechsel zwischen Taktbetrieb und Rekuperationsbetrieb Der Wechsel zwischen Takt und Rekuperationsbetrieb ist wesentlich ein facher als der Wechsel zum berlandbetrieb da die Struktur des Antriebs stranges zwischen Schwungradspeicher und Fahrzeug unver ndert bleibt Dieser bergang ist ebenfalls in Bild 5 4 4 dargestellt Man erkennt das gute Folgeverhalten des Radmomentes zum Wunschmoment das ber den Reku perationshebel vorgegeben werden kann Beim bergang zum Rekupera tionsbetrieb wird der VM unabh ngig vom Betriebspunkt abgeschaltet 5 5 Untersuchu
66. as Verbrauchskennfeld gem ss Bild 4 4 1 Verbrauchskennfeld des Hybrid Il im VM Betrieb 250W Generatorleistung 100km gt gt Q ao i n Fahrzeuggeschwindigkeit km h 3 4 5 Leistung am Rad kW Bild 4 4 1 Verbrauchskennfeld im Taktbetrieb bei variabler Steigung mit 250 W elektri scher Speisung des 12 V Bordnetzes ab Generator Unter der Voraussetzung eines mittleren gleichbleibenden Strombedarfs wird die Beurteilung des Mehrverbrauchs an Benzin durch die generatori sche Speisung auf einer zeitlichen Basis durchgef hrt Die Simulationser gebnisse in Bild 4 4 2 weisen auf eine schwache Abh ngigkeit von der Antriebsleistung hin Dies ist plausibel bewegt sich doch der Betriebspunkt der EM stets auf der gleichen Betriebspunktlinie im Drehzahl Drehmomen tenkennfeld Was sich ndert ist die Geschwindigkeit mit der die einzelnen Punkte durchfahren werden und somit die mittlere Drehzahl der EM Im elektrischen Betrieb wird das Bordnetz wie oben erw hnt von der Fahrbatterie gespiesen Da diese Speisung eine Zusatzbelastung der Fahr 4 4 Erzeugung der Bordnetzspannung 73 batterie darstellt wird der Spitzenstrom erh ht was zu einer Reduktion des energetischen Wirkungsgrades der Batterie f hrt Benzinverbrauch mit Generator f r Bordnetz l h 0 145 4 0 14 J 0 135 gt Pere a ala an a ee v_Fz 30km Zusatzbenzinbverbrauch f r 250W Bordnetz l h 1 2 3 4 5 6 7
67. auchs Bei der Beurteilung des GWP20 sind die CO armen Stromproduktions arten deutlich besser als der Benzinbetrieb Bild 7 4 3 Der Taktbetrieb zeigt klar Vorteile gegen ber dem UCPTE Strom Mix und den fossilen Energiequellen zur Erzeugung der Elektrizit t hnlich wie bei der Prim r energie wird die GWP20 Belastung im Drosselbetrieb bei kleinen Geschwindigkeiten gr sser so dass sich in diesen Bereich eine Substitution anbietet Unter der Annahme einer Lebensdauer der Bleibatterie von 300 Ladezyklen wird das GWP20 des Drosselbetriebes ab 40 km h besser als der dasjenige des UCPTE Strom Mix Dies zeigt deutlich wie sensitiv die verwendete Speichertechnologie die Gesamtbeurteilung beeinflusst Der Taktbetrieb stellt bez glich Prim renergie die klar zu bevorzugende Betriebsart dar Ebenso bietet der Taktbetrieb gegen ber dem Elektrobetrieb bei der Beurteilung des GWP einen Vorteil wenn man von einer Grenz strombetrachtung oder vom heutigen UCPTE Strom Mix ausgeht Nur unter der Annahme eines Stromnetzes mit vorwiegend aus nicht fossilen Rohstoffen erzeugter Elektrizit t kann der Elektrobetrieb das GWP gegen ber dem Taktbetrieb reduzieren 7 4 2 Vergleich des ECE R15 04 Zyklusverbrauchs F r die Bewertung des Stadtzyklus wird die Speisung des Bordnetzes mitber cksichtigt Zus tzlich wird in Benzin wie im Elektrobetrieb die Beschleunigung des Schwungrades beim Start des Zyklus einbezogen Im Elektrobetrieb ben tigt der ETH Hy
68. aufzeigen Dabei wird dieser Parameter f r verschiedene Zeithorizonte von 20 100 und 500 Jahren angegeben Die Referenzpotentiale Emission in kg mit dem 7 2 Die Methode des Life Cycle Assessments 143 Gewichtungsfaktor multipliziert der verschiedenen Substanzen werden zum GWP addiert Wirkkategorie Klassifikation Referenzsubstanz Treibhauspotential GWP kg CO Aquivalent Ozonabbaupotential kg CFC11 Aquivalent kg SO gt Aquivalent J Vers uerungspotential Photo Chem Oxidation inkl NO POCP kg Ethylen quivalent wi Winter Smog kg SO quivalent Phosphatisierungspotential kg PO Aquivalent Humantoxizitat HCA HCW HCS Grenzwertbelastung von fiir Luft Wasser Boden kg K rpergewicht kotoxizit t im Wasser ECA Grenzwertbelastung von m Wasser Abw rme T I Tabelle 7 2 1 Umweltwirkkategorien und Referenzsubstanzen gem ss 33 CO NO GWP20 kg CO aeq GWP100 kg CO aeq GWP500 kg CO aeq 600 2200 Halon 1301 6200 320 two fa n in 29 33 0 00 un HCHC 22 4300 1700 520 od CFC 12 7900 8500 Tabelle 7 2 2 Klassifizierungsfaktoren f r das Treibhauspotential verschiedener Substanzen nach 42 4200 Aufgliederung der Prim renergie Die Prim renergie setzt sich aus erneuerbaren und nicht erneuerbaren Energieressourcen zusammen 144 7 Bewertung des Energieverbrauchs Bei den erne
69. auseffekt beurteilt Life Cycle Assessment Analysiert wird der Betrieb ber 7 Jahre resp 100 000 km in den verschie denen Betriebsarten F r den Benzinbetrieb werden die vorgelagerten Pro zesse zur Erzeugung der Treib und Schmierstoffe ber cksichtigt wogegen f r den Elektrobetrieb unterschiedliche Stromproduktionen in Europa ver glichen werden und die erforderlichen Batteriewechsel innerhalb der Lebensdauer einfliessen Bei der Bewertung des Prim renergieeinsatzes f r konstante Fahrge schwindigkeiten besticht der Taktbetrieb Nur bei ausschliesslicher Nutzung von Wasserkraft zur Stromerzeugung ist der Prim renergieverbrauch gerin ger Bei gedrosselt betriebenem Verbrennungsmotor steigt der Prim rener giebedarf mit zunehmender Drosselung so dass auch andere Strom vi herstellungsarten Prim renergieeinsparungen gegen ber dem Drosselbe trieb erzielen k nnen Bei der Beurteilung des Einflusses auf den Treibhauseffekt liegen die Stromherstellungsarten die nicht auf fossilen Brennstoffen basieren unter halb der Emissionen im Taktbetrieb Die Kraftwerke basierend auf Wasser kraft und Kernenergie produzieren etwa ein Viertel der treibhausgasrelevan ten Emissionen gegen ber dem Taktbetrieb Vergleicht man den Taktbetrieb mit fossiler Stromerzeugung verursacht der Taktbetrieb die tieferen Emis sionen von treibhauseffektrelevanten Gasen Wertet man den Taktbetrieb gegen ber der Last nderungsenergie d h in Europa in der
70. beim Netzbezug aus dem durch schnittlichen UCPTE Mix gleich gross ist wobei beim Netzbezug Vorteile bez glich GWP bestehen Diese sind durch den deutlich h heren Anteil an erneuerbarer Energie erkl rbar Sobald die ben tigte Elektrizit t basierend auf fossiler Energie erzeugt wird hat der autarke Betrieb zur Bordnetzver sorgung Vorteile bez glich Prim renergie und GWP 8 Schlussfolgerungen und Ausblick Die Schlussfolgerungen sind in eine Beurteilung der Erkenntnisse aus dem ETH Hybrid III m glichen Verbesserungsmassnahmen und in einen kleinen Ausblick gegliedert 8 1 Wertung der Erkenntnisse Die Gegen berstellung von Elektro und Benzinbetrieb wird stark durch die Annahmen zur Stromherstellung beeinflusst Bei einer Grenzstrombe trachtung m UCPTE Netz f hrt der Elektrobetrieb in keinem Falle zur Reduktion des Prim renergiebedarfs und der Emissionen von Gasen die den Treibhauseffekt beeinflussen Mit der Annahme einer weitgehend auf nicht fossilen Ressourcen erneu erbare Energien Kernkraft basierenden Stromproduktion kann ein Einsatz unter dem Aspekt der Reduktion von treibhausgasrelevanten Emissionen empfohlen werden Bez glich der erforderlichen Prim renergie bietet der Elektrobetrieb keine Vorteile Die Lebensdauer der Batterie und deren Her stellungsprozess belasten die Bilanz des Elektrobetriebes erheblich Da eine weitgehend CO emissionsarme Stromherstellung f r weite Teile Europas auf absehbare Zeit nicht
71. brid IH Antrieb ab Stecker eine Energie von 20 42 kWh 100 km im ECE R15 04 Zyklus vgl Tabelle 4 2 1 Tabelle 4 2 2 Bild 4 2 10 und Tabelle 4 4 1 Dabei wird von einem mittleren Batte rieladegrad von 0 7 und einer Bordnetzspeisung ab Fahrbatterie ausgegan gen Zus tzlich m ssen noch die Heizleistung der Batterie von 5 77 kWh 100km und den Ersatzaufwand der Bleibatterie nach Tabelle 7 4 1 ber ck sichtigt werden 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes 157 Vergleich Prim renergieverbrauch des ETH Hybrid II Zielfahrzeug bei abener Fahrt VM Betrieb Strom Mix Schweiz Strom Mix UCPTE Wasserkraft Schweiz 0 0 Brenngas Mix UCPTE Steinkohle Mix UCPTE Kernkraft Mix UCPTE Prim renergie MJ 100km 10 20 30 40 50 60 70 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 7 4 2 Prim renergievergleich zwischen Elektrobetrieb und dem Benzinbetrieb unter Ber cksichtigung der Bleibatterieherstellung und der Batterieheizung bei unter schiedlichen Stromherstellungsarten Vergleich Prim renergieverbrauch des ETH Hybrid Ill Zielfahrzeug bei ebener Fahrt 45 ames VM Betrieb GE gt Strom Mix Schweiz x x Strom Mix UCPTE Wasserkraft Schweiz ans es o o Brenngas Mix UCPTE Steinkohle Mix UCPTE Kernkraft Mix UCPTE 35f 30 25 Global warming potential 20 kg CO2Aeq 100km 40 20 30 40 50 60 70 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 7 4 3 Vergleich
72. brideinheit umfasst die Reibkupplungen K1 K3 die Zwischen welle die EM und das Schwungrad Mit den Reibkupplungen k nnen die Energiefl sse zwischen den mechanischen Leistungsquellen Energiespei chern und Senken beeinflusst werden Die EM wird ber einen Wechselrichter angesteuert und geregelt Die Fahrbatterie ist f r eine elektrische Reichweite von 25 30 km ausgelegt was f r die Durchquerung einer europ ischen Innenstadt ausreichend ist 70 2 3 Aufbau des Antriebes 19 Mit dem W rmemanagement wird einerseits versucht den Drei Wege Katalysator oberhalb seiner Aktivierungstemperatur zu halten und anderer seits die Kreisl ufe f r K hlwasser Motoren l und Hydraulik l abh ngig vom Betriebspunkt zu optimieren Als Abw rmequellen werden der VM die EM und das Getriebe genutzt Zur W rmespeicherung werden zwei Latent w rmespeicher verwendet Der erste Speicher wird im K hlwasser und lkreislauf zur Reduktion der Warmlaufzeiten eingesetzt Der zweite Latentw rmespeicher dient zur verz gerten Ausk hlung des Katalysators in Bild 2 3 1 als Teil des Drei Weg Katalysators implizit dargestellt AW1 Abgasw rmetauscher 1 G Stufenloses Getriebe LWS Latentw rmespeicher Wasser AW2 Abgaswarmetauscher2 HW Anschluss Wagenheizung M Verbrennungsmotor B1 Bordnetzbatterie K Kupplungen R Antriebsr der B2 Fahrbatterie ausbaubar KP W rme und L rmkapsel S Schwungrad DK Drosselklappe KS Dreiwegkatalysator SL Schalld
73. ce Book Butterworth amp Co Ltd London 1990 174 18 19 20 21 22 23 24 25 26 2 28 29 Ph Dietrich Status of the Hybrid Electric Vehicles interner IET LVV Bericht Nr 96 3 ETH Z rich 1996 P Dietrich Wirkungsgradmessungen der Hydraulikpumpen f r die Getrie besteuerung des Hybrid III Projektes interner IET LVV Bericht ETH Z rich 1993 M K Eberle Thermodynamik instation rere Arbeitsprozesse Vorlesungsunter lagen des IET LVV ETH Z rich 1996 M K Eberle Ergebnisse des Z rcher Hybrid Feldversuches Tagungsband der Int Konferenz ber hybride Automobilantriebe ETH Z rich 9 11 93 Z rich 1993 M W Ender Der Taktbetrieb als teillastverbessernde Massnahme bei Ottomo toren Disseration ETH Nr 11835 Z rich 1996 M Ender P Dietrich Duty Cycle Operation as a Possibility to Enhance the Fuel Economy of an SI Engine at Part Load SAE Paper 960229 February 1996 M Ender Einfluss leistungsf higer Ziindsysteme auf die Verbrennungsqualitar interner IET LV V Bericht 94 3 ETH Z rich 1994 H Fierz H M ller S Netos CIP Communicating Interacting Processes A formal method for the development of reactive systems safecomp 93 Poznan Polen 1993 G Fischer S Friedmann Hybridantrieb Zweigleisig in die Zukunft VDI Bericht 1225 pp 87 100 Diisseldorf 1995 R Frischknecht P Hofstetter I Kn
74. che Speisung des Steuerungssystems wurde ab dem 220 V Netz bezogen und bewegt sich zwischen 200 250 W Gleichstrom bei 12 V d h der Generator ist unbelastet Die Abgase werden ber eine CVS Anlage konditioniert und kontinuierlich gemessen Zur Ermittlung der Gesamtbelastung der Schadstoffe werden die Messwerte fortlaufend aufintegriert Eine Beutelmessung ber Teilzyklen wurde nicht durchgef hrt S mtliche Messungen wurden bei warmem VM durchgef hrt d h die ltemperatur des VM ist jeweils oberhalb von 40 C 5 4 1 Konstantfahrt Die Verbrauchswerte wurden einerseits unter den in Tabelle 5 4 1 darge legten Fahrzeugwerten gefahren und sind in Tabelle 5 4 2 dargestellt 112 5 Realisierung des Antriebes Zus tzlich ist in Bild 5 4 1 der Drehzahlverlauf des Schwungrades des VM und die Fahrzeuggeschwindigkeit ersichtlich Um die Betriebsweise noch zu verdeutlichen ist der Verlauf des bersetzungsverh ltnisses des Getrie bes mitabgebildet Beim Vergleich des zeitlichen Verlaufs bei den Geschwindigkeiten 30 und 50 km h fallen einerseits die l ngere Taktperi ode bei 30 km h infolge reduziertem Leistungsbedarf am Rad auf und ande rerseits wird bei 30 km h die Umschaltung zwischen den beiden G ngen mit einer Inversion der Kettenwandlerverstellrichtung deutlich Tabelle 5 4 2 Konstantfahrverbrauch bei ebener Fahrt Mit c 0 02 ergeben sich Verbrauchswerte nach Tabelle 5 4 3 Geschwindigkeit Leistung am Rad 2 km h kW
75. chers 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 87 Bild 5 1 10 Ansicht der Schwungradgruppe mit den Teilen von rechts nach links Dreh winkelgeberscheibe EM Rotor Schwungrad Schwingungsd mpfer und Bet tigungsfe dern der Reibkupplung K2 1000 Ideale Reibung total 900 Ideale Lagerreibung 900 m Reale Reibung total 7004 Reale Lagerreibung 600 500 400 Dissipation W 300 200 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Schwungraddrehzahl s Bild 5 1 11 Dissipation des Schwungrades Vergleich realisierte Konstruktion zum Potential ohne Kupplungen und EM im Geh use mit idealer Form 88 5 Realisierung des Antriebes 5 1 3 2 Reibkupplungen Die Reibkupplungen Ki und K2 sind unbet tigt offen K3 ist unbet tigt geschlossen Diese Stellungen wurden unter dem Gesichtspunkt minimal erforderliche Aktuatorenergie festgelegt wobei bei K2 Sicherheitsaspekte mit h herer Priorit t ins Gewicht fielen so dass diese Kupplung im Betrieb st ndig aktiviert werden muss Die Bet tigung erfolgt hydraulisch mechanisch und wird ber den ldruck in der Kupplung geregelt Die Regelung wurde am IMRT entwik kelt 90 und 73 Die Funktion kann aus Bild 5 1 9 ersehen werden Ein besonderes Augenmerk muss der Verbindung der Kupplungsscheiben mit der Zwischenwelle geschenkt werden Dort muss sichergestellt werden dass das zu bertragende Torsionswechselmoment vor allem bei den Kupp lungen K1 und K3 zu kei
76. chritt werden die Ergebnisse aus dem LCI auf ihre Beeinflussung der verschiedenen Umweltwirkkriterien untersucht Dabei werden die Bearbeitungstiefe und die zu betrachtenden Umweltwirkkrite rien durch die gew nschten Aussagen beeinflusst Diese Phase besteht aus den Elementen der Klassifizierung Charakteri sierung Normalisierung und Bilden von Wertigkeiten Die Hauptaufgabe dieses Schrittes ist die Aggregation von einer Vielzahl von Emissionswerten zu wenigen Kennzahlen Diese umweltrelevanten Wirkkategorien beinhal ten die Summe der auf eine Referenzsubstanz bezogenen Wirkintensit t der verschiedenen Emissionen F r den Treibhauseffekt ist CO die Referenz substanz Die verschiedenen Wirkkategorien sind n Tabelle 7 2 1 zusam mengestellt Neben den Wirkkategorien gem ss Tabelle 7 2 1 wird auch die ben tigte Prim renergie aufgeteilt in erneuerbare und nichterneuerbare Prim rener gie analysiert 25 und 39 Eine vollumf ngliche Beschreibung aller Wirkkategorien ist in 24 oder 89 zu finden Hier soll bezogen auf die anschliessende Anwendung die Wirkkategorie Treibhauspotential Global Warming Potential GWP und die Aufteilung der Prim renergie genauer beschrieben werden Wirkkategorie Treibhauspotential GWP Fiir Stoffe die wesentlich zum Treibhauseffekt beitragen sind Parameter werte definiert worden die das relative Potential zur Absorption von Infra rotstrahlung verglichen mit der Absorptionsf higkeit von CO
77. chtold P Riedwyl Jahresfahrleistungen und Abgase von Personenwagen 1995 Touring Club Schweiz Emmen 1989 N Bagot Is this the answer Electric amp Hybrid Technology 1997 UK amp Inter national press Dorking Surrey GB 1997 D Berndt Maintenance Free Batteries Research studies press LTD Taunton Somerset GB 1993 J Beretta New classification on electric thermal hybrid vehicles Proceedings of Electric Vehicle Symposium EVS 15 29 9 3 10 98 Br ssel 1998 W Brandstetter Der FORD Hybrid Antrieb im Escort Turnier Tagungsband der Int Konferenz ber hybride Automobilantriebe ETH Z rich 9 11 93 Z rich 1993 W Buschhaus The concept of the Ford Aachen Parallel Hybrid VDI Bericht 1225 Rationelle Energienutzung bei Hybridfahrzeugen VDI Verlag Frankfurt 1995 BUWAL Die Luft wird sauberer dank Erfolgen beim technischen Umwelt schutz BUWAL Bulletin 4 95 Bern 1995 M Carrara P L Gentile V Mauro Mizar ST Results of a successful Urban Transport Integrated System Proceedings of the Infomobility Congress Rom 1998 S Castagn Adaptive Regelung eines Automobilkatalysators Semesterarbeit am IMRT ETH Z rich Februar 1995 CEN TC301V WGI1 N54 Electrically propelled road vehicles measurement of energy performances and emissions for thermal electric hybrid vehicles Pro posal for a European Standard 1997 T R Crompton Battery Referen
78. d auf Null zur ckgeht Gleich anschliessend wird der Fahrwunsch deutlich erh ht Solange die Leistung aus dem Schwungrad zur Verf gung steht wird das Moment aufgebaut Bei Sekunde 136 wird in den berlandbetrieb gewechselt Der VM muss beschleunigt werden so dass am Rad ein Leistungsdefizit entsteht Die Kettenwandler bersetzung wird mit der maximalen Verstellgeschwindigkeit angepasst um den VM m glichst schnell zu beschleunigen Dies ist an der Steuerspannung des Vier Kantenschiebers erkennbar der in die S ttigung 128 5 Realisierung des Antriebes geht Derselbe Vorgang mit umgekehrten Vorzeichen st bei Sekunde 142 und 143 erkennbar Wechsel zwischen Taktbetrieb und Ueberlandbetrieb und zur ck T U nee T pirme a Fahrzeuggeschwindigkeit 3000 Sehwungrad Drehzahlen min 1 Geschwindigkeit 100 km h M oO oO Verbrennungsmotordrehzah 16000 EEE EEE SEI KEG ery a Vi 125 130 135 140 145 150 Zeit s Wechsel zwischen Taktbetrieb und Ueberlandbetrieb und zur ck 7 ee der T Fahrerwunschmoment E Moment am Rad oi 200 G PONS 7 Steuerspannung 4 Momente Nm i_KW 100 Steuerspannung 100 V oO 25 130 unge 150 Zeit s Bild 5 5 4 Umschaltung w hrend einer Beschleunigung im Versuchsfahrzeug vom Takt betrieb in den berlandbetrieb und zur ck 6 Vergleich Simulation und Messung Beim Vergleich zwischen Simulat
79. der Technik Essen 9 10 11 98 Essen 1998 R Heijungs J Guinee G Huppes et al Environmental Life Cycle Assessment of Products Guide October 1992 Netherlands Center of Environmental Science Leiden 1992 U H pfner U Eden Vergleichende Oekobilanz Elektrofahrzeuge Praxistest R gen VDI Bericht 1378 Batterie Brennstoffzellen und Hybridfahrzeuge Dresden 17 18 2 1998 D sseldorf 1998 H U H rler Hybrid IIL Kompaktantrieb Konstruktionsvorschlag interner IET LVV Bericht 95 10 ETH Z rich 1995 H U H rler Oekomobil Antriebskonzept Hybrid II erste berlegungen interner IET LVV Bericht 89 1 ETH Z rich 1989 H U H rler Antriebskonzept f r minimalen Stadtverbrauch am Beispiel VW Golf interner IET LVV Bericht 89 6 Z rich 1989 H U H rler Hybrid Oekomobil ein umweltschonendes Autoantriebskonzept bei Innerortsverkehr ETH Jahresbericht ETH Z rich 1989 P Hofstetter Analyse und Vergleich von Energiesystemen koinventare zur Beurteilung von Energiesystemen ENET Bern 1994 D Jaggi Hybridfahrzeug Vorstellung eines Hybrid Konzeptes f r Leichtbau fahrzeuge Tagungsband Die Zukunft von Kfz Antriebssystemen Mai 1996 Ziirich 1996 W Josefowitz Der Einwellen Parallelhybrid von Volkswagen im europ ischen Stadtszenario Erweiterte Konferenz ber hybride Automobilantriebe ETH Z rich 6 11 96 Intergovernmental Panel on Climate Change
80. des Antriebsstranges Mechanisches Grundmodell Wirkungsgradmodelle der Komponenten Verbrennungsmotor Elektromaschine l Traktionsbatterie Blei Vlies Baiterie Traktionsbatterie Nickel ee N IMH Getriebe Reibkupplungen Schwungrad und Tuscheiweie Vereinfachungen Verbrauchssimulation Benzinbetrieb Konstantleistung im Taktbetrieb Konstantleistung im Drosselbetrieb Vil LA QO we By 15 16 16 17 18 18 20 20 25 28 28 31 31 32 33 43 45 48 50 50 51 51 51 52 4 2 4 3 4 4 5 1 3 2 5 3 5 4 5 5 6 1 Inhaltsverzeichnis Europ ischer Stadtzyklus ECE R15 04 Elektrobetrieb ae re Konstantfahrt Beschleunigungsreserve Verbrauch im europ ischen Stadtzyklus ECE R15 04 Einfluss des Batterieladegrades auf den Verbrauch Verbrauchsvergleich des Benzin und Elektrobetriebs Hybride Fahrstrategien Anpassung der Taktfrequenz und des Brosselbeirieks Leistungsanpassung im berlandbetrieb Autarker Ladebetrieb Erzeugung der Bordnetzspannung Realisierung des Antriebes Realisierung der Antriebskomponenten Verbrennungsmotor Elektromaschine Hybrideinheit Stufenloses i2 Getriebe W rmemanagement Steuerungssystem in Realisierung des Antriebsystems Mensch Maschinen Interface Regelungskonzepte Realisierung des Versuchsfahrzeuges Hauptdaten des Versuchsfahrzeuges Anpassungen des Antriebsstranges Untersuchungen am dynamischen Pr fstand
81. die R der fliesst Jeder Antrieb kann unabh ngig die Nutzenergie ans Fahrzeug liefern Bild 1 2 1 In der seriellen Konfiguration wird die Leistung des Verbrennungsmotors in Elektrizit t d h in eine Zwischenform umgewandelt und kann so in der Batterie gespeichert oder ans Fahrzeug geliefert werden Die Nutzenergie wird mittels einer weiteren Wandlung erzeugt Der Verbrennungsmotor kann beim seriellen Hybridantrieb das Fahrzeug nicht ohne Elektromotor antreiben Die Verwendung einer Zwischenenergieform erm glicht eine vollst ndige Entkoppelung des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors vom Fahrzustand des Fahrzeuges Denkbar sind auch Hybridkonzepte die ber eine hydraulische Energie bertragung verf gen Sie werden hier aber nicht weiter ber cksichtigt Der Zweiwellenhybridantrieb kombiniert die mechanische Leistung der beiden Antriebszweige auf der Strasse Dieses Konzept verf gt f r beide Motoren ber eine separate Kraft bertragung Wird die Fahrbahn als Teil des Systems betrachtet stellt diese Anordnung einen Parallelhybridantrieb 6 1 Einf hrung dar da die Kombination der beiden Antriebsstr nge auf der Stufe der Nutz energie stattfindet Bei den blicherweise angenommenen Systemgrenzen des Fahrzeuges ist dies allerdings eine Kombination zweier separater Antriebe Die Verteilung der Leistungen auf unterschiedliche Achsen stellt hohe Anforderungen an das Lastmanagement Verbrennungs motor Verbrennungs motor
82. e durch die Einsatzdauer und nicht durch die Anzahl Ladezyklen bestimmt Mit der Lebensdauer der Bleibatterie von 2 4 Jahren w rde dies eine Erh hung der erforderlichen totalen Prim renergie von 6 72 13 43 MJ h bedeu ten was ber der ben tigten Prim renergie f r die Bordnetzspeisung liegt Ebenfalls bersteigt das GWP mit 0 36 0 71 kg CO2 Aegq h die Emissio nen der Bordnetzerzeugung F r die Fahrzeugvariante mit Bleibatterie resultiert somit f r den Fall von 379 W ben tigtem Netzstrom ein Aufwand nach Tabelle 7 4 7 Grenzstro Einheit Mix Mix lt ee UCPTE CH Steinkohle ftCH UCPTE Prim renergie MJ h 5 218 3 620 6 010 5 825 2 092 total davon MJ h 0 352 1 235 0 091 0 041 2 074 erneuerbare Pri m renergie GWP20 kg CO 0 244 0 538 0 429 0 008 0 007 Aeq h Tabelle 7 4 7 Energetischer Aufwand und GWP f r die Erzeugung der Bordnetzversorgung 250 W ab Fahrbatterie im Benzinbetrieb Alle Werte beinhalten die Versorgung bis zur Niederspannungsverteilung und ohne Ber cksichtigung der Batterielebensdauer 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes 163 Da die Bordnetzspeisung als Nebenfunktion zu bezeichnen ist w re es auch nicht sinnvoll die Alterung der Batterie dieser Funktion zu verrechnen Bei der Gegen berstellung der Aufw nde Tabelle 7 4 6 und Tabelle 7 4 7 wird ersichtlich dass der Prim renergieeinsatz im generatorischen Betrieb und f r die Speisung ab Batterie
83. e Gleitmomente Mg als Funktion der relativen Drehgeschwindigkeit ber der Kupplung beschrieben wobei zur Skalierung der Reibungszahl nderung dient Bild 3 2 12 Die Haftreibung wird als massenloses steifes Federelement modelliert Diese Modellierung ist nur f r die Stabilit t der Simulation notwendig Dabei wird die Steifigkeit k und die D mpfung B angenommen Manan k JAwxdt B AO 3 2 35 M Mu KGleitmax Bild 3 2 12 Maximale Reibkupplungsmomentencharakteristik Der Ubergang vom Haften zum Gleiten erfolgt entlang der Haftgrenze gem ss Bild 3 2 12 sobald die Haftbedingung 3 2 36 verletzt wird My p Sug My 3 2 36 Der Ubergang vom Gleiten zum Haften erfolgt bei einem Nulldurchgang von A und der Einhaltung der Haftbedingung 3 2 36 50 3 Modellierung des Antriebsstranges 3 2 7 Schwungrad und Zwischenwelle Die Reibverluste des Schwungrades setzen sich aus den Luftreibungsver lusten zwischen Geh use und rotierendem Schwungrad sowie den Lager reibverlusten zwischen dem Schwungrad und der Zwischenwelle zusam men Dieser zweite Verlustanteil wirkt erst bei abgekoppeltem Schwungrad d h bei ge ffneter Reibkupplung K3 Der Verlauf wurde anhand der Messergebnisse aus 19 mittels einem Polynom 2 Grades f r die Luftreibung und einem separaten Polynom f r die Lagerreibung modelliert vgl auch mit 91 Die Lagerreibung der Zwischenwelle wird auf dieselbe Art modelliert wobei die zus tzlichen Masse
84. e individuelle Mobilit t ist eine treibende Kraft unserer Gesellschaft und hat in diesem Jahrhundert eine st rmische Entwicklung erlebt Dies f hrt zu einer zunehmenden Belastung von Mensch und Umwelt Da heute und wahrscheinlich auch in Zukunft das Bed rfnis nach Mobilit t vorhan den ist und bleiben wird gilt es die negativen Begleiterscheinungen zu eli minieren oder zu minimieren unabh ngig davon ob es sich um individuelle Mobilit t oder um G terverkehr handelt Die Anstrengungen zur Reduktion der negativen Einfl sse k nnen in drei Hauptbereiche eingeteilt werden a Optimierung am Fahrzeug mit dem Ziel den Verbrauch und die Emis sionen des einzelnen Fahrzeuges zu reduzieren Im Zentrum der Bem hungen stehen die Steigerung des Antriebswirkungsgrades die Reduk tion von Luft und Rollwiderstand sowie die Massenreduktion Die wachsenden Kundenw nsche bilden eine Rahmenbedingung f r das Fahrzeug Der wettbewerbsorientierte Markt erzeugt zudem einen gros sen Druck auf der Kostenseite so dass m glichst viele Verbesserungen kostenneutral sein sollten b Qualit tsverbesserung der verf gbaren Treibstoffe um in den Antriebsaggregaten bessere Umsetzungswirkungsgrade vorallem aber reduzierte Emissionen zu erzielen Reformulated Gasoline oder Diesel mit reduziertem Schwefelgehalt Die Einf hrung weiterer Treibstoffe wie Compressed Natural Gas CNG Methanol oder Dimethylether DME kann hier ebenfalls angefiihrt werden Mit di
85. ebe wird versucht den Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges gezielt m Niedrigleistungsbereich zu erh hen 18 2 Konzept des ETH Hybrid III Antriebsstranges 2 3 Aufbau des Antriebes 2 3 1 Anordnung der Antriebskomponenten Der schematische Aufbau des Antriebes ist aus Bild 2 3 1 ersichtlich Der 4 Zylinder Ottomotor mit 1 3 Liter Hubraum und 53 kW Nennleistung bil det den Hauptantrieb des parallelen Hybridantriebes Es handelt sich um denselben Motor wie er im Vergleichsfahrzeug eingesetzt wird Die Motor leistung wird ber die erste von drei Reibkupplungen K1 an die Zwischen welle abgegeben Fest verbunden mit dieser Zwischenwelle ist die EM die 6 kW motorische Leistung ans Fahrzeug abgeben kann Alternativ kann die EM im generatorischen Betrieb das Bordnetz versorgen oder eine Leistung bis 16 kW in die Batterie und auf den ohmschen Leistungswiderstand zur ckspeisen ber die Reibkupplung K3 kann das in Umgebungsluft dre hende Schwungrad als Kurzzeitenergiespeicher mit der Zwischenwelle ver bunden werden Um das Schwungrad als Kurzzeitspeicher nutzen zu k n nen bedarf es eines stufenlosen Getriebes das ber die Kupplung K2 mit dem Antrieb verbunden werden kann Das vorgesehene stufenlose i7 Getriebe i7 CVT mit einer Weitbereichsspreizung von 20 5 gestattet eine weitgehende Drehzahlentkoppelung zwischen Fahrzeug und Antriebsstrang und erm glicht eine Bremsenergierekuperation bis zu niedrigen Geschwin digkeiten Die Hy
86. en Reibleistung Auf den Verbrauch ist der Einfluss nicht allzu gross da der Wirkungsgrad der gelieferten Energie nur wenig variiert Anders sieht dies bei den Emissionen aus wo die Anzahl der Motoren starts eine entscheidende Rolle spielt Deshalb treten hier beachtliche Abweichungen vom Mittelwert auf Der Verbrauchsvorteil im Versuchsfahr zeug ist beachtlich Tabelle 5 5 3 wobei ein direkter Vergleich zum Refe 124 5 Realisierung des Antriebes renzfahrzeug nur bedingt gezogen werden darf da dieses ber eine st rkere Motorisierung verf gt die einerseits tiefere Teillastpunkte zur Folge hat aber auch einen gr sseren Kundennutzen darstellt 60 s0 LOA A J om OF ad al EEE IL Im J fs ESE Geschwindigkeit km h 350 450 500 550 600 650 700 750 800 4500 r 4000 3500F 41 3000F T 2500 ale T 2 2000F ce y 8 sool 1500 bo FE o ofe zZ a u er elle 1000F er VM u Schwungrad j 500 SE x 47 Zwischenwelle Getriebeeingang 1 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Zeit s Bild 5 5 2 Ausschnitt aus einem ECE R15 04 Zyklus des ETH Hybrid HI im Sharan Ver suchsfahrzeug gefahren auf dem Rollenpriifstand Test Zyklus ETH Hybrid IH ECE R15 04 7 99 3 8 a VW Sharan 2 01 85 kW Ottomotor Leergewicht 1715 kg Tabelle 5 5 3 Benzinverbrauch des ETH Hybrid III Antriebes
87. en sie an die Prozessperipherie bermittelt Der Rechnerverbund ist ber einen VME Bus mit der Prozessperipherie verbunden In einem potentialgetrennten Bereich k nnen auf standardisier ten Tr gerkarten mit vorbereitetem VME Businterface die Signalkonversio nen digital zu analog und umgekehrt anwendungsorientiert vorgenommen werden F r verschiedene Anwendungen sind diese sogenannten M Module im Handel erh ltlich F r spezielle Signale wie die Drehwinkel und Dreh zahlaufbereitung Ansteuerung des Wechselrichters oder zur kurbelwinkel 1 Virtual Measurement Extension Bus Dies ist ein paralleler Datenbus mit einer hohen Daten transferrate 102 5 Realisierung des Antriebes synchronen Ansteuerung der Z ndung und der Einspritzung des VM wurden innerhalb des Projektes vom TIK in Zusammenarbeit mit dem IEM und dem IMRT spezielle M Module entwickelt Auf der Instrumentierungsseite werden die Messsignale m glichst in der N he der Sensoren in sogenannten Satelliten in normierte Signale gewandelt und zum zentralen Rechner bermittelt Analog werden die Stellsignale in den ebenfalls galvan sch getrennten Satelliten n Leistungssignale gewan delt Diese Systemstruktur bildet die Basis f r eine m glichst einfache Zusammenf hrung von Teilsystemen n den Gesamtantriebsstrang Bild 5 1 24 Ansicht des M Modules zur Ansteuerung des Wechselrichters mit integrier tem Digitalem Signal Prozessor 5 1 6 2 Software Da die einzel
88. enzin m ssen zus tzlich 39 7 in der Schweiz respektive 40 6 in Europa des unteren Heizwertes des Benzins an Energie aufgewendet werden Dabei f llt 32 7 als Abw rme an Der Rest teilt sich auf in Elektrizit t und Aufwendungen f r die Infrastruktur Beim CO Ausstoss werden 20 8 respektive 22 5 des totalen Ausstosses in den vorgelagerten Prozessen freigesetzt 150 7 Bewertung des Energieverbrauchs Ts sir a a a 5 om fae a ja fom fem mr Beizwen Hy es je CO4 Ausstoss der vorgelagerten Prozesse 0 807 0 892 GJ GJ ER Cc fe pe Tabelle 7 3 5 Bedarf an Prim renergie zur Verf gungstellung und Verbrennung von Tonne Benzin ab Regionallager in der Schweiz und in Europa 7 3 3 2 Stromherstellung Die Stromerzeugung in Europa ist von Land zu Land sehr verschieden und verf gt ber unterschiedliche Technologien zur Erzeugung der Spitzen last Westeuropa bildet mit den inzwischen angeschlossenen ehemaligen osteurop ischen Staaten den europ ischen Netzverbund f r elektrische Energie UCPTE F r die Bewertung eines Stromverbrauches ist es von ent scheidender Bedeutung mit welcher Herstelltechnologie an welchem Ort die verwendete Elektrizit t ber cksichtigt wird Es seien hier einige m gli che Berechnungsverfahren des zu verwendenden Strommixes aufgef hrt a Gemittelte UCPTE Produktion als durchschnittlich in Europa herge stellte Elektrizit t b Gemittelte Stromproduktion in einem
89. er Wirkungsgrad des Antriebsstranges unabh ngig vom Batterieverhalten Der beste Wirkungsgrad im Elektrobetrieb wird bei abgekoppeltem Schwungrad erzielt Der Wirkungsgrad ist in Bild 4 2 1 aufgetragen Der Verlauf der Linien konstanten Wirkungsgrades werden durch die erh hten Verluste im i CVT in der N he des Synchronpunktes des Kettenwandlers d h am Rande des bersetzungsbereiches bestimmt Gleichzeitig st sst man hier an die Grenzen der Modellbeschreibung Wechsel zwischen zwei Wirkungsgradkennfeldern f r die beiden G nge was ebenfalls in Bild 4 2 3 und abgeschw chter in Bild 4 2 5 erkennbar ist Ber cksichtigt man das Schwungrad als Beschleunigungsreserve vgl Kap 2 3 4 2 so reduziert sich der Wirkungsgrad um die Verluste des Schwungrades wobei vor allem die Luftreibungsleistung ins Gewicht f llt Die erforderliche Schwungraddrehzahl ist aus Bild 4 2 4 ersichtlich Bei ebener Fahrt ist der Einfluss in Bild 4 2 3 aufgezeigt Der Umschaltpunkt 56 4 Verbrauchssimulation der beiden Getriebeg nge verschiebt sich infolge der h heren Schwungrad drehzahl zu einer h heren Geschwindigkeit Oberhalb 50 km h treten diesel ben Werte des Wirkungsgrades auf da das Schwungrad entladen ist und somit f r beide F lle die gleichen Drehzahlverh ltnisse herrschen vgl Kap 4 2 2 Fahrzeuggeschwindigkeit km h 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 Leistung am Rad kW Bild 4 2 1 Wirkungsgrad des Antriebes im elektrischen Betrieb ab Batter
90. erkennbar Der Kettenwandler arbeitet auf einem mittleren variablen Druckniveau 10 45 bar und wird in der Regel mit der kleineren Pumpe versorgt Zur Deckung eines allf lligen Spitzenbedarfs erm glichen die verwendeten Ventile die Zuschaltung der gr sseren Hydropumpe Die K hlung und Schmierung erfordert den gr ssten Volumenstrom Die gr ssere Pumpe ist f r diesen Bedarf ausgelegt Das Druckniveau ist ver h ltnism ssig tief lt 5 bar Die Wahl der zwei Zahnradpumpen die von einer Getriebewelle angetrieben werden ist das Ergebnis einer Evaluat on unter spezieller Ber cksichtigung des Teillastwirkungsgrades 16 W hrend dem Nachf llen des Hochdruckspeichers muss die gr ssere Hydropumpe zur Versorgung des Kettenwandlers umgeschaltet werden In dieser Zeit typischerweise lt 10 s werden die Zahnr der nicht geschmiert und die Wandlerkette nicht gek hlt 96 5 Realisierung des Antriebes Um einen Start nach l ngerem Stillstand zu erm glichen kann die klei nere Pumpe zus tzlich ber einen Elektromotor angetrieben werden Der Speicher wird gef llt um ein einwandfreies Schalten der Reib und Klauen kupplungen zu gew hrleisten bevor sich andere Antriebsteile zu bewegen beginnen Der Entwurf und die Realisierung des Hydraulikkreislauf wurde in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurb ro Helbling Technik AG Z rich und dem LVV realisiert Die Umsetzung der wirkungsgradorientierten Betriebs strategie f r das Hydraul
91. erreichbar ist kann die Hybridtechnik in einem so fortgeschrittenen Antrieb zur Erzielung einer Reduktion des Pri m renergieeinsatzes oder des GWP grossfl chig nicht empfohlen werden Der Einsatz des Elektrobetriebes im ETH Hybrid III Fahrzeug l sst sich somit nur mit der Verminderung der lokal emittierten Schadstoffemissionen begr nden wobei dieser Vorteil mit einem erh hten Prim renergiever brauch und in den meisten F llen mit erh htem Ausstoss treibhausgasrele vanter Emissionen erkauft werden muss 8 2 Verbesserungspotential des ETH Hybrid II 165 Der Einsatz einer hybriden Fahrstrategie bringt beim ETH Hybrid III keine Treibhausgas relevanten Vorteile gegen ber dem verbrennungsmotori schen Betriebsmodus sofern von einer Stromherstellung aus rein erneuerba ren Energien oder Kernkraft abgesehen wird Die hybride Fahrstrategie kann aber zur Steigerung der Nennleistung und des Beschleunigungskom forts genutzt werden Dadurch wird aber der rein elektrische Aktionsradius reduziert da der Batterieinhalt anderweitig als zur rein elektrischen Fahrt genutzt wird Wird eine autarke Betriebsstrategie f r das Hybridfahrzeug zur Aufrecht erhaltung der elektrischen Reichweite angestrebt d h die Ladung der Batte rie erfolgt ber den VM des Fahrzeuges und nicht ber das Stromnetz so muss ein Prim renergiebedarf entsprechend dem UCPTE Mix aufgewendet werden Beim GWP besteht nur gegen ber dem Grenzstrom aus Steinkohle und Brenngas e
92. ersonen Platz bietet und ein vollwertiges Fahrzeug darstellt 2 2 Hauptideen Drei Hauptideen werden im Antriebskonzept umgesetzt Es handelt sich a um die effiziente Erzeugung mechanischer Energie b deren optimale Nutzung und c die Minimierung der Energie die f r den Betrieb der Nebenaggregate des Antriebes erforderlich sind Die effiziente Erzeugung von mechanischer Energie f hrt zur Idee den Betriebspunkt des Verbrennungsmotors VM oder der Elektromaschine EM weitgehend vom Betriebszustand des Fahrzeuges zu entkoppeln Der Freiheitsgrad wird genutzt um den Betriebspunkt des VM oder der EM in einen wirkungsgradg nstigeren Bereich zu verschieben Um diese Forde rung zu erf llen bedarf es eines stufenlosen Elementes zwischen den R dern und den Antriebsquellen Dieses Element kann mechanisch als stu fenloses Getriebe ausgebildet sein oder elektrisch ber eine Energiewand lung erfolgen Um die erzeugte mechanische Energie optimal zu nutzen wird die kineti sche Energie des Fahrzeuges beim Abbremsen rekuperiert Dies ist vor allem bei st dtischer Fahrweise mit hohen Beschleunigungs und Verz ge rungsanteilen sinnvoll Da ber die H lfte aller Fahrten k rzer als 30 km sind ist dieses Potential nicht zu untersch tzen Der Leistungsbedarf der Nebenaggregate beeinflusst besonders im Schwachlastbetrieb den Verbrauch erheblich Durch eine konsequent bedarfsorientierte Auslegung sowie Steuerung bzw Regelung der Hilfsan tri
93. es lt 6 kW nur f r Man verierbewegungen und langsame Geschwindigkeiten sinnvoll Diese Betriebsart unterst tzt das Handling des Fahrzeuges besitzt aber keinen Einfluss auf den Energieverbrauch der Transportleistung des Personenwagens Deshalb wird diese Betriebsart im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter untersucht l Batterie Schwungrad Motor CVT Rad Bild 2 3 5 M gliche Leistungsfl sse im Elektrobetrieb bei Verwendung des Schwungra des als Kurzzeitenergiespeicher 2 3 3 4 Rekuperation Zur Rekuperation der kinetischen Fahrenergie bieten sich drei M glich keiten an Bild 2 3 6 a Das Schwungrad speichert die mechanischer Bremsenergie Diese Spei cherm glichkeit gew hrt unter der Voraussetzung einer unmittelbaren Wiederverwendung der Energie den vorteilhaftesten Wirkungsgrad Die Wirkungsgradkette der elektrischen Rekuperation 2 3 2 kann dabei mit 1 t ersetzt werden Aufgrund der unm glichen Vorhersage des Fahrten des ist bei der letzten Rekuperation ein Verlust unvermeidlich Obwohl die im Schwungrad gespeicherte Energie beim Abschalten des Antriebes 2 3 Aufbau des Antriebes 25 ber den Generatorbetrieb in die Batterie transferiert werden kann w re eine direkte Rekuperation in die Batterie am Fahrtende vorzuziehen NIE eGen NBat Batte NEMor NLE 2 3 2 b Die Batterie dient als zweiten Energiespeicher Die Bremsleistung wird ber den Generator gespeichert und kann wieder als Antriebsene
94. es kein Verkehrshindernis im Agglomerationsverkehr darstellt F r Spit zenleistungen sind jeweils beide Aggregate zu kombinieren In der Regel findet die Verkn pfung der beiden Antriebsquellen auf der Stufe der Nutzen ergie statt Beim Power Assist Hybrid verf gt der Verbrennungsmotor ber eine wesentlich gr ssere Nennleistung als der Elektromotor Dieser wird vor allem f r die Durchquerung von lokal emissionsfreien Zonen denkbar sind Innenst dte eingesetzt Dieses Konzept nutzt die F higkeit der berlast barkeit vieler Elektromotoren im Sekunden bis Minutenbereich aus die somit kurzzeitig gr ssere elektrische Leistungen als im Dauerbetrieb zur Verf gung stellen k nnen Neben den oben beschriebenen Klassierungen werden die Hybridantriebe auch dadurch unterschieden ob sie die elektrische Energie vom Netz bezie hen oder an Bord des Fahrzeuges erzeugen Im zweiten Fall spricht man vom autarken Hybrid Ein autarker Hybridantrieb ist vor allem dann inter essant wenn der Energiespeicher nur zur Optimierung des Wirkungsgrades des Antriebes eingesetzt wird und nicht prim r zur Erzielung einer lokal emissionsfreien Reichweite herangezogen wird 1 2 2 Realisierte Konzepte In diesem Abschnitt werden verschiedene realisierte Hybridantriebe vor gestellt Dabei handelt es sich aber keineswegs um einen vollst ndigen berblick Die Bandbreite und die Zahl der realisierten oder vorgeschlage nen Konzepte w rde den Umfang di
95. esen clean fuels die potentiell durch Nutzung erneuerbarer Prim renergien hergestellt werden k nnen gelingt es durch die F hrung des Verbrennungsprozesses die Emissionen deutlich zu reduzieren 2 1 Einf hrung c Verbessertes Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Verkehrstr gern um die Gesamtkapazit t der Systeme zu erh hen Im Personenver kehr muss das Zusammenwirken von Individualverkehr und Massen transportmitteln Park amp Ride oder Car Pooling usw verbessert werden Mit der Nutzung der Vorteile der einzelnen Transportsysteme kann die Kapazit tsauslastung optimiert werden Durch den Einsatz von Ver kehrsleitsystemen und Routenplanern w rd der Versuch unternommen den Verkehrsfluss zu optimieren um Emissionen und Treibstoffver brauch in Staus zu minimieren Intelligent Transport Systems ITS Pilotversuche z B in Turin wo das Zusammenwirken verschiedener oben genannter ITS Massnahmen kombiniert worden sind reduzierten sich die Transportzeiten bis zu 20 11 Im G terverkehr wird ebenfalls versucht durch die Kombination unterschiedlicher Transportsysteme Ferntransport LKW Bahn Containertransporten und Feinverteilung eine gewinnoptimale Transportleistung zu erbringen Um diese Systeme auch umweltvertr glich zu gestalten braucht es die Steigerung der Lei stungsf higkeit der kologisch sinnvollen Transporttr ger zeitlich und kapazit tsm ssig eine verursachergerechte Kostenverteilung inklusiv exter
96. eser Arbeit sprengen Die Hauptdaten der verschiedenen Konzepte sind in Tabelle 1 3 1 zusammengefasst 8 l Einf hrung Paralleihybridkonzepte Seit Herbst 1997 sind die ersten kommerziellen Hybridantriebe von Audi Audi duo und von Toyota Prius angek ndigt und inzwischen zumindest als Kleinserien in Deutschland und Japan verf gbar wobei die Preise kaum kostendeckend sein d rften Beide Konzepte sind Parallelhybride Power Assist Das Audi Konzept Audi duo basiert auf einem Audi A4 Avant und umfasst einen direkteingespritzten Dieselmotor 1 9 1 TDI mit 66 kW Leistung einen permanent erregten Synchronmotor 21 kW kurz zeitig bis 32 KW berlastbar und ein handgeschaltetes Getriebe mit auto matisiertem Kupplungsmanagement Es wird eine Blei Vlies Batterie 264 V und 10 kWh verwendet 51 64 vgl Bild 1 2 2 Die Elektro maschine wird im Hybridbetrieb als Schwachlastersatz f r den Verbren nungsmotor verwendet womit der wirkungsgradung nstige Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors eliminiert werden kann Mit der Elektromaschine kann auch kinetische Energie des Fahrzeuges Bremsenergie in die Batterie rekuperiert werden Wahlweise kann auch rein elektrisch lt 80 km h oder ausschliesslich mit dem Verbrennungsmotor gefahren werden DI Dieselmotor OOOO automatisierte Kupplung Elektro motor Bild 1 2 2 Funktionsschema des Audi Duo Parallelhybridantriebs Dual Mode Hybrid Ein typisches Dual Mode Konzept s
97. espiesen werden kann Die Transienten sind in Bild 5 4 2 abgebildet 116 5 Realisierung des Antriebes Bei der Berechnung des Rekuperationswirkungsgrades muss die ben tigte Energie f r die auftretende Luft und Rollreibung bei der Bestimmung des Rekuperationspotentials ber cksichtigt werden 5 4 3 resp 5 4 4 und darf nicht dem bertragungswirkungsgrad des Kurzzeitenergiespeichers angelastet werden 5 4 1 Die Voraussetzung ns start Rs Ende vermeidet die Ber cksichtigung bereits gespeicherter Energie m Schwungrad Ep En Kin F Ende DiSSi peschi NRek 5 4 1 i E Kin posun a E Dissigens 2 mit Exi 0 5 mp V 5 4 2 BE 3 Enissiny OS PL Cw AY e Mp g vdt 543 Lo und Io 3 Enissi OS Py cu AV re mpg vdt 5 4 4 List Die Auswertung der Versuchsergebnisse aus Bild 5 4 2 ergibt einen Reku perationswirkungsgrad von Ng 0 51 Dabei ist zu ber cksichtigen dass bei l ngeren Stillstandszeiten der Wirkungsgrad durch die Luftreibung des Schwungrades abnimmt Bei hohen Brems und Beschleunigungsgradienten steigt der Wirkungsgrad an vgl Kap 5 5 4 da die umgesetzte Leistung steigt und die nahezu gleichbleibende Verlustleistung proportional reduziert ins Gewicht f llt 5 4 Untersuchungen am dynamischen Pr fstand 117 Rekuperation und Beschleunigung ab Schwungrad 80 grad 1 min n_Schwun n_VM enwandler i Kett oO n 80 90 106 110 120 Zeit s Bild 5 4 2 Messergebnisse einer
98. folgerungen und Ausblick brauchswerte erzielbar werden die im realen Verkehr nicht nachvollziehbar sind 2 Mit der Verbesserung der elektrischen Antriebskomponenten und unter st tzt von allf llig verf gbaren elektrischen Energiespeichern Li Ion und Li Polymerbatterie haben das Potential f r verbesserte Leistungs und Ener giedichte stellt sich die Frage ob zumindest eine elektrische Kraft bertra gung m Fahrzeug sinnvoll sein k nnte Mit dem Verlauf des Wirkungsgrades ber der Leistung stellt die Brenn stoffzelle als Energiewandler eine sehr gute L sung f r die Anforderungen im Fahrzeug dar Steigerung des Wirkungsgrades zur Teilleistung hin Es wird sich zeigen ob es gelingt die Kostenfrage zu l sen effiziente Hilfsag gregate f r die Brennstoffzelle zu entwickeln und eine auf die Zukunft aus gerichtete Treibstoffversorgung aufzubauen Mit diesen Rahmenbedingun gen k nnte ein Antrieb realisiert werden der gute Erzeugungswirkungs grade minimale Emissionen und die M glichkeit der Bremsenergierekupe rat on in sich vereint Zudem verf gt die Brennstoffzelle das Potential mit erneuerbaren Treibstoffen betrieben zu werden Abk rzungen GWP j2 CVT IEM IGBT IMRT ISO ITS lt Polynomkoeffizient Wechselrichter Wechselstrom zu Gleichstrom Polynomkoeffizient Polynomkoeffizient spezifische Strombelastung der Batterie Arbeitskapazitat und Polarisation relative Ersatzkapazitat Batteriekapazitat
99. fuel versus operation on electricity The models for describing the dynamics and efficiency of the power train has been extended in the field of battery modeling The model is proofed by measurements on a battery module The dynamics and the fuel consumption are simulated and compared to the measurements for the target vehicle a Volkswagen Golf and the realized test vehicle based on the minivan from Volkswagen a Sharan The use of primary energy and emissions of global warming gases are assessed life cycle assessment for the different operating strategies based on the target vehicle The assessment is calculated for the operation of the vehicle over 100 000 km in 7 years for the operation on fuel and electricity In the case of fuel operation the production chain for fuel and lubricants are included In case of electrical operation different fuels for the production of electricity in Europe are assessed Also the primary energy and emissions of gases involving the global warming are integrated for the batteries needed to be replaced during the period of operation Comparing the primary energy used to operate the vehicle at constant speed the duty cycle operation DCO of the ETH Hybrid III is the most efficient mode except the electricity is generated exclusively by hydro power Operating the engine in the throttled mode also other electricity pro duction processes can reduce the need of primary energy at very low speeds Concerning t
100. g angepasst nach 89 Die Bleibatterie verf gt ein sehr breites Band von erzielbaren Ladezyklen in Abh ngigkeit der Einsatzprofile Unter den eher hohen Leistungsbela stungen denen die Batterie in einem Hybridfahrzeug ausgesetzt ist wird ein Ladezyklenbereich von 300 1000 Ladezyklen pro Batterie angenommen Die Bleibatterie unterliegt auch einer zeitlichen Alterung Die Lebensdauer einer Batterie wird mit 2 4 Jahre angenommen Somit werden 1 2 Batte riewechsel in der betrachteten Betriebszeit erforderlich 7 3 Anwendung des LCA auf den ETH Hybrid IH Antrieb 147 Verbindung mit dem Inventar f r Energiesysteme Chemikalien organisch 0 185 Kadmium Cer 2 Stahl niedriglegiert 4 l 57 24 17 78 Material Einheit Werte aan I kg kg kg kg kg Mangandioxid 0 855 Neodym Nickel ab Anreicherung Nickeldydroxid Chemikalien anorganisch Polypropylen 3 74 Kaliumhydroxid 1 62 Polypropylen 0 855 Praseodym Chemikalien organisch 123 Stahl niedriglegiert 8 24 Stahl niedriglegiert Wasser in der Batterie 8 Wasser vollentsalzt 0 387 Zink f r Verzinkung Produktionswasser 73 at anime Abw rme Abw rme in Luft p kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg kg g kg g g J km km g 8 g g J g Abwasser DAI Abwasser k a p Prozessemissionen Tabelle 7 3 2 Life Cycle Inventar f r eine geschlosse
101. g eines l ngerfristigen Zeitraumes nichts an der relativen Beurteilung der verschiedenen Betriebs arten ndert 7 4 1 Vergleich der Betriebsarten Taktbetrieb Elektrobetrieb F r den Vergleich der beiden Betriebsarten wird die Bordnetzversorgung nicht ber cksichtigt da dieser Beitrag gesondert untersucht wird F r den Benzinbetrieb wird ausgehend vom Kennfeld in Bild 4 1 1 der Prim renergieeinsatz und das GWP unter der Ber cksichtigung des lver brauchs bestimmt F r die Geschwindigkeiten bei ebener Fahrt ist der Pri m renergiebedarf f r den Benzinbetrieb in Bild 7 4 1 dargestellt Im Elektrobetrieb setzt sich die ben tigte Prim renergie zusammen aus den Anteilen Stromerzeugung zum Antrieb des Fahrzeuges Batterieherstel lung und der jahreszeitlich schwankenden Heizenergie zur Sicherstellung der Funktionst chtigkeit der Batterie 154 7 Bewertung des Energieverbrauchs Prim energieverbrauch des ETH Hybrid IH in der CH part wg oO Prim renergieverbrauch MJ 100 km D S an on 10 20 3 40 50 60 70 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 7 4 1 Prim renergieverbrauch im Benzinbetrieb des ETH Hybrid III Zielfahrzeu ges fiir Konstantfahrt in der Ebene Die Herstellung und Verteilung gilt fiir Benzin in der Schweiz Zur Bestimmung der Lebensdauer der Batterie wird fiir den Elektrobe trieb Stadtbetrieb angenommen Dieser Betrieb kann mit dem Profil des ECE Zyklus angen hert werden Mit dem Verbrauch gem ss
102. h ngigkeit des Antriebswirkungsgrades erkennbar Die Fahrt n der Ebene als die bliche Voraussetzung zur Verbrauchsermittlung ist als Trajektorie gekennzeichnet Verbrauch des ETH Hybrid II im Taktbetrieb I 100km bei variabler Steigung Fahrwiderstand in der Ebene gt A oO 62 Ww oa Fahrzeuggeschwindigkeit km h 4 Leistung am Rad kW Bild 4 1 1 Benzinverbrauch im Taktbetrieb bei variabler Steigung und Speisung des 12V Bordnetzes ab Fahrbatterie 4 1 2 Konstantleistung im Drosselbetrieb Im Drosselbetrieb wird der VM mittels dem stufenlosen Getriebe stets bei einer Motordrehzahl von 1800 min gehalten was der Minimaldrehzahl f r Vollastbetrieb entspricht Der minimale Verbrauch wird bei h heren 4 1 Benzinbetrieb 53 Geschwindigkeiten als beim Taktbetrieb erreicht 60 70 km h und unter liegt einem gr sseren Gradienten bei kleinen Geschwindigkeiten Bild 4 1 2 Der Verbrauch im Drosselbetrieb ist unterhalb von 50 km h ber 25 h her als beim Taktbetrieb Zu h heren Leistungen n mmt der Verbrauchs vorteil wie erwartet ab Benzinverbrauch im Drosselbetrieb n 1800rpm l 100km bei variabler Steigung Fahrwiderstand in der Ebene Fahrzeuggeschwindigkeit km h 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Leistung am Rad kW Bild 4 1 2 Benzinverbrauch im Drosselbetrieb und bei variabler Steigung Der VM wird bei 1800 min betrieben Die Bordnetzspeisung erfolgt ab Fahrbatterie 4 1 3 Europ ischer Stadtzykl
103. h eine erforderliche Energie von 131 kJ im Schwun grad nach 4 2 1 f r eine Beschleunigungszeit von 10 Sekunden und bei konstanter Beschleunigungsleistung l Exin Pra a 4 2 1 Ncvr Mit einer minimalen Schwungraddrehzahl von 1800 min und einem z gigen Beschleunigungsverm gen bis 50 km h resultiert ein Solldrehzahl verlauf des Schwungrades in Funktion der Geschwindigkeit Bild 4 2 4 Wie in Bild 5 1 11 dargestellt tritt bei den erforderlichen Drehzahlen eine nicht unerhebliche Luftreibung am Schwungrad auf die bei Konstantfahrt durch die EM gedeckt werden muss Der Vergleich der aufzubringenden Leistung ist in Bild 4 2 5 dargestellt Der Einfluss auf den Wirkungsgrad ist in Bild 4 2 3 zu sehen 58 4 Verbrauchssimulation Wirkungsgradvergieich im E Betrieb mit ohne Schwungrad 0 8 oO N ohne Schwungrad n_EM 1800 rpm oO D oO gt Wirkungsgrad ohne Batterie oO a 0 3 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 4 2 3 Wirkungsgradvergleich im Elektrobetrieb mit und ohne Schwungrad ohne Generatorbetrieb Die Drehzahl des Schwungrades ist eine Funktion der Geschwindig keit Der Wirkungsgradsprung bei 18 km h resp 35 km h spiegelt eine Modellungenauig keit wider Die Einhaltung dieser Solldrehzahl muss nur bei deren Unterschreitung durch eine Beschleunigung des Schwungrades durch die EM korrigiert wer den Dies f hrt zu einem Leistungsregler f r die EM Dieser stellt die St
104. he emissions of gases related to the global warming the electricity based on non fossil fuels like hydro power or nuclear are produc vill ing near 25 of the emissions of the DCO of the ETH Hybrid III power train If the DCO is compared to the electricity based on fossil fuels the DCO produces lower emissions than any type of production of the electric ity If the DCO is compared to the production of the load leveling of elec tricity production which is in general base on hard coal in Europe the DCO saves over 55 of the global warming potential of the electricity produc tion The life of the lead battery is shorter than the time of operation of the vehicle which leads to a replacement of the battery The production of the battery influences significantly the need of primary energy and the emission of gases related to the global warming Based on the application of the improved part load operation of the DCO for fueled driving the operation on electricity can be recommended only for local air quality improvements As a consequence a power train including flywheel and a CVT has been simulated without electrical part A possible fuel consumption reduction of 50 can be found Further improvements can be achieved by applying newest engine technology Highest efficiency can be achieved by using a fuel cell if attention is put to the design of the auxil iaries and if the fuel is based on renewables 1 Einf hrung 1 1 Einleitung Di
105. henwelle gt ae oa VM ees a i y aaa a a I I i l i oe il 0 yes bo in eek SERZEN SEN N L 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Zeit sl Bild 4 1 3 Ausschnitt aus dem ECE R15 04 Zyklus im Benzinbetrieb Darstellung von Drehzahlen und Geschwindigkeit wobei bei kleinen Leistungen im Taktbetrieb gefahren wird Vergleicht man im selben Fahrzeug den Drosselbetrieb mit st ndig lau fendem VM und ohne Rekuperation gegen ber dem Betrieb mit Ber ck sichtigung einer Rekuperation von 50 Wirkungsgrad und Schwungnut 4 2 Elektrobetrieb 55 zung d h der VM wird bei Verz gerung und bei Stillstand abgeschaltet aber immer noch bei gedrosselter Fahrweise resultiert eine Verbrauchsein sparung von 39 Mit dem Einsatz des Taktbetriebes kann der Verbrauch um weitere 16 reduziert werden Dabei ist in Erinnerung zu rufen dass f r alle drei F lle das gleiche Fahrzeuggewicht verwendet wurde F r den Dros selbetrieb ohne Nutzung der Rekuperation k nnte durch den den Verzicht des Schwungrades eine Gewichtsreduktion erzielt werden 4 2 Elektrobetrieb 4 2 1 Konstantfahrt Im Elektrobetrieb kann die Wirkungsgradkette in den Antriebsstrang und die Batterie aufgeteilt werden Der Ladezustand der Batterie ist ein Parame ter der den Wirkungsgrad der Leistungsentnahme aus der Batterie beein flusst Vernachl ssigt man den Einfluss der ladezustandsbedingten Span nungsschwankungen auf den Wirkungsgrad der Leistungselektronik wird d
106. hleunigt das Schwungrad Bei ge ffneter Reibkupplung K2 ver ndern sich die involvierten Tr g heiten nicht aber die prinzipielle Funktionsweise Die Taktdauer verl ngert sich und das Verh ltnis zwischen Ladezeit und Entladezeit eines Taktes ver schiebt sich deutlich da nur noch die Generatorleistung und die Reibverlu ste der Hybrideinheit gedeckt werden m ssen Die Ladephase verk rzt sich da die Motorleistung vorwiegend zur Beschleunigung des Schwungrades verwendet werden kann Batterie Schwungrad Generator Rad Bild 2 3 2 Leistungsfluss durch den Antriebsstrang im Taktbetrieb w hrend der Lade phase des Schwungrades Fahrzeug und Antrieb verbunden Batterie Schwungrad Generator CVT Rad Bild 2 3 3 Leistungsfluss durch den Antriebsstrang im Taktbetrieb w hrend der Entla dung des Schwungrades Fahrzeug und Antrieb verbunden Ein Leistungsfluss von und zum Schwungrad ist nur ber eine nderung der Schwungraddrehzahl zu erzielen wie der Drallsatz f r das Schwungrad zeigt 2 3 1 2 3 Aufbau des Antriebes 23 dos 0 0 Laal Folglich ist bei einem Schwungrad immer eine stufenlose ber setzungskomponente f r den Leistungstransfer zum Fahrzeug erforderlich 2 3 3 2 berlandbetrieb Verlangt der Fahrer eine Leistung oberhalb der Vollastleistung bei mini maler Betriebsdrehzahl des VM 14 kW bei 1800 min wird die Motor drehzahl so angepasst dass der VM die Anforderung bei Vollast erf llt
107. hnitt aus dem ECE_R15 04 Vergleich Simulation Messung 60 i Messung Simulation Fahrzeuggeschwindigkeit km h EMPAS3_12_eceteil2 l FOREN ESP 1 l J 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Zeit s Bild 6 2 4 Geschwindigkeitsverlauf im simulierten und gemessenen ECE R15 04 Zyklus des Versuchsfahrzeuges 10 a a EDER Der gegen ber dem Zielfahrzeug erh hte Leistungsbedarf des Versuchs fahrzeuges f hrt zu vermehrtem Gangwechsel mit Motorbetrieb Als Folge weist auch der Verbrauch f r einen ECE Teilzyklus eine breite Streuung 6 68 8 18 1 100 km bei einem Mittelwert von 7 49 1 100 km im ECE Zyklus auf D h die Differenz zwischen rechnerisch ermitteltem und gemessenem Benzinverbrauch erh ht sich beim Versuchsfahrzeug auf 6 8 6 3 Batteriemodellvergleich Das in Kap 3 2 3 erstellte Batteriemodell wurde mit der Entladung der eingebauten Blei Vlies Batterien iiberpriift Zu diesem Zweck wird als Bei 6 3 Batteriemodellvergleich 137 spiel die Entladung bei einem Konstantstrom von I 32 A verglichen Die so entnommene Leistung entspricht etwa dem Leistungsbedarf des Zielfahr zeuges bei 50 km h Ausschnitt aus dem ECE_R15 04 gemessene Drehzahlverl ufe 4500 T 4000 ei Ko La i gt E B O R i a eee ET CERO ERN EE u eae caer a ener re oi Q oO SER ori i f i E I I i A l i i i i i N fr oO Drehzahlen m
108. ht in Bild 5 1 10 dargestellt Die Optimierung der Schwungrad form ist ebenfalls in 19 und 20 hergeleitet musste aber in der ausgef hr ten Konstruktion im Hinblick auf die Integration der Reibkupplungen ange passt werden Die Auslegung erfolgte mit der Absicht die Fahrenergie des Fahrzeuges aus ca 70 km h rekuperieren zu k nnen Das realisierte Schwungrad verf gt ber die Eckdaten gem ss Tabelle 5 1 1 Der Wirkungsgrad des Schwungradspeichers ist eine zeitabh ngige Gr sse und wird durch Dissipation in der Hybrideinheit beeintr chtigt Sie besteht aus Lager und Luftreibung wobei im Drehzahlband 1800 6000 min vor allem die Luftreibung ins Gewicht f llt Bild 5 1 11 Die erzeugte Luftbewegung durch die Rotation des Schwungrades wird zur K hlung der Reibkupplungen und des Rotors der EM genutzt Die zir kulierende Luft wird durch kleine Durchtrittsl cher im Wassermantel des Stators gek hlt vgl Bild 5 1 4 86 5 Realisierung des Antriebes Bild 5 1 9 Schnitt durch die Hybrideinheit mit Schwungrad EM und den drei Reibkupp lungen Kl K2 K3 Eigenschaft Einheit Wert Masse des Schwungrades kg Material Durchmesser m Breite m Tr gheitsmoment Schwungrad 1 039 9 Tr gheitsmoment Schwungrad Rotor Zwischenwelle Nenndrehzahl 6000 UY J ho minimale Betriebsdrehzahl min 1800 Nutzbare kinetische Energie kJ 246 2 Tabelle 5 1 1 Eckdaten des Schwungradenergiespei
109. icherhybrid Ein serielles Konzept von Mercedes kombiniert einen Ottomotor 100 kW Nennleistung mit einem Generator Auf der Abtriebsseite erfolgt die Leistungsweitergabe mittels einem Asynchronmo tor und einem Schaltgetriebe Der elektrische Zwischenspeicher wird relativ klein gew hlt und kann als Batterie oder hochdrehendes Schwungrad im Vakuum gew hlt werden 27 Die Betriebsstrategie hat zum Ziel den Ver brennungsmotor dem Leistungsbedarf des Fahrzeuges derart nachzuf hren 1 3 Zielsetzung der vorliegenden Arbeit 13 dass die Abweichungen von einem st chiometrischen Verbrennungsluftver h ltnis minimiert werden und somit die Konvertierungsrate des Drei Wege Katalysators optimal bleibt Durch die bedarfsorientierte Nachf hrung des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors wird die aus einem Speicher zu deckende Energie deutlich reduziert Eine erhebliche Verbrauchsverbesse rung im Stadtverkehr ist erzielbar ca 17 im ECE Stadtzyklus Bei hohem kontinuierlichem Leistungsbedarf verursacht die doppelte Energie wandlung gegen ber dem Referenzkonzept einen Mehrverbrauch Bei kon stant 120 km h bel uft sich der Mehrverbrauch auf ca 15 ber den neuen Europ ischen Fahrzyklus NEFZ gemittelt verbleibt eine Verbrauchsver besserung von unterhalb 5 1 3 Zielsetzung der vorliegenden Arbeit Hybridantriebe bieten eine M glichkeit zur Steigerung des Antriebswir kungsgrades Dabei darf nicht ausser acht gelassen werden dass mit der
110. ie Ladeleistung W 0 0 4 0 2 0 7 0 8 0 9 1 03 0 4 0 5 0 6 Relativer Entladegrad ge ge_max Dae Beer eae grees az Bild 4 2 9 Ladewirkungsgrad der Bleibatterie mit dem Konstantstrom Konstantspan nung Konstantstrom IUI Ladeverfahren 64 4 Verbrauchssimulation Entladewirkungsgrad der Bleibatterie f r einen ECE R15 04 Zyklus 0 98 l Re I sets we Tey een cap Sh en i Aa aha ahd enge o nm Startentladegrad qe 0 1 8 Startentladegrad qe 0 3 Integraler energetischer Wirkungsgrad DD 0 84 Startentladegrad qe 0 4 0 82 AL 100 200 30 400 500 600 700 800 900 Zeit s Bild 4 2 10 Integraler energetischer Entladewirkungsgrad der Bleibatterie bei unter schiedlich stark entladener Batterie Der Zyklus dauert 820 s 4 2 4 2 NiMH Batterie Nach Literaturangaben resultieren bei der NiMH Batterie Entladewir kungsgrade von 0 7 0 85 Die Ladewirkungsgrade f r mehrst ndige Lade vorg nge erreichen Werte um 0 77 44 und 45 Durch das geringere Gewicht der NiMH Batterie von 90 kg bei gleicher Kapazit t ist im ECE R15 04 Zyklus im Taktbetrieb eine Verbrauchseinspa rung von 6 2 4 25 1 100km gegen ber der Bleibatterievariante erzielbar Im elektrischen Betrieb ist eine Leistung von 11 376 kWh 100km ab Batte ne erforderlich Dies entspricht einer Reduktion von 2 4 gegeniiber der Bleibatterie vgl Tabelle 4 2 2 Bei der NiMH f llt aber ein integraler ener getische
111. ie Fahrzeugmasse sowie der dynamische Radradius rp wird fiir die Simulation gem ss Tabelle 5 4 1 angenommen 2 Or Tp mp Mm gt 3 1 1 Bild 3 1 1 Mechanisches Grundmodell des ETH Hybrid III Antriebes mit den Tr g heiten VM Schwungrad Zwischenwelle mit Rotor der EM und Fahrzeug die starr ver bunden sind Die Zwischenwellentr gheit Oy umfasst die Tr gheiten der Getriebewel len zwischen Getriebeeingang und Kettenwandler der Kupplungsteile von K2 und des Rotors der EM Ow 0 302 kgm Der abkoppelbare Teil des Schwungrades wird durch die Tr gheit Os 1 07 kgm dargestellt Die Tr gheit des VM wird durch den Wegfall des motoreigenen Schwungrades deutlich kleiner als beim Serienmotor Oyy 0 03 kgm Die stufenlose Getriebe bersetzung ig wird durch das Verh ltnis der Drehzahlen der Zwischenwelle und des Radausganges gebildet 3 1 2 Sie verl uft je nach Gang direkt oder umgekehrt proportional Bild 5 1 16 und Bild 5 1 17 zur bersetzung icyr der Komponente des Kettenwandlers 30 3 Modellierung des Antriebsstranges hi 3 1 2 Der Fahrwiderstand wirkt als Kraft am Rad und erzeugt auf der Abtriebs welle das Fahrwiderstandsmoment 3 1 3 M rg F Rot Fruftt F Steig 3 1 3 Der Rollwiderstand wird mit der Normalkraft der Fahrzeugmasse und dem Rollwiderstandsbeiwert unter Beriicksichtigung des Neigungswinkels amp der Fahrbahn gebildet 3 1 4 F pojl CR Mp 8 COSA 3 1 4 Die Luftdichte
112. ie mit abgekop peltem Schwungrad und im Fahrbetrieb Die Batterie und Bordnetzspeisung werden hier nicht mitberiicksichtigt Die EM dreht bei konstant 1800 min 4 2 2 Beschleunigungsreserve Die elektrische Leistung von 6 kW reicht nicht aus um das Fahrzeug in 10 Sekunden von 10 50 km h zu beschleunigen Die Drehzahl des Schwungrades ist so zu w hlen dass die Energie zur Abdeckung der Zusatz leistung f r die erforderliche Zeit zur Verf gung steht Um den Anfahrvor gang auszuklammern wird die Zeitmessung bei 10 km h gestartet Weiter wird eine Beschleunigung bei konstanter Leistung angenommen Die Beschleunigungszeit f r eine beliebige Startgeschwindigkeit lt 50 km h ist durch die Beschleunigungsleistung gegeben Der Zusammenhang Beschleu nigungszeit und erforderliche Radleistung ist in Bild 4 2 2 aufgetragen 4 2 Elektrobetrieb 57 Abgeleitet davon resultiert f r eine Beschleunigungszeit von 10 Sekunden eine Beschleunigungsleistung von 10 5 kW die durch das Schwungrad neben der maximalen Leistung der EM von 6 kW zur Verf gung gestellt werden muss ise w gt Beschleunigungszeit ron 10 50kmik s 11 12 18 m 13 _ 14 15 _ 16 17 Antriebsleistung am Getriebeausgang kW Bild 4 2 2 Beschleunigungszeiten von 10 50 km h in Funktion der erforderlichen Antriebsleistung f r eine Beschleunigung bei konstanter Leistung Ausgehend von einem mittleren bertragungswirkungsgrad von Ncvt 0 8 ergibt sic
113. ieb akustisch h rbar aber kaum sp rbar Wie anhand Bild 5 5 3 deutlich wird kann ein Gangwechsel sofern er unter gr sserer Last erfolgt gut erkannt werden da die Zugkraft 5 5 Untersuchungen am Rollenpr fstand 127 unterbrechung eine Beschleunigung oder Verz gerung markant unterbricht Bei moderatem Leistungsfluss erfolgt der Gangwechsel relativ weich Rekuperation im Versuchsfahrzeug bis max Schwungraddrehzahl 7000 e en a Sa i 6000 t T Be On a IA A A FR he r Zee pn Schwungraddrehzahl 5000 ae 4000 3000 S Fahrzeuggeschwindigkeit HW i R 2000 N ANAL NR fy i 1000 Kettenwandler bersetzung Verbrennungsmotordrehzahl Drehzahlen min 1 j Geschwindigkeit 100 km h i_KW 1000 1000 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Zeit s Bild 5 5 3 Rekuperationsvorgang und anschliessende Beschleunigung bis der VM wie der startet Das Schwungrad wird bis zu seiner Maximaldrehzahl beschleunigt Der VM wird nach Sekunde 53 gestartet vorher ist er ausgekuppelt und steht still Rauschen auf dem Drehzahlsignal Die Umschaltung in den berlandbetrieb ist deutlich sp rbar Den Ver lauf des gesch tzten Momentes am Rad in Bild 5 5 4 kann man nachempfin den Bei Sekunde 132 wird in den Schnellgang geschaltet was durch den Zugkraftunterbruch zu einem Momenteneinbruch f hrt Bei h herer Aufl sung der Messaufzeichnung k nnte man erkennen dass w hrend des Umschaltvorganges das Moment am Ra
114. iebes Einheit Grenzwert Grenzwert Euro II ic a Schweizergrenzwerte bis 1996 nach FTP 75 Mode gefahren mit Kaltstart b Europ ischer Grenzwert ab 1996 nach NEFT mit Kaltstart Tabelle 5 4 4 Verbrauchs und Emissionsergebnisse des ETH Hybrid Ill Antriebes auf dem dynamischen Pr fstand im Benzinbetrieb warm Beim Vergleich des Verbrauchs mit dem Referenzfahrzeug VW Golf II 1 6 1 55 KW Ottomotor Leergewicht 1015 kg nach 46 ergibt sich eine Verbrauchseinsparung des ETH Hybrid IH Antriebs bei einem Verbrauch von 4 77 1 100 km von 46 gegen ber dem Basisfahrzeug mit einem Ver brauch von 8 9 Benzin Als Vergleichsbasis f r die Emissionswerte ist die Emissionsgesetzge bung von 1990 zu verwenden auf die der VM ausgelegt worden ist Die Durchf hrung der Messungen bei warmem Antrieb war einerseits von der Annahme geleitet dass das W rmemanagement durch die Latentw rmehei zung des Katalysators in der Lage ist die Abgaskonversion von Messbeginn weg zu erm glichen Andererseits war die Infrastruktur am Motorenpr f stand f r eine Abstimmung des Kaltstarts des VM nicht verf gbar 5 4 2 1 FTP Zyklus Im FTP 75 Stadtzyklus erzielt der ETH Hybrid III Antrieb einen Ver brauch von 4 995 100km Benzin bei warmem Betrieb 5 4 Untersuchungen am dynamischen Pr fstand 115 5 4 2 2 Z rcher Innenstadtzyklus Der Z rcher Innenstadtzyklus entspricht dem Fahrverhalten im innerst d tischen Bereich der Stadt Z rich unter de
115. ier Mobilit t motiviert Zero Emission Vehicle Standard stehen bei der Strategie H Ziele wie Substitution von fossiler Energie Erzielung eines minimalen Prim renergieverbrauches oder Steige rung von Fahrkomfort Ansprechverhalten oder Fahrleistung im Vorder 2 3 Aufbau des Antriebes 2A grund Beim Einsatz der gespeicherten Batterieenergie fiir Ziele einer Fahr strategie H muss damit gerechnet werden dass die Reichweite fiir lokal emissionsfreien Betrieb zumindest voriibergehend reduziert werden kann Uberbriickung Drosselbetrieb Die EM kann mithelfen den Leistungsbe reich des Drosselbetriebes zu berbr cken Durch eine elektrische Einspei sung auf die Zwischenwelle kann die Periodendauer des Taktbetriebes ver l ngert werden wodurch die Startfrequenz des VM reduziert und somit die Einzelverluste vermindert werden vgl Kap 4 3 1 Teillastoptimierung In Abh ngigkeit des Wirkungsgrades des elektri schen oder fossilen Energiestromes in einem Betriebspunkt wird die Ener gieform umgeschaltet Nicht zu vernachl ssigen sind allf llige Fahrbarkeits kriterien beim Wechsel der Antriebsquelle vgl Kap 7 4 1 Leistungssteigerung Zur Steigerung der Fahrleistung k nnen die Lei stungen von VM und EM addiert werden Diese Strategie ist in der Umset zung verwandt mit der berbr ckung des Drosselbetriebes Die Leistungs steigerung f hrt zu einer Verbesserung des Fahrzeugverhaltens die zulasten des Verbrauches geht und h
116. ier nicht weiter untersucht werden soll Leistungsanpassung berlandbetrieb Im berlandbetrieb arbeitet der VM an der Vollastlinie ohne Drehmomentreserve Eine Anpassung der Lei stung erfolgt durch die Adaption der Drehzahl des VM Die EM kann zur Beschleunigung Verz gerung der rotierenden Massen verwendet werden um die Beschleunigungs oder Verz gerungsleistung nicht vom Fahrwunsch abzweigen zu m ssen 74 vgl Kap 4 3 2 Autarker Ladebetrieb Der VM treibt gleichzeitig zum Fahrzeug die EM als Generator zur Ladung der Batterie an Je nach Batterieladeleistung ist diese Strategie im berland wie auch im Taktbetrieb m glich und stellt eine Alternative zur Ladung ab Steckdose dar Eine typische Anwendung ist die Vergr sserung der elektrischen Reichweite vgl Kap 4 3 3 3 Modellierung des Antriebsstranges Zur Simulation der verschiedenen Antriebskonfigurationen wird das Fahrzeug mit dem Hybridantrieb als nichtlineares dynamisches Modell abgebildet Dabei wird der Betriebszustand mit einem mechanischen Grundmodell simuliert Den einzelnen Komponentenmodellen werden f r die Verbrauchsermittlung Wirkungsgrad und Verlustmodelle hinterlegt Diese wurden auf Grund von Pr fstandsergebnissen und Modellrechnungen erarbeitet vgl Kap 5 Das mechanische Grundmodell wurde am Institut f r Mess und Regeltechnik der ETH IMRT entwickelt 77 und ist im Verlaufe des Projektes mit Schwergewicht in 91 mit Wirkungsgradmo dellen f
117. ierten L sung und unter Verzicht auf ein Schwungrad als Kurzzeitenergiespeicher kann man sich auch folgendes Konzept vorstellen Ein Betrieb des VM bei Leerlauf wird vermieden Ein automatisiert geschaltetes mehrstufiges Handgetriebe bis 7 oder 8 G nge stellt den Betrieb des VM im Bereich besten Wirkungsgrades sicher Ein Alternator mit einer etwas erh hten Leistungsreserve kombiniert mit einem elektrischen Speicher Kombination von Batterie und Supercapacitor kann einerseits die Bordnetzversorgung auch bei stillstehendem Motor gew hr leisten Die Lebensdauer der Batterie wird durch Abbau der Leistungsspit zen verl ngert und in einem eingeschr nkten Leistungsbereich kann die EM zur Nutzung der Bremsenergie eingesetzt werden Dieses Konzept stellt ein Verbrauchsverbesserungspotential von 20 25 gegen ber einem heutigen Antriebssystem dar 8 3 Ausblick Mit steigender Anforderung an den Wirkungsgrad des Antriebes spielen die erforderlichen Leistungen f r die Hilfs und Nebenaggregate eine zunehmende Rolle Mit einer Verlagerung des Betriebspunktes der Energie erzeugung wird der Einsatz eines Energiespeichers immer wahrscheinlicher Somit kann auch die mechanische Energie des Fahrzeuges genutzt werden Bei der Dimensionierung eines Energiespeichers und der Auslegung der Fahrstrategie ist darauf zu achten dass die gew hlten L sungen nicht zu stark auf einen zu absolvierenden Zyklus ausgerichtet werden und so Ver 168 8 Schluss
118. ig M 3 1 10 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 3 2 1 Verbrennungsmotor Der Motorbetrieb wird in einen gefeuerten und einen geschleppten Betrieb unterteilt Im gefeuerten Betrieb kann das Moment des VM einen beliebigen positi ven Wert kleiner als das Vollastmoment annehmen Das Vollastmoment wird mit einem Polynom 2 Grades der Motordrehzahl angen hert 2 M vmvallas Ovm X Cvmi Oyy 3 2 1 i 9 Im ungefeuerten Betrieb wird das Schleppmoment aus dem Reibmittel druck und dem Verlust aus der Gaswechsel und der negativen Hochdruck schleife gebildet Dabei wird der Mitteldruck der Hochdruckschleife mit PmGw 0 2 bar als konstant angenommen 32 3 Modellierung des Antriebsstranges Die Verbrauchsbestimmung erfolgt mit der Modellierung nach der Williamsgeraden 3 2 2 Die Koeffizienten m und pmep dies ist ein negati ver Wert varieren ber der Drehzahl Die Werte der Koeffizienten werden aus dem gemessenen Kennfeld Bild 5 1 1 bestimmt Pme 7 Pmeo t PmBr 3 2 2 mit ip H2 Ppp NS 3 2 3 me Vig lym PmBr Kann als Brennstoffmitteldruck interpretiert werden 3 2 3 d h als gemittelte Brennstoffleistung Der Wirkungsgrad des VM wird gem ss 3 2 4 definiert womit auch der Verbrauch bestimmt werden kann p 1 4 3 2 4 p mBr F r jeden Start des VM wird ein Mehrverbrauch ber cksichtigt der durch Verbrennungsaussetzer infolge Wandfilmaufbaus und ungen gendem Luft verh ltnis auftritt
119. iksystem erfolgte am IMRT 73 5 1 4 4 Betriebsverhalten des i7 CVT Getriebes Die erzielten Wirkungsgrade des Getriebes sind gut Stellvertretend sei in Bild 5 1 19 auf die Bandbreite des Wirkungsgrades des Gesamtgetriebes inklusive der hydraulischen Hilfsantriebe und des Differentials im Lang samgang verwiesen wo mit einem Wirkungsgrad von Ngetriebe gt 0 8 f r Leistungen oberhalb von 4 kW gerechnet werden kann o9000 muh h h h O MADMDMONRDWO 4 O 1 4 Getriebeausgangsleistung kW Getriebevertust kW Mech n Bild 5 1 19 Wirkungsgrad der i Getriebes im Langsamgang bei konstanter Getriebe eingangsdrehzahl von no 1800 min Die Kurve zeigt eine berlagerung einer ber setzungsvariation des Kettenwandlers im ganzen Betriebsbereich Die Getriebe ltempe ratur betr gt Ta 35 45 C 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 97 Die Verstellgeschwindigkeit des Kettenwandlers ist eine Randbedingung f r die maximal m gliche transferierbare Leistung zwischen Schwungrad speicher und Fahrzeug Die Begrenzung kann entweder die lzufuhr durch die Hydraulikpumpen oder der durchsetzbare lstrom durch den 4 Kanten Schieber sein Die Funktion der bersetzungsregelung ist in 58 und 59 beschrieben und in Bild 5 1 20 exemplarisch abgebildet Dargestellt ist das Grosssignalverhalten bei einer Eingangsdrehzahl von 2400 min und bei Nullast Die Verstellzeit T zur Durchquerung des Bereiches von langs
120. in 1 l l a Getriebeeingang ja Zwischenwelle l N Schwungrad 1000 i 500k Open EMPA 1 2_eceteil2 O 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Zeit s Bild 6 3 1 Gemessener Verlauf der Schwungrad der Zwischenwellen der Getriebeein gangsdrehzahl und des VM im ECE R15 04 Zyklus des Versuchsfahrzeugs Ausschnitt aus dem ECE_R15 04 Vergleich Simulation Messung 500 AOOO PNA e i Srina Siw amp cee ae 3500 H 3000 hie Baie oe 2500 SPEER 5 2000 wE wyo e Y ed aeta A e Pcs N 2 MER gt Schwungrad Mess VM Mess ar aa VMSi l ores Boe F Sim 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180200 Zeit s Bild 6 3 2 Vergleich der simulierten und gemessenen Drehzahlen des Schwungrades und des VM im Versuchsfahrzeug 138 6 Vergleich Simulation und Messung Der Verlauf der Klemmenspannung ist in Bild 6 3 3 aufgetragen Die Batte rie wurde dabei nicht vollst ndig entladen Das Entladeende wird aber von der Simulation eher optimistisch berechnet Der Entladewirkungsgrad wird in Bild 6 3 4 verglichen C1 Batterieentladung eines 12V Modul Vergleich Simulation Messung 12 e 41 5 Q Messpunkte Z g Simulation E 10 5 N ne ee Y d e e A ee ee amp x 10 9 5 1 1 1500 2000 2500 3000 Entladezeit s 1 Q 500 1000 Bild 6 3 3 Spannungsverlauf bei der Entladung eines 12 V Batteriemoduls mit konstan tem Str
121. in Vorteil Auf der Emissionsseite HC CO und NO besteht heute ein klarer Vor teil der Stromherstellung gegen ber dem benzinbasierten Fahrzeugbetrieb In Zukunft wird die Gewichtung des Prim renergieeinsatzes und der Aus wirkungen auf den Treibhauseffekt steigen da heute der Nachweis bereits erbracht ist dass zumindest mit einem gewissen Mehraufwand das Emis sionsniveau von modernen Kraftwerken ebenfalls mit dem VM darstellbar ist 32 Dieses Emissionsniveau wird in Kalifornien mit dem SULEV Stan dard angepeilt 8 2 Verbesserungspotential des ETH Hybrid III Ausgehend von den oben erw hnten Zusammenh ngen kann man sich berlegen wie ein Konzept des ETH Hybrid III Antriebes weiter verbessert werden kann Unter dem begrenzten Vorteil des Elektrobetriebes mit der heute m gli chen Batterietechnologie kann man sich einen Antriebsstrang ohne eigentli 166 8 Schlussfolgerungen und Ausblick chen elektrischen Fahrbetrieb vorstellen Eine kleine EM dient noch als Alt ernator Starter und eventuell als Antrieb f r einen R ckw rtsgang Damit kann die schwere Batterie und die Masse der EM reduziert werden Die Redimensionierung der EM erm glicht eine vom Schwungrad rtlich getrennte Anordnung Als Folge kann das Schwungradgeh use idealer gestaltet werden und die Luftreibung kann deutlich reduziert werden Sch t zung um 50 Mit der Verwendung der EM im 4 Quadrantenbetrieb kann der R ck w rtsgang im Getriebe einges
122. ion und experimentellen Daten geht es um die Absch tzung der Genauigkeit der Modellierung und der der auf dem Modell basierenden Aussagen Einerseits interessieren integrale Gr ssen in dem hier betrachteten System vor allem der Verbrauch Andererseits soll auch die bereinstimmung zwischen Simulation und Versuch des dynami schen Verhaltens des ETH Hybrid IH Antriebes berpr ft werden Die Gegen berstellung erfolgt sowohl f r die Anordnung im virtuellen Zielfahr zeug VW Golf III der auf dem dynamischen Pr fstand abgebildet worden ist als auch f r das Versuchsfahrzeug basierend auf dem VW Sharan 6 1 Verbrauch bei konstanter Fahrt 6 1 1 Vergleich der Verbrauchswerte des Zielfahrzeuges Mit dem Vergleich des Konstantfahrtverbrauchs im Betriebskennfeld des Antriebes kann die Modellierung integral berpr ft werden Dazu sind kor rekte Betriebskennfelder der Komponenten sowie eine gen gende Modellie rung des Kettenwandlers in seinem dynamischen Betrieb f r den Takt betrieb erforderlich Der gemessene Konstantfahrtverbrauch aus Tabelle 5 4 2 und 5 4 3 ist im simulierten Betriebskennfeld des Antriebes Bild 4 1 1 eingetragen Wie aus Bild 6 1 1 zu entnehmen ist stimmen die Ergebnisse grossenteils sehr gut berein Die Abweichungen liegen unterhalb von 5 130 6 Vergleich Simulation und Messung Fahrze uggeschwindigkeit kmh 4 5 Leistung am Rad kW o gemessene Betriebspunkte mit angegebenem Verbrauch I 100km Bild
123. ioneller Antriebsstrang vorstellen so erh hen sicher die erforderlichen Energiespeicher Batterie Schwun grad Superkondensator das Fahrzeuggewicht Weiter m ssen folgende Nachteile ist beachtet werden Die erh hte Komplexit t des Antriebsstran ges kann zu vermehrtem Unterhalt oder zu reduzierter Verf gbarkeit des Gesamtsystems f hren Nachteilig wirken sich sicher die h heren Kosten eines solchen Antriebsstranges aus Dies K nnte durch eine marktbeeinflus sende Gesetzgebung gemildert werden 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich 5 1 2 1 Klassifizierung von Hybridantrieben Zur Klassifizierung von Hybridantrieben werden vornehmlich zweier Verfahren angewendet Einerseits erfolgt die Einteilung anhand des Ver kn pfungspunktes der beiden Energiefl sse Andererseits bildet das Verh lt nis der Nennleistungen der Leistungsquellen die Grundlage f r die Charak terisierung 7 Klassifizierung gem ss Energieflussverkn pfung Bei den Hybridantrieben kann der Leistungsfluss der Antriebsquellen unterschiedlich zusammengef hrt werden Die Kombination der Leistungs fl sse kann im Falle von mechanischer Energie ber das Getriebe oder ber die Strasse erfolgen F r die Kombination von elektrischer Energie wird f r beide Antriebe eine weitere Wandlung bis zur Nutzenergie notwendig Bei Parallelhybridantrieben liefern Verbrennungs und Elektromotor mechanische Leistung die als Nutzenergie ber das Getriebe an
124. ischen Netzes ist in Bild 5 1 6 dargelegt Wicklungs umschaltung oe 5 TR AC A Traktionsnetz 120V N 4 y 7 7 DC AC pa 220V T f a t i Bordladeger t SE uK 3 ph WR DC f DC HM 1 ph 2 kW e F oc DC urmenen N Motor rn k Generator prone 12 V 120 V 120 V 12 V 120 Volt gt 3 ASM er Anlasser Generator cn Antriebs it 800 W 1000 W batterie n 5 kWh Hybrid III T 12V Z ndschioss N Bordnetz 1 batterie ae Bordnetz 12V konstant Bild 5 1 6 Schema des elektrischen Systems des ETH Hybrid II Die beiden DC DC Wandler zwischen der 12 V Bordbatterie und der 120 V Fahrbatterie stellen einen Fahrbetrieb auch bei Ausfall der Fahrbatterie sicher In diesem Fall reduzieren sich die Aufgaben des elektrische Kreises 1 IGBT steht f r Integrated Gate Bipolar Transistoren Sie sind geeignet f r die Schaltung gr sse rer Str me bei Spannungen bis zu einigen hundert Volts 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 83 auf die Starterfunktion und auf die Speisung des Bordnetzes Denkbar w re auch der Einsatz der Motorbremsersatzfunktion direkt in den Leistungswi derstand zuzulassen Der Wirkungsgrad der EM ohne Ber cksichtigung des Wechselrichters ist f r den Bordnetzspeisebetrieb aus Bild 5 1 7 und f r den Fahrzeugantrieb aus Bild 5 1 8 ersichtlich Der Wirkungsgrad des Wechselrichters liegt zwi schen Nwechselrichte
125. it dem Konzept werden die verschiedenen Betriebs arten diskutiert die notwendig sind um einen verbrauchseffizienten Betrieb zu erzielen 2 1 Zielsetzung und Rahmenbedingungen Bei der Konzeption des ETH Hybrid III wird der Gedanke verfolgt mit der heutigen Technik das Wirkungsgradpotential der Antriebstechnik auszu loten und darzustellen Gleichzeitig sollte die M glichkeit vorhanden sein mit beschr nkter Reichweite lokal emissionsfrei fahren zu k nnen Neuar tige Komponenten sind zu entwickeln zu realisieren und deren Verbrauchs verbesserungspotential abzusch tzen Studenten sind nach M glichkeit ein zubinden so dass sie ihr Wissen an aktuellen und relevanten Fragestellun gen anzuwenden lernen Die ETH bildet f r dieses Projekt einen idealen Rahmen sind doch die meisten erforderlichen Disziplinen an verschiedenen Lehrst hlen vertreten Erste Untersuchungen wurden ab 1986 durchgef hrt die 1989 zur Bil dung eines interdisziplin ren Projektteams an der ETH Z rich f hrten Mit glieder von sieben Instituten der ETH Z rich und der TU M nchen unter der Leitung des Laboratoriums f r Verbrennungsmotoren und Verbren nungstechnik nahmen die Realisierung des ETH Hybrid II Antriebes in Angriff Stand des Wissens und das Grundprinzip dieses Antriebes werden erstmals in 37 und 36 beschrieben Das Antriebskonzept ist f r einen 2 2 Hauptideen 17 Personenwagen der Kompaktklasse ausgelegt z B Volkswagen Golf IID der f nf P
126. liesst sondern direkt in der EM umgewandelt wird Die zus tzliche Reibleistung der Lager der Zwischenwelle werden vernachl ssigt 4 3 1 P EL Afp mn 4 3 1 Benzin NE A m Oyy 5 H Der Grenzwirkungsgrad des VM entspricht der Steigung m der Williams geraden vgl Kap 3 2 1 Sie wird mit einer parabolischen Funktion nach 91 approximiert 4 3 2 m Oyy 5 357 107 Oyy 4 263 10 Oy 0 3178 4 3 2 In Bild 4 3 4 ist der Wirkungsgrad des elektrischen Antriebes ng bis zur Batterie dargestellt Wirkungsgrad der EM im Generatorbetrieb 0 84 0 837 fe M Wirkungsgrad der EM inkl Wechselrichter 0 78 0 77 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Zwischenwellendrehzahl min 1 Bild 4 3 4 Wirkungsgrade der EM im autarken Ladebetrieb bei verschiedenen mechani schen Antriebsleistungen Der Antrieb befindet sich im Schnellgang und treibt das Fahr zeug mit 50 km h in der Ebene an 4 4 Erzeugung der Bordnetzspannung 71 Dem gezeigten Kennfeld liegt eine konstante Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 km h zugrunde da die Abtriebsdrehzahl den Wirkungsgrad des Getriebes beeinflusst und dementsprechend auch den Gesamtwirkungsgrad Die Stromerzeugung im Fahrzeug geschieht somit mit einem Wirkungsgrad von 0 30 0 33 Bei der vergleichbaren Netzladung ist nur das Ladeger te mit einem Wir kungsgrad von ngg 0 85 zu ber cksichtigen Der Vergleich in Tabelle 4 3 1 w rd an den Batterieklemmen du
127. m Ver lust eines Vorteils im GWP20 f r das UCPTE Netz im Falle einer Taktinter vallsverl ngerung PTE ae Prim renergie MJ kWh 22 49 1610 25 66 18 18 2492 je GWP20 kg CO 1 063 0 150 2 240 1 801 0 120 0 116 Aeq kWh Tabelle 7 4 4 Primdrenergiebedarf und GWP20 fiir eine kWh mechanische Energie die elektrisch erzeugt wird Batterielebensdauer von 4 Jahren Grenzstro Kernkraf tUCPTE Brennga Wasserkra sUCPTE i m Steinkohle ft CH 7 4 3 2 Autarke Batteriespeisung Wird der VM betrieben um die Batterie zu laden muss fiir die elektrische Energieerzeugung den Batterieklemmen in Abh ngigkeit des Betriebspunk tes des Antriebes 16 09 17 06 MJ kWh Prim renergie und 1 126 1 194 kg CO2A q kWh CO Aquivalent aufgewendet werden vgl Tabelle 4 3 1und Tabelle 7 3 5 7 4 Vergleich der Betriebsarten des Antriebes 161 Der Ressourcenbedarf bei der autarken Betriebsweise entspricht in etwa dem Niveau des UCPTE Strom Mixes Steinkohle und Kernkraftwerke ben tigen einen h heren Prim renergieeinsatz als die on board Stromerzeu gung Die GWP20 Belastung ist bei den fossilen Kraftwerken h her als im autarken Betrieb Der UCPTE Schnitt liegt aber deutlich unter den GWP20 Emissionen im Fahrzeug In langen Ladephasen wie sie f r Netzladungen typisch sind kann ein besserer Ladewirkungsgrad der Batterie erreicht werden Im Fahrzeug steht eher die Erh hung der zur Verf gung s
128. mmene Energie berechnet werden 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 45 Der Ladezustand der Batterie wird durch die Integration des Klemmen stromes bestimmt Beim Laden der Batterie treten gegen Ende des Ladevor ganges q gt 0 75 Gasungsverluste auf die mittels eines modellierten Wir kungsgrades der Ladung erfasst werden 3 2 24 i 9 9 75 Niadestrom 2 3 2 24 Mit 3 2 24 wird die Ladebilanz zu qq dt IM Ladestrom 3 2 25 Beim Entladevorgang wird auf einen reduzierenden Stromwirkungsgrad verzichtet da mit diesem Modell vorwiegend dynamische Betriebsergeb n sse betrachtet werden 3 2 5 Getriebe Das Getriebe besteht aus dem Kettenwandler den Zahnradstufen dem Differential und den im Getriebe integrierten Hydraulikhilfsaggregaten Wie in Kap 5 1 4 beschrieben wird kann sich der Leistungsfluss im Getriebe in jeder Betriebsart umkehren F r die Wirkungsgradberechnung ist somit jede bersetzungsstufe f r drei Gangstufen zu untersuchen Die Verlustleistung wird zur Wirkungsgradbestimmung stets auf die Eingangsleistung bezogen 3 2 26 Ser Eea Pyorlusi 3 2 26 Mit der Definition des bersetzungsverh ltnisses i kann der Wirkungs grad f r die bersetzungsstufen formuliert werden aus n mit M M i Min W sowie i FE 3 2 27 aus Verlust 46 3 Modellierung des Antriebsstranges Das bersetzungsverh ltnis der einzelnen G nge kann mit der variablen berse
129. mpfer Luftfilter Elektromotor Generator LE Leistungselekronik W Zwischenwelle E EWP Elektr Wasserpumpe LW Luftwasserkuhler Bild 2 3 1 Schema des ETH Hybrid III Antriebsstranges Mit einer Funktionsoptimierung der Hilfsaggregate ist die erforderliche Hilfsenergie zu minimieren Dies gilt f r die hydraulischen Hilfsaggregate die f r den Betrieb des CVT erforderlich sind wie auch f r die elektrischen Verbraucher des Antriebes Aktuatoren L ftermotor etc In dieser Arbeit liegt die Systemgrenze beim Antriebsstrang mit seinen erforderlichen Hilfs antrieben Die Aspekte der weiteren Hilfsantriebe im Fahrzeug bersteigen den Rahmen dieses Projektes Mit einer Schallkapselung des VM k nnen sowohl die Aufw rmzeiten minimiert als auch die Schallemission der ungewohnten Betriebsweise Taktbetrieb bei Vollast ged mpft werden 20 2 Konzept des ETH Hybrid IN Antriebsstranges 2 3 2 Zielwerte Die berechneten Zielwerte dieses Antriebsstranges auf dem Basisfahr zeug aufbauend Volkswagen Golf III sind in Tabelle 2 3 1 dargestellt Fan OO OOO Towosm Tmmam warner e fm aeons 25 kmh kg NM Nennleistung Benzin Elektromotor kW kW EEE ECE R 15 04 nur VM 1 100 km a9 ECE R15 04 nur EM kWh 100 km Konstantfahrt 90 km h 1 100 km Konstantfahrt 120 km h 1 100 km Tabelle 2 3 1 Zielwerte f r den ETH Hybrid III in einem Personenwagen Als vereinfachende Annahme wird gest tzt auf eine unver nderte
130. mphase ab 40 3 Modellierung des Antriebsstranges Ladezustandsabh ngiger Korrekturfaktor f r ri 1 3 est aes Sos Ah Sid op eB Poe eo od gt hone 4 25 ee he nde Wen ern ae BEER Verst rkungsfaktor ri ql x 1 1 1 05 eee RaR thd 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 j Ladegrad al Bild 3 2 6 Ladezustandsabh ngiger Korrekturfaktor rig qj Verlauf des Gasungswiderstandes als Funktion der Spannung Gasungswiderstand rg Ohm 142 14 3 14 4 14 5 14 6 14 7 Gasungsspannung Ug V Bild 3 2 7 Veriauf des Gasungswiderstandes Fol U 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 41 Korrekturfaktor in Funktion von ql des Umwandlungswiderstandes Verst rkungsfaktor ru ql 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 Ladegrad qt Bild 3 2 8 Ladezustandsabh ngiger Korrekturfaktor rug Korrekturfaktor in Funktion des Stromes des Umwandlungswiderstandes Verst rkungsfaktor ru l 0 10 20 30 40 50 60 Ladestrom nach der Gasung A Bild 3 2 9 Ladestromabh ngiger Korrekturfaktor t Der Diffusionswiderstand rg wird mit zwei Korrekturfaktoren angepasst 3 2 18 Der Verlauf der Faktoren ist f r rg in Bild 3 2 10 und f r rg in Bild 3 2 11 zu finden 42 2 4 Verst rkungsfaktor rd gl t 2 Verst rkungstaktor rd 2 8 2 6 N nN nm _ mo 1 4 3 Modellierung des Antriebsstranges Korrekturfaktor in Funktion von qi des Diffusionswiderstandes
131. n pmBr Brennstoffmitteldruck Pa bar pme Effektiver Mitteldruck Pa bar pmeO Effektiver Mitteldruck des ungefeuerten VM Pa bar pmGW Mitteldruck des Gaswechsels Pa bar PNGV Partnership for a New Generation Vehicle q Polynomkoeffizient Q Q Ladung C de Entladegrad ia qi Ladegrad f Radius m r Widerst nde n der Ladephase der Batterie Q r Polynomkoeffizient R Widerstand Q R R ckw rtsgang Di Mittlerer Reibradius m S Schnellgang SETAC Society of Environmental and Toxicology and Chemistry Ty Verstellzeit des Kettenwandlers tiber den ganzen S Stellbereich von schnell zu langsam TCL TIK UDK UK UeEnde S UCPTE ULEV VG VM ZEV y Kat An Kat gt Indices aus Batt Batte Batti Br d e EGen ein El EM EMot Fz 8 Verstellzeit des Kettenwandlers ber den ganzen Stellbereich von langsam zu schnell Technisch Chemisches Laboratorium Institut f r Technische Informatik und Kommunikationsnetze Stellsignal der Drosselklappe relative Anpresskraft Entladeschlussspannung Ruhespannung Steuerspannung des Kettenwandlers Union pour la coordination de la production et du transport de l Elctricite Ultra Low Emissions Vehicle Standard Hubvolumen Verstellgeschwindigkeit Verbrennungsmotor Zero Emission Vehicle Standard D mpfung der Reibkupplungen Wirkungsgrad Luftverh ltnis vor dem Katalysator Luftverh ltnis nach dem Katalysator Reibungskoeffizient Tr gheit
132. n Schritt der eine gewisse Subjektivit t beinhaltet die bis heute nicht zu eliminieren ist 7 3 Anwendung des LCA auf den ETH Hybrid II Antrieb 145 7 3 Anwendung des LCA auf den ETH Hybrid III Antrieb 7 3 1 Zielsetzung und Systemgrenzen Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt in einem Vergleich von aufzuwenden der Prim renergie und den Auswirkungen auf die Erw rmung unserer Umwelt durch die verschiedenen Betriebsarten die mit dem Fahrzeug m g lich sind Basierend auf den Wirkkriterien Treibhausgase und Prim renergie unter der Ber cksichtigung verschiedener Stromherstellungsarten in Europa und der Schweiz soll der Einfluss der Betriebsarten verglichen werden Die Beurteilung der vorzuziehenden Energieform ist eine Frage der Betriebsphase ausgehend von einem zur Verf gung stehenden Fahrzeug Demzufolge geht es nicht um die Beurteilung der Herstellung des Versuchs fahrzeuges an sich sondern um diejenigen Komponenten die im Laufe der Nutzung einem Verschleiss unterliegen oder eine reduzierte Lebensdauer aufweisen so dass diese ersetzt werden m ssen Zus tzlich s nd alle Betriebsenergien und stoffe sowie die Entsorgung der jeweiligen Kompo nenten zu ber cksichtigen die f r den Betrieb ber 100 000 km in einer definierten Betriebsweise des zugrunde liegenden Fahrzeuges notwendig sind Unterlegt man eine Jahresfahrleistung von 13860 km als schweizeri sches Mittel f r Personenwagen 4 ergibt dies eine Lebensdauer von etwas
133. n des Rotors der EM und der Zwischenwelle ber cksichtigt werden 3 2 8 Vereinfachungen Der Antriebsstrang wird in betriebswarmem Zustand modelliert Die Kaltstart und Warmlaufphase von VM EM und Getriebe werden vernach l ssigt Der Mehrverbrauch durch erh hte Reibung und verminderte Gemischbildungs und Verbrennungsvorg nge ist nicht ber cksichtigt Dagegen sind die Einfl sse durch Startanreicherung und Ausk hlung w h rend den Stillstandsphasen im Taktbetrieb modelliert Der Antriebsstrang wird als steife Einheit modelliert wobei ebenfalls die Reifendynamik vernachl ssigt wird Die Vereinfachungen bei der Modellierung der Batterien sind direkt in den Kap 3 2 3 und Kap 3 2 4 beschrieben 4 Verbrauchssimulation Die Simulationen dienen zur Ermittlung des Energieverbrauchs des Antriebsstranges in den verschiedenen Betriebsweisen Sie dienen als Grundlage zur Bestimmung des gesamtenergetischen Aufwandes beim Betrieb des Fahrzeuges Es interessieren vor allem diejenigen Betriebszu st nde die durch zwei unterschiedliche Antriebskonfigurationen erreicht werden k nnen z B im Elektro und im Benzinbetrieb Durch die Nennlei stung des Elektromotors von 6 kW ist das Betriebsgebiet demzufolge auf den Geschwindigkeitsbereich von O ca 65 km h bei ebener Fahrt beschr nkt Zus tzlich werden jene Bereiche betrachtet die f r die hybride Fahrstrategie von Interesse sind Die folgenden Berechnungen wurden alle f r das Zielfahrzeug de
134. n erzielt werden 5 1 5 W rmemanagement Unter dem Begriff W rmemanagement werden all diejenigen Funktionen zusammengefasst die dem Zweck dienen die verschiedenen Antriebskom ponenten auf ihre optimale Betriebstemperatur zu bringen oder dort zu hal ten Im Antriebsstrang treten W rmestr me auf zwei Temperaturniveaus auf Der Abgasstrom des VM bewegt sich in einem Temperaturbereich von 250 850 C Demgegen ber werden die W rmeverluste des Motorblocks des Getriebes und der EM auf einem Niveau von 60 100 C ber das K hl wasser abgef hrt Die gew hlte Anordnung der W rmekreisl ufe ist aus Bild 5 1 23 ersichtlich Die zeitgerechte Zu und Abf hrung von W rme mengen innerhalb des Antriebes erfordert einen flexiblen K hl und Heiz kreislauf wm Hauptkreislauf Nebenkreislauf Aufw rmphase Nebenkreislauf Betriebsphase Katalysator J Latentwar mespeicher a Olkiihler Abgasstrom ne a Getriebe Fahrzeug kuhler Elektrische A Hilfspumpe Bild 5 1 23 W rmekreislauf mit dem Haupt und Nebenkreislauf 100 5 Realisierung des Antriebes Wie n Bild 5 1 23 auf der rechten Seite ersichtlich st wurde die Idee verfolgt die W rme der Abgase als Latentw rme zu speichern um den Drei Wege Katalysator ber eine Zeit von bis zu 60 h ein Wochenende auf Betriebstemperatur zu halten Der funktionelle Nachweis einen Katalysator ber 40 Stunden auf Betriebstemperatur zu halten kon
135. nabh ngig vom geforderten Strom sind Entladegrade qe gt 0 8 auf alle F lle zu vermeiden Die nutzbare Energie ist in einem weiten Bereich eine Funktion der geforderten Leistung und ist in Bild 3 2 4 dargestellt Energetischer Entladewirkungsgrad Der energetische Entladewirkungsgrad wird durch das Spannungsverh lt nis der Ruhespannung und der Klemmenspannung gebildet 3 2 13 U N Battewh Ug 3 2 13 38 3 Modellierung des Antriebsstranges Entladegradbegrenzung durch das Entladeschluss Spannungskriterium N ss I ge bei Entladeschlusskriterium Entladegrad 5 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Konstantleistung einer 12V Einheit W Bild 3 2 4 Entladeende der Batterie bei konstanter Entladeleistung Ladezustand Der Ladezustand der Batterie wird anhand der Strombilanz berechnet Als Mass des Ladezustandes dient der Ladegrad q oder der Entladegrad qe 3 2 14 aiie _ VerfuegbareLadung Ah e S Nennkapazitaet mn 3 2 3 2 Ladung Der Ladevorgang wird mit den beiden Kapazit ten Cp f r die Batterieka pazit t und C4 f r die Summe der Polarisation und der Arbeitskapazit t sowie den vier variablen Widerst nden Innenwiderstand r Durchtrittswi derstand ry Umwandlungswiderstand r und Gasungswiderstand r gem ss dem Schema in Bild 3 2 5 modelliert Bei der Riickspeisung aus dem Fahrzeug bestimmt der Fahrerwunsch die zur ckzuspeisende Leistung Bei der Netzladung wird das IUI Ladeverfah
136. ne Drehzahlanpassung eingestellt Die dazu ben tigte Beschleunigungsleistung f r die tr gen Massen fehlt kurzzeitig am Rad wie der Verlauf des Radmomentes in Bild 5 4 3 deutlich zeigt vgl Kap 4 3 2 Im umgekehrten Fall beim Wechsel vom berlandbetrieb zum Takt betrieb muss die Leistung des VM reduziert werden Dazu wird wie in Bild 5 4 4 dargestellt der VM gedrosselt Man k nnte sich berlegen den VM auch ganz abzustellen Diese Betriebsweise f hrt aber bei kurzzeitigen Fahrwunschschwankungen zu h ufigem An und Ausschalten des VM mit dem Nachteil der Startverluste und Emissionsspitzen Die Drehzahl des VM und der Zwischenwelle muss dem Leistungs wunsch angepasst und folglich reduziert werden Die kinetische Energie der Tr gheiten verz gert die Leistungsanpassung an den Fahrwunsch kurzzei tig Dieses unerw nschte Verhalten k nnte mit dem Einsatz des Schwungra des bereinigt werden Anstelle mit dem CVT die Zwischenwelle der Schwungraddrehzahl anzugleichen bevor die Kupplung K3 geschlossen wird k nnte mit einem Schleifen der Kupplung K3 das Schwungrad beschleunigt und die rotierenden Massen in wesentlich k rzerer Zeit verz gert werden Diese Regelung von K3 erfordert aufgrund der Sensitivit t des 5 4 Untersuchungen am dynamischen Pr fstand 119 hydraulischen Regelkreises eine Regelrate die die Leistungsf higkeit des installierten Steuersystems nicht zur Verf gung stellen kann Wechsel vom Taktbetrieb zum
137. ne NiMH Batterie mit 120 V und 45 Ah mit einem Totalgewicht von 104 kg angepasst nach 89 148 7 Bewertung des Energieverbrauchs F r die NiMH Batterie liegen deutlich g nstigere Daten bez glich Lebensdauer und m glichen Ladezyklen vor 6 Die Zyklenzahl ist auch hier wieder stark vom Einsatz der Batterie abh ngig und erreicht Werte von 800 2000 Ladezyklen pro Batterie Bei der NiMH Batterie liegt die Pro blematik vor allem in der Selbstentladung 1 44 Tag nach 41 In 89 wird ein LCI f r eine Bleibatterie und eine NiMH Batterie erstellt welche n Tabelle 7 3 1 f r die im ETH Hybrid IH verwendete Blei batterie und in Tabelle 7 3 2 f r die vorgesehene NiMH Batterie angepasst worden ist Die Daten beziehen sich jeweils f r einen Batteriesatz wie er im Fahrzeug eingebaut oder geplant ist w J Bedarf Energie nicht erneuerbar MJ Bedarf Energie total Tabelle 7 3 3 Beeinflussung der verschiedenen Wirkkategorien durch den Herstellprozess je einer Batterie f r den Betrieb des Zielfahrzeuges In Tabelle 7 3 3 sind die Belastungen der Wirkkategorie GWP und der Prim renergiebedarf des Herstellprozesses der Batterien nach der Verkn p fung der verwendeten Materialien und Energien aufgetragen Detaillierte Ergebnisse aller Wirkkategorien sind in 89 dargestellt 7 3 3 Life Cycle Inventar der Betriebsenergien F r den Betrieb des Hybridfahrzeuges werden vor allem bleifreies Benzin und Strom verbrauch
138. nen Komponenten an unterschiedlichen Standorten entwik kelt worden sind st klar dass eine m glichst modulare Struktur auch des Steuerungssystems notwendig ist Die gew hlte logische Struktur ist in Bild 5 1 25 dargestellt Die Verbindung zwischen den einzelnen Subsystemen erfolgt ausschliesslich ber das Subsystem Observation So k nnen die Schnittstellen modular strukturiert werden und eine berwachung der Funktionst chtigkeit der Systemkomponenten ist m glich Die Spezifikation des ereignisorientierten Teils des Antriebsmanagements erfolgt gem ss der am TIK entwickelten Methode Communicating Inter 5 2 Realisierung des Antriebsystems 103 acting Processes CIP und mit dem gleichnamigen Werkzeug 22 Die kontinuierlich arbeitenden Regelkreise werden in ANSI C geschrieben und in die CIP Struktur integriert Jedes Subsystem Cluster das als zeitsynchroner Bereich betrachtet wird ist einem Transputer zugeordnet der bei Bedarf durch zus tzliche Transputer Slaves unterst tzt werden kann Zwischen den einzelnen Clu stern besteht ein zeitasynchroner Datenaustausch Control System N s ler 3 ER Car amp Wr Driver Gears amp IC Engine Interface Clutches Observation System l l Heat Bild 5 1 25 Logische Struktur des Steuerungssystems nach 83 5 2 Realisierung des Antriebsystems Der Aufbau des Antriebsystems erfolgte in verschiedenen Schritten In der ersten Phase wurden die Einzelkomp
139. nen Kosten und die Vermeidung unn tiger Leerfahrten Bei den Emissionen CO NO Partikel und NMHC werden in den n chsten Jahren sowohl in den USA mit dem Ultra Low Emissions Vehicle Standard ULEV wie auch in Europa mit den Euro III und Euro IV Grenz werten gesetzliche Vorschriften in Kraft gesetzt die den Emissionsausstoss der Personenwagen auf einem sehr tiefen Niveau verlangen Damit wird der Einfluss des Personenwagenverkehrs auf die Luftqualit t auf einige Jahre hinaus reduziert 10 Bei den heutigen Preisen der fossilen Treibstoffe ist der marktwirtschaft liche Anreiz zu verbrauchsarmen Automobilen sehr gering Zudem sp rt der einzelne Kunde direkt sehr wenig von einem reduzierten CO gt Ausstoss So bedarf es zus tzlicher legislativer Massnahmen weil der m gliche Minder aufwand an Treibstoffkosten marktwirtschaftlich zu klein ist oder vielmehr I NMHC sind Non Methan Hydrocarbons und umfassen alle HC Emissionen ausser Methan 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich 3 durch den technischen Mehraufwand bei der Fahrzeugherstellung wieder aufgezehrt wird Eine sinnvolle staatliche Massnahme ist die F rderung zukunftsorientierter Forschungsprogramme wie PNGV Initiative Part nership for New Generation Vehicle 21 in den USA oder Car of Tomor row 3 in der EU die effizientere und emissionsreduzierte Fahrzeuge aktiv f rdern In dieser Arbeit werden ein verbesserter Antriebswirkungsgrad und
140. nen Relativbewegungen f hrt Detaillierte Anga ben sind in 19 zu finden 5 1 4 Stufenloses i7 Getriebe Aus Platzgr nden wird die Hybrideinheit ber eine Kette mit dem Getriebe verbunden Die Lage dieser Kette kann im Bild 5 0 1 erkannt wer den Die Kraft bertragung zwischen dem Antriebsstrang und dem Fahrzeug erfordert im Taktbetrieb eine stufenlose Getriebeeinheit Um den Takt betrieb auch im Ausserortsverkehr nutzen Geschwindigkeiten bis ca 80 km h und die Fahrzeugenergie bis zu tiefen Geschwindigkeiten rekuperi eren zu k nnen ist ein Spreizungsbereich des Getriebes von 20 5 erforder lich Dieser Spreizungsbereich kann durch die Variation der Maximaldreh zahl des Schwungrades unter der Ber cksichtigung der daraus entstehen den Konsequenzen wie ver nderter Speicherinhalt notwendige Festigkeit und der minimalen nutzbaren Fahrzeuggeschwindigkeit f r die Rekupera tion ver ndert werden Er kann aber nicht derart verkleinert werden dass ein einstufiger Kettenwandler beim heutigen Stand der Technik gen gt 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 89 5 1 4 1 Kettenwandler Als stufenloses Verstellorgan wird ein Kettenwandler der Firma P I V Antrieb Werner Reimers GmbH amp Co KG verwendet Bild 5 1 12 Beste Wirkungsgradwerte und ein grosser Spreizungsbereich legen diese Bauart nahe vgl Bild 5 1 14 und 61 Bild 5 1 12 Ansicht des verwendeten Kettenwandlers mit einem bersetzungsbereich von 5 5 Auf den
141. ngen am Rollenpr fstand Die Verbrauchsmessungen f r die Konstantfahrten auf dem Rollenpr f stand werden mit einem Flowtronic Messger t durchgef hrt wobei das Treibstoffvolumen ber das F rdervolumen einer Fl gelzellenpumpe bestimmt wird F r die Bestimmung der Zyklenverbrauchswerte werden die Kohlenstoffbilanzen der Emissionsmessungen verwendet Der Fahrwiderstand des Sharans wird am Pr fstand von den Widerstands werten des Basisfahrzeug abgeleitet Rollwiderstandszahl c 0 0133 Testmasse m 2270 kg Testmasse der Gewichtsklasse Luftwiderstand c A 0 8588 m gem ss Werksangaben 5 5 1 Konstantfahrverbrauchswerte Der Verbrauch fiir Konstantfahrt im Taktbetrieb ist in Tabelle 5 5 1 zusammengefasst Die Messungen wurden mit einem am Priifstand einge stellten Rollwiderstand entsprechend der Rollwiderstandszahl c 0 0106 durchgef hrt Deshalb stellen die Leistungen nicht genau den Verlauf des 122 5 Realisierung des Antriebes realen Fahrwiderstandes dar Der zeitliche Verlauf f r 30 und 50 km h ist in Bild 5 5 1 festgehalten Im Vergleich zum Zielfahrzeug Bild 5 4 1 sind die Taktzeiten k rzer was eine Folge des erh hten Leistungsbedarfs des Fahr zeuges ist Der verschobene Bereich der bersetzungsverh ltnisse entsteht durch den gr sseren Reifenradius beim Sharan Der Verlauf der Geschwin digkeit die von der Abtriebsdrehzahl des Getriebes abgeleitet ist unterliegt leichten Schwankungen Diese Abweichungen
142. nte im Labor erbracht werden 47 Die Erhaltung der Temperatur des Drei Wege Katalysators auf ca 300 C musste sp ter fallen gelassen werden Dichtigkeitsprobleme des Latentw rmespeichergef sses infolge grosser Temperaturdifferenzen im Abgasstrang erzeugten mit dem aggressiven Speichermaterial NaOH eine Gefahr f r die Best ndigkeit der Katalysatorwabe und letztendlich f r die Umwelt Der K hlwasserkreislauf mit einer Betriebstemperatur von 70 80 C teilt sich in einen Hauptkreislauf der im verbrennungsmotorischen Betrieb ben tigt wird und einen Nebenkreislauf der je nach K hlbedarf im ver brennungsmotorischen oder elektrischen Betrieb aktiviert wird Der Hauptkreislauf k hlt den VM Block Zylinderkopf und Motoren l und nimmt die berschussw rme der Abgase auf die den Katalysator gef hrden w rde Temperaturregelung auf 600 C vor Kat Der Hauptkreis lauf liefert dem Latentw rmespeicher aus BaOH der den Phasenwechsel bei 78 C besitzt die erforderliche Heizenergie im Lademodus Die Zirkula tion im Hauptkreislauf wird durch die Wasserpumpe des VM sichergestellt Der Nebenkreislauf k hlt die EM und den Wechselrichter sowie das Hydraulik l des Getriebes Bei starker Rekuperation f hrt der Nebenkreis lauf die W rme des Leistungswiderstandes ab Der Nebenkreislauf verf gt ber eine elektrische Zirkulationspumpe Um den VM m glichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen wird der Latentw rmespeicher genu
143. nzen zu legen so dass die verschiedenen Betriebsarten objektiv verglichen werden k nnen 7 2 Die Methode des Life Cycle Assessments Als ganzheitliche Vergleichsmethode f r Produkte oder Systeme wird das Life Cycle Assessment LCA angewendet das den ganzen Prozess der Herstellung der Materialien f r die Produktion den Betrieb des Systems 140 7 Bewertung des Energieverbrauchs die ben tigte Betriebsenergie und die Aufwendungen f r die Entsorgung Wiederverwendung ber cksichtigt Diese Methode durchl uft momentan den Standardisierungsprozess bei der ISO International Standardisation Organisation und SETAC Society of Environmental and Toxicology and Chemistry 43 71 7 2 1 Beschreibung der LCA Methode Die wichtigsten Voraussetzungen und Merkmale einer Analyse sind Konsistenz Alle betrachteten Systeme sollten mit der selben Vorge hensweise bearbeitet werden Wichtig ist die Verwendung der defi nierten Systemgrenzen und vergleichbare Eingangsdaten f r alle Teilsysteme Transparenz Die Ergebnisse m ssen mit den gemachten Annahmen den verwendeten Eingangsdaten und den vorhandenen Ungenauig keiten begleitet sein so dass die Ergebnisse nachvollziehbar bleiben Vollst ndigkeit Eine Analyse sollte m glichst alle Materialien ber cksichtigen die umweltrelevant sind aber auch alle vor und nachgelagerten Prozesse ber cksichtigen die f r die Produktion Betrieb und Entsorgung des Produktes notwendig sind
144. oben werden kann Der Verbrauch f r Takt und Drosselbetrieb ist in Bild 4 3 1 beispielhaft am Lastschnitt bei 50 km h im Schnellgang dargestellt Man erkennt den Verbrauchsvorteil im Taktbetrieb bis zu einer Leistung von Porenz 12 37 kW Die Vollastleistung des VM bei nyymin 1800 min betragt am Rad 13 54 kW Im Taktbetrieb ist der Verbrauchsanstieg bei stei gender Leistung aufgrund der zunehmenden Start Stop Verluste h her als im Drosselbetrieb Der Drosselbetrieb hat gem ss 91 im Langsamgang keine praktische Bedeutung weil im unteren Geschwindigkeitsbereich die Vollastleistung des VM unterhalb der Leistung PGrenze liegt was ein Umschalten auf den Drosselbetrieb zu einem reduzierten Verbrauch f hren w rde Der obere Geschwindigkeitsbereich im Gang L wird nur unter un blichen Randbedin gungen und kurzzeitig befahren Schwungraddrehzahlen oberhalb der Lade grenze beim Taktbetrieb Deshalb kann auf eine Beurteilung der Leistungs addition im Langsamgang verzichtet werden Der Gesamtwirkungsgrad im Taktbetrieb kann mit der EM verbessert werden falls die elektrische Leistung einen besseren Wirkungsgrad als die Steigung der Verbrauchsgerade im Taktbetrieb in Bild 4 3 1 aufweist Durch die Variation des Wirkungsgrades des Getriebes und des VM variiert dieser Grenzwirkungsgrad ber der Geschwindigkeit wie in Bild 4 3 2 ersichtlich 4 3 Hybride Fahrstrategien 67 ist F r den Langsamgang liegen die Grenzverbr uche im Bereich
145. om I 32 A Die Batterie war bei Entladungsbeginn voll C1 Batterieentladung eines 12V Modul Vergleich Simulation Messung 0 94 0 92 ou Er oS See Me Ste gem G ie nyaaa er nee Hana oO co oO om D Entladewirkungsgrad Messpunkte Simulation 0 82 0 8 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Entladezeit s Bild 6 3 4 Vergleich des Entladewirkungsgrades bei einer Konstantstromentladung von I 32 A zwischen einem 12 V Batteriemodul und der Simulation 7 Bewertung des Energieverbrauchs In diesem Kapitel wird die Methode des Life Cycle Assessments kurz vorgestellt und anschliessend die Bewertung der verschiedenen Betriebs f lle des ETH Hybrid II Antriebes durchgef hrt Das Ziel dieser Betrach tung ist eine Gegen berstellung und Wertung des Einsatzes von Benzin und Elektrizit t im Zielfahrzeug 7 1 Problematik Bei Hybridantrieben stehen mindestens zwei Energieformen zur Erf l lung des Fahrwunsches zur Verf gung Zur Bestimmung des optimalen Energieeinsatzes m ssen die Energietr ger gegen ber gestellt und bewertet werden Hier soll nun der Frage nachgegangen werden wie der Energiever brauch im Fahrzeug und dessen vorgelagerten Prozesse verglichen werden kann um eine m glichst objektive Vergleichsbasis zu schaffen Es stellen sich zwei Hauptfragen a Welches sind relevante Gr ssen und Verfahren die es gestatten die verschiedenen Energieformen objektiv zu vergleichen b Wie sind die Systemgre
146. onenten und das bergeordnete System entwickelt und erprobt VM 19 21 Entwicklung und Anpassung der Regelung 78 85 i CVT Getriebe 76 58 59 EM und Wechselrichter 87 und 49 Steuerungssystem 83 Komponenten und Antriebsstrangmodellierung 73 75 77 Fahrstrategiespezifikation 91 104 5 Realisierung des Antriebes In einer zweiten Phase wurden das Teilsystem VM Schwungradeinheit Steuerungssystem erprobt und verbessert 90 65 56 57 In einer dritten Phase erfolgte die berpr fung der implementierten Fahr strategien und Regelkonzepte am Gesamtantriebsstrang und im Fahrzeug Das System ist vor allem von der Bedienungsseite her und in der Zusam menwirkung der verschiedenen Komponenten mehr als nur die Summe der einzelnen Komponenten Deshalb werden diese zwei Aspekte detaillierter dargestellt 5 2 1 Mensch Maschinen Interface Die manuelle Bedienung der Gesamtheit aller Komponenten w rde den Fahrer bei der Komplexit t des Antriebes berfordern Deshalb stehen dem Fahrer ann hernd die gleichen gewohnten Bedienelemente eines Personen wagens zum Ausdruck seines Fahrerwunsches zur Verf gung Der Fahr wunsch wird dann durch das Steuerungssystem in eine Betriebsstrategie f r die einzelnen Komponenten gegliedert und unter dessen autonomen ber wachung umgesetzt Dem Fahrer stehen folgende Bedienelemente zur Verf gung Fahrpedal Der Winkel entspricht dem Wunschmoment am Rad Bremspedal En
147. part werden Durch den Ersatz einzelner Klau enkupplungen durch regelbare Elemente kann der Schaltkomfort erh ht werden und ein Schaltvorgang ohne Zugkraftunterbrechung ist einfacher realisierbar Diese Massnahmen f hren zu einer Reduktion der Fahrzeugmasse gem ss Tabelle 8 2 1 Im ECE R15 04 Zyklus wird dadurch eine weitere Verbrauchsverbesserung von 15 m glich Zusammen mit einem Antrieb ohne Schwungrad aber mit CVT und unter Ausnutzung der Schwungnut zung sind die Einsparpotentiale f r Prim renergie und GWP20 in Bild 7 4 4 aufgetragen Batteriegewicht kleinere Elektromaschine Entfall des R ckw rtsganges kg Reibungsoptimiertes Schwungradgeh use Tabelle 8 2 1 Masseneinfluss der Anpassungen des ETH Hybrid III Auf der motorischen Seite k nnen durch den Einsatz neuester Technik v a durch den Einsatz eines direkteinspritzenden Benzinmotors im A 1 Betrieb kombiniert mit speicherf higen Katalysatoren wesentliche Fort schritte auf der Emissionsseite wie auch im Wirkungsgrad erzielt werden 8 3 Ausblick 167 Bei der Forderung nach einem rein elektrischen Betrieb kann mit einer Leistungssteigerung der EM auf 15 20 kW auf den Einsatz des Schwungra des als notwendige Beschleunigungsreserve verzichtet werden Dies f hrt vor allem bei Konstantfahrt zur Reduktion der Antriebsverluste F r die Rekuperation kann das Schwungrad weiterhin als effiziente Energiespeiche rung genutzt werden Im Sinne einer stark reduz
148. ptgr ssen des ETH Hybrid III Fahrzeuges 110 5 Realisierung des Antriebes 5 3 2 Anpassungen des Antriebsstranges Am Antriebsstrang sind einige Modifikationen gegen ber dem Aufbau am dynamischen Pr fstand verwirklicht Die wesentlichsten Anpassungen betreffen das Frischluft und Abgassystem des VM den W rmehaushalt und das Steuerungssystem Der Abgaskollektor wurde aus Platzgr nden in eine Vier in Eins Anordnung ge ndert Auf einen W rmetauscher der die Abgastemperatur vor dem Katalysator nach oben begrenzen k nnte wurde verzichtet Die Versuche auf dem Station rpr fstand ergaben Abgastemperaturen unterhalb 900 C m Abgaskr mmer und unterhalb 850 C vor dem Katalysator Der Katalysator ist hinter der Radantriebswelle in Bodenn he positioniert Die Rohre bis zum Katalysatoreintritt sind doppelwandig ausgef hrt um einen schnellen Temperaturanstieg vor dem Katalysator zu gew hrleisten Hinter dem Katalysator geht die Rohrf hrung ins serienm ssige Auspuffsystem ber Der Frischluftsammler wurde dem vorhandenen Bauraum angepasst und die Drosselklappe ist seitlich angeordnet Auf einen Luftmassenmesser wurde verzichtet Der W rmekreislauf ist auf ein Minimum reduziert Auf die Nutzung der Abw rme des Abgases wurde zu Gunsten einer vereinfachten Rohrf hrung verzichtet Auf der Fahrzeugseite entfiel der Anschluss des Heizsystems Ansonsten ist der W rmekreislauf gem ss Bild 5 1 23 ausgef hrt Das Steuerungssystem
149. r 0 92 0 96 als Funktion des Stromes 87 10 o Drehmoment Nm O 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Drehzahl U min 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Wirkungsgrad Bild 5 1 7 Wirkungsgrad der EM im Bordnetzspeisebetrieb Als Batterie wurde urspr nglich eine NiMH Batterie mit 5 kWh Spei cherkapazit t vorgesehen die ber eine gute Energiespeicher und Lei stungsdichte verf gt Sie wurde aber f r den Betrieb am dynamischen Pr f stand und f r den Fahrzeugeinbau aus Kosten und Verf gbarkeitsgr nden durch eine Blei Vlies Batterie 4 56 kWh ersetzt Die Nennspannung der Batterie wurde auf 120 V festgelegt Das zum Betrieb notwendige Batterie managementsteuerger t und das Ladeger t wurden von der Volkswagen AG 84 5 Realisierung des Antriebes zusammen mit den Batterien zur Verf gung gestellt Geladen wird am Netz nach dem Konstantstrom Konstantspannungs IU Verfahren 35 30 D D oO oO nn Drehmoment Nm u oO 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl U min 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Wirkungsgrad Bild 5 1 8 Wirkungsgradkennfeld der EM im Motorbetrieb ohne Wechselrichter gem ss 49 5 1 3 Hybrideinheit Die Hybrideinheit stellt die Schaltstelle der Energiefl sse von und zu den einzelnen Antriebsquellen und Speichern dar Um den Raumbedarf zu mini mieren sind das Schwungrad die EM und die ben tigten drei Reibkupplun gen in einem Geh use in
150. r ETH Z rich Projektleiter des Antriebsstrangprojektes Hybrid III ABB Kraftwerke AG Baden Gruppenleitung Instru mentation amp Control im Bereich kombinierte Gas und Dampfturbinenkraftwerke BMW AG M nchen Entwicklungsingenieur in der Motorenforschung Gebiet Regelungstechnik bei aufge ladenen Motoren und Wasserstoffantrieben Maschineningenieurstudium an der ETH Z rich Vertiefung Verbrennungsmotoren und Regelungstech nik Gymnasium an der Kantonsschule Zug Primarschule in Cham Geboren in Zug
151. r 7 2 i Vschmier 3 2 30 Schmiermax Das l f r den Betrieb des Kettenwandlers wird durch die kleinere Pumpe gef rdert Bei Bedarf unterst tzt die gr ssere Pumpe die lversor gung Der Gegendruck zur F rderpumpe bildet sich in den Momentensenso ren des Kettenwandlers wo das zu bertragende mechanische Moment abgest tzt wird Die Druckmodellierung in den Momentensensoren basiert auf Messungen am Kettenwandler und wird mit zwei Geradenabschnitten ber dem zu bertragenden Eingangsmoment approximiert Dabei wird der Einfluss der aktuellen bersetzung ber cksichtigt vgl 91 oder 76 3 2 6 Reibkupplungen Im geschlossenen Zustand werden die Reibkupplungen als steife Feder elemente modelliert Das Reibmoment der Kupplungen wird analog zum Haft Gleitreibungsverhalten eines auf einer Unterlage bewegten K rpers idealisiert so dass das Gleitreibungsmoment mit r als mittlerem Reibra dius und F als axialer Anpresskraft dargestellt werden kann 3 2 31 M clei MARK rp F 3 2 31 Der Anpressdruck stellt die freiw hlbare Steuergr sse dar Die relative Anpresskraft ug wie nach 3 2 32 definiert i z 3 2 32 amax uK Das bertragbare Gleitmoment ergibt sich aus 3 2 33 tM KGileit YK MkGteitmax 4x 3 2 33 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 49 mit dem maximalen Gleitmoment von BE O i M ecicitmax Mo Mco My e sign A 3 2 34 Dabei werden die konstanten Rutschgrenzen My und di
152. r Entladewirkungsgrad von Ngntlade 0 84 ins Gewicht Zusammen mit dem gegen ber der Bleibatterie reduzierten Ladewirkungsgrad resultiert eine Verbrauchserh hung von 29 Die NiMH Batterie stellt somit vor allem f r den Benzinbetrieb durch die m gliche Massenreduktion des Fahrzeuges eine Alternative dar 4 3 Hybride Fahrstrategien 65 4 2 5 Verbrauchsvergleich des Benzin und Elektrobetriebs In der Tabelle 4 2 3 ist der Verbrauch der verschiedenen Betriebsarten dargestellt Das Fahrzeuggewicht wird mit 1500 kg angenommen Ausge nommen sind die Simulationen mit NiMH Batterien 1410 kg und das Referenzfahrzeug das ber ein Pr fgewicht von 1170 kg verf gt Betriebsart Einheit Konstant Konstant Konstant eit 30kmh SOkmh 70 kmh Referenzfz Handschaltung sv Taktbetrieb mit Bleibatt 1 100 km Taktbetrieb mit NIMH Batt 3 33 339 ja fass Drosselbetrieb 6 1 4 75 47 Iso as Elektro ohne Schwungradab kWh 7 9 8 4 p Bleibatt 100km Elektro mit Schwungrad ab kWh 9 1 8 4 11 77 Bleibatt 100km 12 8 Elektro mit Schwungrad ab kWh 12 5 11 6 12 4 16 0 17 2 Netz mit Bleibatt 100km 13 49 Elektro mit Schwungrad ab kWh 16 5 19 8 15 3 18 3 20 7 24 8 Netz mit NiMH Batt 100km a Vom Referenzfahrzeug sind keine Konstantfahrverbrauchswerte bekannt b Im Taktbetrieb wird das Schwungrad stets ben tigt somit kann die Rekuperation genutzt werden c Elektrobetrieb ohne Schwungrad kein ECE Zyklus fahrbar Ma
153. r Golfklasse mit einem Testgewicht von 1500 kg durchgef hrt 4 1 Benzinbetrieb Im angesprochenen Leistungsbereich lt 6 kW wird mit Benzin im Taktbe trieb gefahren vgl Kap 2 3 4 1 Zu Vergleichszwecken wird derselbe Antriebsstrang im Drosselbetrieb simuliert Dies bedeutet einen Motorbe trieb bei konstant 1800 min wobei die Geschwindigkeitsanforderungen durch das CVT erf llt werden Beide Simulationen gehen von einer Spei sung des Bordnetzes durch die Fahrbatterie aus so dass die EM nicht im generatorischen Betrieb arbeitet und unbelastet mitdreht vgl Kap 2 3 3 1 4 1 1 Konstantleistung im Taktbetrieb Ultimativ wird der Taktbetrieb eine Teillastverbesserungsmassnahme des VM mit dem elektrischen Betrieb verglichen Der ermittelte Verbrauch im Taktbetrieb ist in Bild 4 1 1 dargestellt Der Einfluss der Teillastverbesse 52 4 Verbrauchssimulation rungsmassnahme ist anhand des absoluten Verbrauchsniveaus erkennbar Durch den Taktbetrieb kann bei kleinen Geschwindigkeiten eine Ver brauchserh hung gegen ber dem Minimum deutlich reduziert werden Dies ist eine St rke der Betriebspunktverschiebung des VM Der Verbrauchsan stieg bei kleinen Geschwindigkeiten wird vor allem durch den reduzierten Getriebewirkungsgrad und die st rker ins Gewicht fallende Schwungradrei bung verursacht In Bild 4 1 1 ist der Verbrauch ber der Leistung und der Fahrzeuggeschwindigkeit d h der Raddrehzahl aufgetragen Dadurch wird die Lastab
154. r Vermeidung von grossen Steigun gen und Gef llen Er wurde w hrend dem Feldversuch mit 20 Volkswagen Golf II Hybridfahrzeugen ermittelt 18 und kann wie folgt charakterisiert werden Der Verkehr verh lt sich bez glich Durchschnittsgeschwindigkeit Zeitanteil des Stillstandes gemittelte Beschleunigung in den Beschleuni gungs und Bremsphasen wie der Durchschnitt des ECE R15 04 Zyklus Die Zeitanteile der Beschleunigung und der Verz gerung entsprechen dem FTP 75 Zyklus Die Konstantfahrtzeitanteile und die mittlere Fahrtdauer sind markant kleiner als in beiden Zyklen d h in Z rich wird relativ hek tisch gefahren In diesem Zyklus erzielte der ETH Hybrid III einen Verbrauch gem ss Tabelle 5 4 5 der mit einem Serienfahrzeug Volkswagen Golf MI 1 3 1 44 kW Ottomotor mit einem Pr fgewicht von 1135 kg verglichen wird 18 Zyklus ETH Hybrid II 1 100km Golf III 44kW V 100km Tabelle 5 4 5 Verbrauchsvergleich warm im Ziircher Innenstadtzyklus 5 4 3 Rekuperation Die Koordination des i CVT und der Schwungradeinheit stellt eine not wendige Voraussetzung fiir einen effizienten Rekuperationsbetrieb dar 73 92 Der Wirkungsgrad des Rekuperationsbetriebs kann am dynamischen Pr fstand sehr gut ermittelt werden Dabei stellt das Fahrzeug zur Zeit totar mit der Geschwindigkeit V jar einen Energiespeicher dar Es interessiert nun wieviel von dieser Energie ins Schwungrad transferiert und anschlies send zur ck ins Fahrzeug g
155. r die jeweiligen Erfordernisse erg nzt worden Die Steuerung und Regelung des Antriebsstranges wird in einem Regler und Steuermodell nachgebildet das der Struktur des realen Antriebes weit gehend entspricht und mit dem Spezifikationswerkzeug CIP erstellt wurde 22 Das dynamische Antriebsmodell wird in der Simulationsumgebung Simulink mit der Struktur der Steuerung und Regelung verkn pft so dass mit einem Fahrermodell der Gesamtantrieb simuliert werden kann Detail liert ist dieses Vorgehen in 91 und 93 beschrieben und basiert urspr ng lich auf 77 In diesem Kapitel wird zur Verdeutlichung ein berblick ber die verwendeten Modelle zur Beschreibung der Fahrzeugdynamik und der Wirkungsgradberechnung gegeben Zur Beurteilung des Elektrobetriebes wurde das Batteriemodell aus 91 verfeinert und f r die Blei Vliesbatterie ein neues Batteriemodell erstellt 3 1 Mechanisches Grundmodell Der Antriebsstrang wird durch 4 Tr gheiten modelliert die ber Reib kupplungen und eine starr modellierte Getriebe bersetzung miteinander 3 1 Mechanisches Grundmodell 29 verbunden werden k nnen Bild 3 1 1 Die Elastizit t zwischen den Tr gheiten werden vernachl ssigt Im einzelnen sind dies die Fahrzeugtr g heit Op die Zwischenwellentr gheit y das Schwungrad 0x und die Tr g heit des VM Oyy Die Fahrzeugtr gheit Op bildet die Fahrzeugmasse sowie die rotierenden Fahrzeugteile bis zum fahrzeugseitigen Getriebeeingang ab 3 1 1 D
156. rate gie zur Definition der mittleren Leistung des EM vgl Kap 2 3 3 3 dar Durch die Wahl der Regelparameter kann die Anpassung der Leistung der EM gekoppelt mit der tolerierbaren Abweichung des Schwungrades von der Solldrehzahl beeinflusst werden Eine simulierte Beschleunigung von 10 auf 50 km h ist in Bild 4 2 6 dar gestellt Die Schaltpunkte des Getriebes K gt L und L gt S sind erkennbar durch die kurzzeitige Zur cknahme der Leistung infolge Zugkraftunter bruchs 4 2 Elektrobetrieb 59 Solldrehzahl Schwungrad als Beschleunigungenergiereserve Schwungradsolldrehzahl min 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 4 2 4 Solldrehzahlverlauf des Schwungrades zur Gew hrleistung einer minimalen Beschleunigung im Elektrobetrieb bei einer Fahrzeugmasse von 1500 kg und einem nutz baren Tr gheitsmoment von 8 1 372 kgm Vergleich Leistungsbedarf im E Betrieb ohne Schwungrad n_EM 1800 rpm Leistungsbedart ab Batterie W 8 1000F I 500 ble a un el 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Fahrzeuggeschwindigkeit km h Bild 4 2 5 Auswirkung der Schwungradreibung zur Erhaltung der Beschleunigungsre serve auf den Leistungsbedarf der EM bei Konstantfahrt 60 4 Verbrauchssimulation Beschleunigung im E Betrieb mit Schwungrad Batterieleistung W n_Schwungrad rpm v_Fahrzeug km h P_Batterie 0 10 20 30 40 50 60 70 Zeit s Bild 4 2 6 Beschleunigung im Elek
157. rbetrieb und im elektromotorischen Fahrzeugantrieb kann durch die Serieschaltung der Wicklungsstr nge der ben tigte Stromfluss gegen ber der Parallelschaltung der Wicklungen reduziert und so die Verluste vor allem im Wechselrichter reduziert werden Schalt und ohmsche Leitungsverluste 49 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 81 Die EM bildet eine funktionale Einheit mit der Schwungradgruppe was zu einer kurzen Wirkl nge der Wicklung f hrt Bild 5 1 4 und Bild 5 1 9 Wie in Bild 5 1 4 ersichtlich ist wird der Stator wassergek hlt Der Stator und der Wechselrichter sind in den K hlkreislauf des VM integriert a Cee ete a Me Wie SOTA TPT TTY Ace rere ee Se hei Bild 5 1 4 Ansicht der elektrischen Maschine mit Stator und Rotor Der am gleichen Institut entwickelte Wechselrichter bernimmt die Ansteuerung und Regelung der EM und stellt das Bindeglied zur Gleich stromquelle der Batterie dar Bild 5 1 5 und 37 Zus tzlich wird mit ihm derjenige Anteil der elektrischen Rekuperationsleistung bestimmt der ber einen Leistungswiderstand dem K hlkreislauf zugef hrt wird 82 5 Realisierung des Antriebes Bild 5 1 5 Ansicht des Wechselrichters in IGBT Bauweise mit K hlk rper schwarzer Unterteil Der auf der Basis von IGBT Bausteinen aufgebaute Wechselrichter ver f gt wie die EM ber eine Wasserk hlung die im K hlsystem des Antriebs stranges integriert ist vgl Kap 5 1 5 Die Struktur des elektr
158. rchgef hrt Zusammenfassend kann festgehalten werden dass der Einsatz einer hybriden Fahrstrategie entscheidend durch die Wirkungsgrade in den vorge lagerten Pfaden der Energiebereitstellung beeinflusst wird Wirkungsgrad Wirkungsgrad myndomaleg le Benzinbetrieb ab Tank elektrisch ab Netz Verl ngerung Taktintervall 0 283 0 292 0 655 0 67 Substitution Drosselbetrieb 0 361 0 367 0 655 0 67 Autarker Betrieb 0 30 0 33 a Wirkungsgrad von Tank bis Batterie oder Netz bis Batterie exklusiv n der Batterie Tabelle 4 3 1 Wirkungsgradvergleich im Fahrzeug zur Evaluation einer m glichen hybriden Fahrstrategie 4 4 Erzeugung der Bordnetzspannung Im ETH Hybrid III Fahrzeug kann das 12 V Bordnetz aus zwei Quellen gespiesen werden Einerseits Kann die EM im Generatorbetrieb das Bord netz versorgen Andererseits kann die 12 V Speiseleistung ber einen DC DC Wandler von der 120 V Fahrbatterie entnommen werden Somit stellt sich die Frage wann der generatorische Betrieb gegen ber der Speisung ab Fahrbatterie energetisch effizienter ist Als Sonderfall muss hier der elektri sche Antriebsbetrieb betrachtete werden da die EM motorisch betrieben 72 4 Verbrauchssimulation wird und damit eine gleichzeitige Speisung des Bordnetzes durch die EM nicht m glich ist Wird der gemittelte elektrische Leistungsbedarf von 250 W f r den Betrieb des Antriebsstranges im generatorischen Betrieb bereitgestellt resultiert im Taktbetrieb d
159. rgie ver wendet werden Der Generator kann bis zu 16 kW rekuperieren c Bei eingeschr nkter Aufnahmeleistung der Batterie Batterie ist bereits voll oder die Erw rmung der Batterie beschr nkt den zul ssigen Lade strom kann die berschussleistung im Leistungswiderstand dem K hl wasserkreislauf zugef hrt werden um allenfalls die anderen Aggregate auf Betriebstemperatur zu halten oder als W rme gespeichert zu werden Letztendlich kann die berschussw rme im Luftk hler an die Umgebung abgegeben werden Leistungswiderstand A N NA N N Se E x h K3 Batterie ee F K1 7 Pa Schwungrad CVT Generator Rad Bild 2 3 6 Leistungsfliisse w hrend dem Rekuperationsbetrieb 2 3 4 Fahrstrategien Die Fahrstrategien bilden ein Ensemble von verschiedenen Betriebsarten zur Abdeckung des Zustandsraumes des Antriebsstranges Das Ziel ist den Energieverbrauch unter Einhaltung von unterschiedlichen Randbedingun gen zu minimieren So ergeben sich aus der Vorgabe der Energieform oder durch die Forderung nach maximaler Antriebsleistung solche Randbedin gungen vgl die detaillierte Er rterung in 91 26 2 Konzept des ETH Hybrid III Antriebsstranges 2 3 4 1 Fahrstrategie V Die Fahrstrategie V basiert auf Benzin als alleinig einzusetzender Ener gietr ger Bei einem Fahrleistungsbedarf lt 12 KW f hrt der Kontinuierliche Betrieb des VM nicht zum optimalen Wirkungsgrad Daher wird in diesem Leistungsbereich der
160. rieb teilweise durch die EM zu substituieren Aus Tabelle 7 4 3 sind der Prim renergiebedarf und die GWP20 Belastungen f r die Grenzleistung des Antriebes im Drossel und Benzinbetrieb nach Kap 4 3 1 und Bild 4 3 2 ersichtlich Prim renergie MJ kWh 17 04 17 64 13 63 13 87 GWP20 kg CO Aeq kWh 1 193 1 235 0 954 0 971 Tabelle 7 4 3 Prim renergiebedarf und GWP20 f r die Grenzleistungen des Antriebes im Takt und Drosselbetrieb 160 7 Bewertung des Energieverbrauchs F r den Elektrobetrieb wird nach Bild 4 3 3 ein mittlerer Wirkungsgrad VON Nelektrisch 0 66 verwendet F r die Batterieherstellung wird von einer Lebensdauer von 4 Jahren und 1000 Ladezyklen ausgegangen optimisti sche Annahme nach Tabelle 7 4 1 Damit verursacht die Batterieherstellung einen Prim renergiebedarf von 1 63 MJ kWh und erh ht das GWP20 um 0 087 kg CO aeg KWh Die Gesamtbelastung im elektrischen Betrieb ist in Tabelle 7 4 4 angegeben Ausgehend von der Prim renergie ist eine Substitution sowohl von Takt betriebsleistung wie auch Drosselbetriebsleistung durch den Elektrobetrieb nur bei ausschliesslich von Wasserkraft erzeugtem Strom sinnvoll Unter dem Gesichtspunkt der Treibhausproblematik kann bei langer Lebensdauer der Bleibatterie 1000 Ladezyklen der EM bei nichtfossiler Energieerzeu gung oder im UCPTE Mix zur Taktintervallsverl ngerung eingesetzt wer den Die Annahme einer Lebensdauer von 500 Ladezyklen f hrt zu
161. rung des Antriebes und dessen Integration in ein Versuchsfahrzeug werden in Kapitel 5 dargestellt Im sel ben Kap sind auch die Messergebnisse zu finden In Kapitel 6 folgt ein Ver gleich der Messergebnisse mit den Verbrauchssimulationen Die gesamten ergetische Bewertung der Energieverbr uche wird in Kapitel 7 beschrieben 1 4 Eigene Beitr ge Als Voraussetzung f r einen Vergleich zwischen Simulation und Experi ment erfolgte die Koordination der Realisierung des Antriebsystems ETH Hybrid III Nach der erfolgreichen berpr fung des Benzinbetriebes auf dem dynamischen Pr fstand erfolgte die Integration des Antriebsstranges in einen Versuchstr ger Verbunden mit einer Anpassung des Antriebsstranges wurde die Fahrstrategie f r den Elektrobetrieb implementiert Aufbauend auf den vorhanden Simulationsmodellen des Antriebsstranges wurde f r die Blei Vlies Batterie ein Modell entwickelt F r die energetische Gesamtbeurteilung der Betriebsphase wurde die Ein fliisse der vorgelagerten Prozessketten der Energietr ger und der wesentli chen Bauteile mit reduzierter Nutzungsdauer auf die Verh ltnisse des ETH Hybrid III Antriebsstranges angepasst und bewertet 2 Konzept des ETH Hybrid III Antriebsstranges In diesem Kapitel werden die Zielsetzung die Hauptideen und das Kon zept des Forschungsantriebes ETH Hybrid III dargestellt Ausgehend von den einzelnen Komponenten wird die Struktur des Gesamtantriebsystems erl utert Zusammen m
162. rungssystems In Form von Warnleuchten wird dem Fahrer mitgeteilt Minimale Batteriespannung unterschritten Blinker Fernlicht Handbremse bet tigt Systemfehler des Antriebssystems Bet tigung des Not Aus Schalters Auf den weiteren Anzeigeseiten k nnen Temperatur und Druckwerte der verschiedenen Antriebskomponenten angezeigt werden F r die Entwick lung und Abstimmung von spezifischen Komponenten k nnen zus tzliche Bildseiten durch das am TIK und am LVV entwickelte Werkzeug zeit effizient implementiert werden 106 5 Realisierung des Antriebes 5 2 2 Regelungskonzepte Die Komplexit t der Steuerung und Regelung des Antriebes erfordert eine klare Strukturierung und Hierarchiebildung zwischen den verschiede nen Aufgaben Die notwendige Kaskadierung wird durch die zu verarbei tende Menge an Informationen unterschiedlicher Geschwindigkeitsklassen untermauert Die gew hlten Hierarchieebenen sind aus Bild 5 2 1 ersicht lich wo beispielhaft die Struktur des Clusters M Mechanical zu sehen ist I Fahrer no system l Strategy F Grenz und i l l l N Schwellwerte Teilsystem I Koordination EnergyFlow Transmission Hi l Control i Control eae i ir m Komponenten regler ChangeGear Control l Bild 5 2 1 Logische Struktur der Steuerung und Regelung am Beispiel des Clusters M Mechanical Zur
163. s I zum 5 fachen Strom einer C Entladung dar Der Verlauf von Ry in Abh ngigkeit des Batteriestromes ist in Bild 3 2 2 dargestellt Durchtrittswiderstand einer 12V Batterieeinheit 0 019 o amp a Durchtrittswiderstand Ohm 8 p i gt J ul Oo 0 017 0 10 20 30 40 50 60 Batterieklemmenstrom A Bild 3 2 2 Durchtrittswiderstand R in Funktion des Klemmenstromes Die Leitungswiderst nde der Platten und des Elektrolyten bilden den ohmschen Widerstand R in 3 2 8 Dabei ist der Einfluss des Elektrolyten gem ss 68 dominant ry Up Die Koeffizienten in 3 2 11 lauten rp 0 056 Q r 2 02 mQ k 0 98 und k 10 80 V Der Einfluss von Entladegrad qe und Klemmenstrom I auf R ist in Bild 3 2 3 aufgetragen Der Entladeschluss wird vorwiegend durch R bestimmt 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 37 Ohmscher Widerstand in Funktion von Entladegrad und Strom w Ohmscher Widerstand Ohm D ho oi ho 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 t Entladegrad qe Bild 3 2 3 Ohmscher Widerstand in Funktion des Entladegrades q und der Klemmen stromst rke I 7 5 Cs5 5 Cs5 2 5 Cs5 Cs 0 5 Cs5 Entladeschlussbedingung Als Entladeschluss wird die Unterschreitung der Klemmenspannung unter die Entladeschlussspannung Uer de bezeichnet Nach 30 ist der Beginn des Tiefentladebereiches eine lineare Funktion des Stromes 3 2 12 Unde 10 32V 0 01579 1 3 2 12 U
164. s Versuchsfahrzeuges Das Zielfahrzeug war ein Fahrzeug der VW Golf Klasse Ein Modell wechsel w hrend der Projektdauer f hrte zu neuen Masse und Leistungsda ten Die Eckdaten des urspr nglichen Golf II und des neuen Fahrzeuges Golf III sind in Tabelle 5 3 1 dargestellt 108 5 Realisierung des Antriebes bs ance Basisauslegung Eigenschaft VW Golf II VW Golf IH Z Fahrzeugmasse leer ke 900 Aquivalente tr ge Masse kei 5 Luftwiderstand c A Rollwiderstandbeiwert c o o oo Motor Hubvol Leistung Tabelle 5 3 1 Hauptgr ssen des urspr nglichen Zielfahrzeuges und des Vertreters der Golf Klasse im Jahre 1996 5 3 1 Hauptdaten des Versuchsfahrzeuges Der Antriebsstrang wurde f r Fahrversuche in einen Volkswagen Sharan eingebaut Bild 5 3 1 Diese Plattform wurde aus Platzgr nden gew hlt da die Gesamtanordnung an verschiedenen Teilen Sicherheitszugaben auf weist bauraumtechnisch nicht optimiert ist und eine erhebliche Anzahl Sen soren und Aktuatoren im Antrieb integriert sind Die Hauptdaten des Fahr zeuges sind in Tabelle 5 3 2 zusammengefasst Gegen ber dem urspr ngli chen Seriengewicht des verwendeten Sharan Basisfahrzeuges sind im Ver suchsfahrzeug zus tzliche 435 kg vorhanden Dabei sind verschiedene Hal ter aus Stahi gefertigt die in einem weiteren Schritt durchaus durch Leicht metalle ersetzt und in ihrer Tragfunktion verbessert werden k nnen Zus tz lich ist in diesem Gewicht
165. sind durch die menschliche Bet tigung des Gaspedals gekoppelt mit der begrenzten Aufl sung der Geschwindigkeitsanzeige im Fahrzeug begr ndet Im Elektrobetrieb erge ben sich Verbrauchswerte gem ss Tabelle 5 5 2 Geschwindigkeit km h Radleistung kW Benzinverbrauch 100km Wirkungsgrad en 8 706 5 58 0 246 Tabelle 5 5 1 Konstantfahrverbrauch des Sharan auf dem Rollenpr fstand Geschwindigkeit km h Radleistung kW Batterieleistung kW Wirkungsgrad 0 831 3 246 0 256 1 360 3 897 0 349 1 730 4 042 0 428 2 756 5 230 0 527 Tabelle 5 5 2 Konstantfahrverbrauch im elektrischen Betrieb des Sharan auf dem Rollenpriifstand Verbrauch ab Bleibatterie 5 5 Untersuchungen am Rollenpr fstand 123 w oO N Geschwindigkeit km h oO O _D n_Schwungrad 1 min N je oO n_Schwungrad t min N_Motor n_Motor nD s Fea ra Wandler bersetz O 20 40 60 80 100 O 20 40 60 80 100 Zeit s Zeit s Bild 5 5 1 Geschwindigkeit Motor und Schwungraddrehzahl und ber setzungsverh ltnis des Kettenwandlers f r 30 km h links und 50 km h rechts des ETH Hybrid III Versuchsfahrzeuges auf dem Rollenpriifstand 5 5 2 ECE R15 04 Zyklus Durch den erh hten Leistungsbedarf variiert die Anzahl der Ladezyklen des Schwungrades Bild 5 5 2 Als Folge ver ndern sich auch die Betriebs punkte des Schwungrades und dess
166. spezifischen Land als Grund lage f r eine Beurteilung eines Einsatzes in einem einzelnen Land c Die Verwendung des Grenzstroms Herstellverfahren der Spitzenlast resp der Last nderung als Einflussfaktor bei der Erh hung des Verbrauches Dies ist in den meisten L ndern Steinkohle mit Aus nahmen F N CH 1 UCPTE f r Union pour la coordination de la production et du transport de l lectricit 7 3 Anwendung des LCA auf den ETH Hybrid HI Antrieb 151 d Betrachtung von Wasserenergie als m glichen Energietr ger mit dem Potential einer nachhaltigen Nutzung e Betrachtung von Nuklearenergie als heute eingesetzte Technologie die nicht prim r auf fossilen Brennstoffen beruht f Verwendung von Brenngas als heute moderne fossile Technologie mit g nstigen Wirkungsgraden Kombikraftwerke Neben den Herstellverfahren die in einem spezifischen Land installiert sind wird eine Bilanzierung der Stromproduktion auch durch die Importe und Exporte beeinflusst Bewertet man die Exporte zu den im Land erzeug ten Bedingungen und bestimmt den Inlandkonsum durch die Addition der verbleibenden Inlandproduktion und des Importes erh lt man exemplarisch f r die Schweiz die zweite Spalte in Tabelle 7 3 6 Die energetische Auftei lung der Stromproduktion gemittelt ber die Jahre 1990 1994 in Europa UCPTE und der Schweiz sind ebenfalls in Tabelle 7 3 6 zu finden Schweiz SCHWEIZ Herstellungsart Eigenproduktion und Inlandproduktion
167. stufenlose Getriebe mit den Hydraulikaggregaten zu sehen In der rechten Bildh lfte ist der VM sichtbar 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten Die Realisierung des ETH Hybrid III Antriebsstranges baut teilweise auf bestehenden Komponenten auf VM W rmemanagement die anwen 76 5 Realisierung des Antriebes dungsspezifisch angepasst werden Andere Komponenten Getriebe Schwungradeinheit inklusiv Kupplungen EM inklusiv Wechselrichter Steuerungssystem in Hard und Software wurden vollst ndig neu entwik kelt Die Realisierung der Komponenten erfolgte im Zeitraum 1991 1996 Anschliessend wurde der Gesamtantrieb auf einem dynamischen Pr fstand getestet und f r den Einbau n einem Versuchsfahrzeug angepasst der 1997 98 realisiert worden ist 5 1 1 Verbrennungsmotor 5 1 1 1 Motorseitige Anpassungen Als Basis wird ein 4 Zylinder Ottomotor der Volkswagen AG mit einem Hubvolumen von 1 3 Litern 2 Ventile pro Zylinder mit 53 kW Nennlei stung bei 5500 min und Einzelzylindereinspritzung verwendet Der VM wurde was die Hardware betrifft am Laboratorium fiir Verbrennungsmoto ren und Verbrennungstechnik LVV auf die Erfordernisse des Taktbetriebes angepasst Eine detaillierte Beschreibung ist in 19 zu finden Die Anpas sungen umfassen e Entfernung des originalen Schwungrades e Anpassung des Kurbelwellenendes Abst tzung der Zwischenwelle in der Kurbelwelle Flansch als Halterung der Kupplungsscheibe der Reibkupplung K1
168. t Zus tzlich wird f r den Benzinbetrieb Motoren l ben tigt Das Getriebe l die Bremsfl ssigkeit das K hlwasser und das Waschwasser wird nicht ber cksichtigt da diese Betriebsmittel sowohl im elektrischen wie im Benzinbetrieb Verwendung finden 7 3 Anwendung des LCA auf den ETH Hybrid II Antrieb 149 Der VM erfordert alle 15000 km einen Wechsel der 4 Liter Motoren l Aus Einfachheitsgr nden und unter Ber cksichtigung dass die Menge unter 1 der umgesetzten Treibstoffmenge liegt wird das Motoren l nicht sepa rat untersucht und dem Verbrauch an Benzin zugeschlagen 7 3 3 1 Bleifreies Benzin Als Treibstoff f r den ETH Hybrid III Antrieb wird bleifreies Benzin mit der Oktanzahl 95 verwendet Die gemittelte Zusammensetzung des Treib stoffes nach 24 ist in Tabelle 7 3 4 dargestellt Der Prim renergiebedarf zur Verf gbarmachung des Benzins im Regionallager variiert zwischen der Schweiz und Europa Die Unterschiede in der Raffinerietechnologie und m Strommix sind f r diese Differenz haupts chlich verantwortlich 24 gen fon o o fee ICH ooo fe oo fe ie arms om Tabelle 7 3 4 Mittlere chemische Zusammensetzung des Benzins in der Schweiz Auf der Seite des Energietr gers Erd l m ssen vom Roh l 14 5 in der Schweiz und 15 3 im europ ischen Durchschnitt f r die vorgelagerten Prozesse des Benzins aufgewendet werden Beim Aufwand der Prim rener gie ist der Aufwand deutlich gr sser Zur Erzeugung von B
169. te EN been paves _ 4 Fahrzeug If Pf yd geschwind EEES dea dpe piel einen 3000 20001 v_Fahrzeug km h 100 n_Schwungrad min 1 Batterieleistung W 0 50 100 150 200 250 Zeit s Bild 4 2 7 Teil eines ECE R15 04 Zyklus im Elektrobetrieb Die Batterieleistung ent spricht dem Leistungsbedarf fiir den Antrieb des Fahrzeuges 4 2 4 Einfluss des Batterieladegrades auf den Verbrauch Der Ladungszustand der Batterie ist unter anderen eine verbrauchsbeein flussende Gr sse Da aber der Ladezustand auch von der Vorgeschichte abh ngig ist und nicht alleine an die Fahrweise des Fahrzeugs gekoppelt ist wird die Ermittlung des Energiebedarfs des Fahrzeugs im Elektrobetrieb aufgeteilt 4 2 4 1 Bleibatterie Die Bleibatterie modelliert gem ss Kap 3 2 3 wird f r eine Nettolei stung von 6 kW mit Str men bis zu einer C Rate von Cp belastet Der energetische Entladewirkungsgrad ist in Bild 4 2 8 dargestellt dabei ist zu beriicksichtigen dass bei hoher Batteriebelastung nicht die gesamte Ener giekapazitat der Batterie genutzt werden kann vgl Bild 3 2 4 62 4 Verbrauchssimulation Beim Ladungsvorgang treten bei kurzzeitiger Rekuperation lt 30 s neben den Verlusten durch hohe Leistungen auch Verluste durch eine verz gerte Ladungsannahme der Batterie auf Die station ren Ladewirkungsgrade sind aus Bild 4 2 9 erkennbar Durch die verz gerte Energieaufnahme der Batterie gewinnt
170. tegriert Bild 5 1 9 Die Hybrideinheit ist direkt an den Motorblock des VM angeflanscht und die Zwischenwelle ist fliegend in der Kurbelwelle gelagert Der Stator der EM bernimmt eine tragende Rolle im Aluminiumgeh use der Hybrideinheit 5 1 3 1 Schwungrad Ein Energiespeicher ist die Voraussetzung f r die Realisierung des Takt betriebes und wird auch f r die Rekuperation ben tigt vgl Kap 2 3 und 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 85 grunds tzlich in 36 und 37 Die Wahl eines Schwungrades als Kurzzeit energiespeicher wurde in 19 eingehend untersucht und kann wie folgt zusammengefasst werden Das Schwungrad reduziert die erforderlichen Energieumwandlungen da die Energie in Form von mechanischer Energie gespeichert wird Dies ist sowohl im Taktbetrieb wie auch im Rekuperation sbetrieb vorteilhaft Ein direkter Antrieb des Schwungrades bedingt begrenzte Drehzahlen die durch den Betriebsbereich des VM gegeben sind Die ber hrende Dichtung die durch die mechanische Koppelung unum g nglich ist erfodert im Vakuumbetrieb eine Vakuumpumpe die etwa die Betriebsenergie ben tigt die der Reduktion der Luftreibungsleistung ent spricht die durch das Vakuum erm glicht wird Bei hochdrehenden Schwungr dern werden die Leistungsfl sse ins Vakuumgeh use elektrisch transferiert was wieder eine zweimalige Energieumwandlung mit sich f hrt Die gew hlte Form des Schwungrades ist im Schnitt in Bild 5 1 9 und in der Ansic
171. tehenden Speicherkapazit t im Vor dergrund was zu h heren Ladeleistungen und zu zus tzlichen Ladeverlu sten zwischen 5 7 f hren kann EEE En Prim renergie MI KWh 11 236 18 656 12 85 18 08 6493 GWP20 kg CO 0 758 0 049 1 671 1 330 0 025 Ca 023 Aeq kWh Tabelle 7 4 5 Prim renergiebedarf und GWP20 fiir netzgespiesene Elektrizit t an den Batterieklemmen 7 4 4 Bordnetzspeisung Wie in Kap 4 4 dargestellt ben tigt die erforderliche Bordnetzspeisung von elektrischen 250 W DC bei 12 V Spannung einen Zusatzbenzinbedarf von 0 118 i h sofern die Leistung ber den generatorischen Betrieb der EM erbracht wird Die daf r erforderliche Prim renergie und die emittierten GWP20 relevanten Emissionen sind in Tabelle 7 4 6 zusammengefasst Demgegen ber steht die erforderliche elektrische Netzleistung von 379 383 W nach Tabelle 4 4 1 bei einer Speisung ab Fahrbatterie 162 7 Bewertung des Energieverbrauchs IT sm se em Tabelle 7 4 6 Energetischer Aufwand und GWP20 f r die Erzeugung der Bordnetzversorgung 250 W ab Generator im Benzinbetrieb Alle Werte inkl die vorgelagerten Prozesse bis zum Regionallager und im Fahrzeug Ben tzt man die Fahrbatterie ausschliesslich f r die Speisung des Bord netzes entspricht das unter den Randbedingungen gem ss Kap 7 3 1 und der Annahme einer mittleren Jahresgeschwindigkeit gem ss NEFZ von 33 6km h 35 Batterieladezyklen Somit wird die Lebensdauer der Batteri
172. tellt der parallele Hybridantrieb von Ford und der IKA Aachen dar In einen Ford Turnier wurde ein 3 Zylinder 1 2 Zweitakt Ottomotor 50 kW Nennleistung zusammen mit einem Asynchronmotor 20 kW Dauer und 40 kW Spitzen leistung eingebaut Das Fahrzeug wird ber ein 4 Gang Automatikgetriebe angetrieben 8 9 vgl Bild 1 2 3 Beide Motoren haben gen gend Lei stung um das Fahrzeug bei reduzierter Leistungsanforderung anzutreiben 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich 9 Im Hybridbetrieb wird in der Ebene bis 65 km h elektrisch gefahren sofern der Fahrwunsch nicht oberhalb der H chstleistung der Elektromaschine liegt entspricht st dtischem Zentrumsverkehr Oberhalb 65 km h wird prinzipiell mit dem Verbrennungsmotor gefahren Bei Spitzenleistungsbe darf liefern beide Antriebsaggregate Leistungsanteile D_Takt Elektromotor Ottomotor 4 Gang Automatik getriebe Bild 1 2 3 Schema des Ford IKA Parallelhybridkonzeptes Zwei weitere Parallelhybridkonzepte sollen auch vor Augen f hren wie schwierig diese Einteilung ist und wie fliessend die berg nge bei den sehr unterschiedlichen Hybridkonzepten sein k nnen Autarker Hybrid Der Prius von Toyota wurde zur Serienreife entwik kelt In diesem Hybridkonzept wird ein direkteingespritzter Benzinmotor 1 5 1 Hubraum mit 43 kW ein Planetengetriebe als stufenlose berset zungseinheit mit der M glichkeit einer elektrischen Leistungsverzweigung d h mit getrenn
173. tem Generator 44 kW und dem Antriebsmotor Rekupera tor permanent erregte Synchronmaschine mit 30 kW und als Energiespei cher eine Nickelmetall Hydrid Batterie eingesetzt 5 94 vgl Bild 1 2 4 Dabei ist der Generator mit dem Sonnenrad des Planetensatzes verbunden Der Benzinmotor ist mit dem Planetentr ger verbunden und der Antriebs motor mit dem Sternenrad Mit dem Drehzahlverh ltnis der drei Motoren und dem St tzmoment kann der Leistungsfluss zwischen den Antriebsein heiten stufenlos verteilt werden Zu bedenken ist bei diesem Konzept dass ohne den elektrischen Leistungspfad kein stufenloses Getriebe zur Verf gung steht Diese Anordnung kann sowohl in einer parallelen wie auch in einer seri ellen Anordnung betrieben werden Generator und Elektromotor dienen zur 10 l Einf hrung Variation der Drehzahl und zur Steuerung der Leistungsverzweigung Dadurch ist dieses Konzept nicht mehr eindeutig als paralleler oder serieller Hybridantrieb zu klassifizieren Sicher ist es kein Dual Mode Hybrid obwohl die Motoreinheiten ann hernd gleich stark sind Die Batteriekapazi t t mit 1 8 KWh ist f r einen rein elektrischen Betrieb bei st dtischen Ver kehrsverh ltnissen viel zu klein Dementsprechend wird der Prius nur bei Geschwindigkeiten lt 20 km h rein elektrisch betrieben sofern dies der Ladezustand der Batterie erlaubt Die Batterie wird ausschliesslich ber die Bremsenergierekuperation oder den Generator geladen und verf gt
174. ten wandlers werden fiir den Zug oder den Schubbetrieb in allen Gangstufen ermittelt Das detaillierte Vorgehen ist in 91 beschrieben 3 2 5 2 Hydraulisches Hilfssystem Das hydraulische Hilfssystem umfasst die beiden Zahnradpumpen den Hochdruckspeicher und die hydraulischen Aktuatoren Die Hauptverbrau cher sind die Kettenwandlerverstellung und die Schmier lversorgung des Getriebes Dazu kommen die Bet tigung der Klauenkupplungen zur Gang wahl im Getriebe und der Reibkupplungen in der Hybrideinheit Das Schema und die Modellierung sind in 72 beschrieben Die Hydraulikpumpen werden wie der VM und die EM mit einem kon stanten und einem lastproportionalen Verlustmomentenanteil modelliert Die Werte basieren auf eigenen Versuchen 16 Der Gegendruck im Hydrospeicher wird durch das komprimierte Stickstoffvolumen und somit vom F llungsgrad bestimmt Mitber cksichtigt wird der W rme bergang zwischen Ol und komprimierten Stickstoff Die ben tigten Olvolumina f r die Klauen und Reibkupplungsbet ti gung werden jeweils bei der Bet tigung als diskret auftretende Ereignisse modelliert und zur Anpassung des Speicherdruckes verwendet 48 3 Modellierung des Antriebsstranges Der lstrom zur Schmier lversorgung wird von der gr sseren Pumpe gegen eine Drossel gef rdert Der Maximaldruck wird auf 5 bar eingestellt Der Gegendruck zur Pumpe kann ber die Bernoullische Druckgleichung formuliert werden 3 2 30 PSchmiermax 2 PSchmie
175. terie q 1 Der Ladegrad ist dementsprechend bei leerer Batterie qj 0 und bei voller Batterie qj 1 34 3 Modellierung des Antriebsstranges Im weiteren werden Langzeiteffekte Selbstentladung w hrend einer Stand zeit Alterungseffekte vernachl ssigt Eine Streuung der elektrischen Eigenschaften der einzelnen Module wird vernachl ssigt HAGEN drysafe 80380 Batterie berblick 97 30 64 Energiedichte Wh l nn Rn a Bei einer Strombelastung von 5 Cs Tabelle 3 2 1 Leistungsdaten der gew hlten Bleibatterie im Vergleich zu Bleibatterien verschiedener Gr sse und Hersteller Stand 1997 Im folgenden werden die Eigenschaften eines 12 V Moduls beschrieben 3 2 3 1 Entladung Die Entladung wird mit einer Kapazit t Cp als Energiespeicher und mit drei variablen Widerst nden f r den ohmschen Widerstand R den Durch trittswiderstand Ry und den Konzentrationswiderstand Ry modelliert Bild 3 2 1 Die Ruhespannung Up stellt die Spannung der Batterie im unbelaste ten Gleichgewichtszustand I 0 dar Sie wird nach 6 als eine lineare Funktion des Ladegrades q oder des Entladegrades qe modelliert 3 2 6 1 4q GE Up n Ep i P azo fe 3 2 6 ers ers Mit der Gleichgewichtspotentialdifferenz Ep 1 931 V einer Pb Batterie mit 1 molarer Schwefels ure n 6 als der Anzahl Einzelzellen pro Batte riemodul dem S urekonzentrationskoeffizient k 1 095 und mit der relati ven Ersatzkapazit t
176. triebes des ETH Hybrid III mit einem Spreizungsbereich von ber 20 beinhaltet einen stufenlosen Kettenwandler und eine Zwei Gang Schaltung zur Umkehrung des Leistungsflusses durch den Kettenwandler Somit kann die Spreizung des Kettenwandlers quadriert werden i Anordnung Das Prinzip ist in Bild 5 1 15 dargestellt Das Kon zept dieser Getriebeanordnung ist im Detail in 36 und 37 aber auch in 61 beschrieben Die konstruktive Auslegung und Realisierung erfolgte in Zusammenarbeit mit der Forschungsstelle f r Zahnr der und Getriebe der TU M nchen FZG Auf die Realisierung wird in 19 eingegangen Die Zahnrad bersetzungen in Bild 5 1 16 sind zwischen den Wellen mit den Kupplungen la und 2a resp Ib und 2b so gew hlt dass sie mit der gew nschten Synchron bersetzung des Kettenwandlers bereinstimmen Im Umschaltpunkt drehen theoretisch alle vier Klauenkupplungen mit dersel ben Drehgeschwindigkeit Im realen Betrieb k nnen leichte Abweichungen durch den im Kettenwandler auftretenden Mikroschlupf entstehen 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 91 Kettenwandierwirkungsgrad bei n_Eingang 745 1 min Eingangsdrehmoment Nm 0 6 0 8 1 12 1 4 1 6 1 8 2 2 2 bersetzungsverh ltnis Kettenwandlerwirkungsgrad bei n_Eingang 3000 1 min 250 S Eingangsdrehmoment Nm an O 100 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 2 2 Ubersetzungsverh ltnis Bild 5 1 14 Wirkungsgradkennfelder des im ETH Hybrid HI Antrieb
177. trobetrieb unter der Ausnutzung des Schwungrades ca 10 5 kW Bis zur Zeit von 40 Sek wird das Schwungrad geladen Zwischen Sek 50 60 findet die Beschleunigung auf 50 km h statt 4 2 3 Verbrauch im europ ischen Stadtzyklus ECE R15 04 Im elektrischen Betrieb erfolgt die Speisung des Bordnetzes ab Fahrbatte rie da die elektrische Maschine zumindest in den Phasen der positiven Lei stungsabgabe nicht generatorisch arbeiten kann Der Verbrauch ab Batterie ist in Tabelle 4 2 1 dargestellt Testzyklus Verbrauch ECE R 15 04 mit Beschleunigungsreserve im Schwungrad kWh 100km 11 65 a Der Verbrauch bel uft sich auf 12 77 kWh 100km falls die anf ngliche Beschleunigung des Schwungrades vom Stillstand auf 4700 min dem Zyklus belastet wird Tabelle 4 2 1 Stromverbrauch ab Batterie ohne Speisung des Bordnetzes In Bild 4 2 7 ist der erste Teil eines ECE Zyklus dargestellt Die ersten 40 Sekunden werden ben tigt um das Schwungrad auf die erforderliche Dreh zahl zu beschleunigen d h die Beschleunigungsreserve aufzubauen Es ist erkennbar dass w hrend des ECE Zyklus nicht in die Batterie sondern in 4 2 Elektrobetrieb 61 das Schwungrad rekuperiert wird Zudem sind die Gangwechsel am Verlauf der Batterieleistung erkennbar In den Schaltzeiten wird die Leistung infolge Zugskraftunterbruchs zur ckgenommen Erster Teit des ECE R15 04 Zyklus im E Betrieb oO oO oO Batterieleistung 60007 5000 He pon
178. tspricht heutigem Seriengebrauch wirkt direkt auf die Radbremsen und wird durch den Antriebsstrang nicht beeinflusst Gangwahlhebel Wie bei Automatikgetrieben k nnen die Fahrpro gramme P parken R r ckw rts N neutral D vorw rts gew hlt werden Rekuperationshebel Im Fahrprogramm D bernimmt der Gangwahl hebel eine weitere Funktion Anstelle der blichen Schaltung der Ein zelg nge des Automatikgetriebes kann hier ein kontinuierlicher Winkel berstrichen werden Der Winkel entspricht dem Rekuperationsmo mentenwunsch am Rad Der Winkelbereich wird durch das Steuerungs system bei eingeschr nkter Rekuperationsleistungsf higkeit z B Schwungrad bereits gef llt begrenzt 5 2 Realisierung des Antriebsystems 105 Fahrstrategiewahlschalter Wahl zwischen den Fahrstrategien Elek tro oder Verbrennungsmotorbetrieb eine hybride Fahrstrategie w re m glich Z ndschl ssel Starten und Abschalten des Antriebsstranges Dem Fahrer werden ber ein Display auf mehreren Anzeigeseiten Infor mationen ber den Zustand des Antriebsstranges und des Fahrzeugs vermit telt Die Grundanzeige verf gt ber Analog dargestellte Instrumente Fahrzeuggeschwindigkeit Drehzahlen von VM EM Schwungrad bersetzungsverh ltnis des Kettenwandlers Benzintank und Batterief llstand In textlicher Darstellung wird angezeigt Gew hlte Fahrstrategie Eingelegter Gang Zustandsmeldung des Systems Warnungen des Steue
179. tzt den VM vorzuw rmen oder die Warm laufphase zu verk rzen 50 Bei entsprechend geschaltetem Kreislauf ver bindet die elektrische Pumpe den Latentw rmespeicher und den VM und pumpt das K hl Heizwasser zum VM Der Fahrzeugluftk hler wird ber einen mechanischen Thermostaten zum K hlkreislauf geschaltet 5 1 Realisierung der Antriebskomponenten 101 5 1 6 Steuerungssystem Das Steuerungssystem des ETH Hybrid III Antriebes muss folgenden Anforderungen gen gen Fahrzeugtauglichkeit Flexibilit t der Konfiguration unterschiedlichen Aufbauten an den Komponentenpr fst nden Kompatibilit t zu modernen Entwicklungswerkzeugen automatisierte Code Generierung Am TIK wurde ein Steuerungssystem gem ss den oben genannten Anfor derungen entwickelt 82 und 83 5 1 6 1 Hardware Das Steuerungssystem verf gt ber eine zentrale Rechnerarchitektur mit einem Netzwerk von Transputern dessen Rechenleistung den Anforderun gen angepasst werden kann Dabei wird mit einer Grundkonfiguration die Messsignalaufbereitung die Datenausgabe an den Prozess und die Kommu nikation zum Systemben tzer sichergestellt Alle weiteren Transputer k n nen modular in das Netzwerk integriert werden Durch eine spezielle Verteilschaltung k nnen die aktuellen Messdaten bei den erforderlichen Transputern zeitgleich zur Verf gung gestellt werden Die Datenausgabe an den Prozess erfolgt asynchron d h sobald die Stell gr ssen ermittelt sind werd
180. tzung des Kettenwandlers igw gem ss Tabelle 3 2 3 angegeben wer den Kriechgang K Langsamgang L Schnellgang S Tabelle 3 2 3 bersetzungsverh ltnis der drei G nge des i CVT 3 2 5 1 Der Kettenwandler Die bersetzung des Kettenwandlers wird durch das Drehzahlverh ltnis der beiden Pulleys definiert Bild 5 1 13 Das bersetzungsverh ltnis igw ist f r beide G nge L und S identisch definiert so wird durch diese Umkehr des Kraftflusses die Auswirkung auf die Getriebe bersetzung invertiert vgl Tabelle 3 2 3 Die relative Verstellgeschwindigkeit VGxyw des ber setzungsverh ltnisses ist durch den lstrom zwischen den Halbkegelschalen bestimmt und ist somit hydraulisch limitiert 3 2 28 Die Herleitung ist in 76 zu finden dixy dt i VGpy mit VGkwmax 15 8 2 28 Ikw Das Verlustmoment des Kettenwandlers Myxy umfasst die Verluste der Kette und der Lagerung der Pulleys nicht aber dasjenige der hydraulischen Hilfsenergie die separat modelliert wird Die Drehzahl Last und ber setzungsabh ngigkeit des Verlustmomentes ist aus Bild 5 1 14 ersichtlich 3 2 Wirkungsgradmodelle der Komponenten 47 Modelliert wird das Verlustmoment mit einem doppelt quadratischen Ansatz 3 2 29 2 2 mit a a lew t Ay ley az b c analoger Ansatz in ipy 3 2 und a 411 Oeweint 412 KWein t 413 a a3 bj bo analoger Ansatz in Ox wein Die Verlustmomente der einzelnen Zahnradstufen und des Ket
181. uerbaren Energieressourcen wird die Wasserkraft als potenti elle Energie in Form von Wasser in einem Wasserspeicher als Prim renergie eingesetzt Beim Holz stellt der Baum die Prim renergie dar wobei die Holzbildung zur Schliessung des CO Kreislaufes und der Abw rmebilanz mitber cksichtigt wird 24 Bei den nicht erneuerbaren Energieressourcen werden die zu Tage gef rderten Produkte zur Bestimmung der Prim rener gie verwendet EEE TE Sem O Erd lgas Entstanden in Kombinationmit Erd l 4 Roh l ab Bohrloch TE 42600 Rohbraunkohle vor F rderung f r durchschnitt Einsatz in kg UCPTE Kraftwerken Erneuerbare energetische Ressourcen ee Potentielle Energie Wasser kg 1000m H he 0 00981 Holz im Wald atro En 18500 a Dies ist keine thermische sondern potentielle Energie 0 9 5 8 Rohf rdersteinkohle vor Aufbereitung f r durchschnittl Einsatz in UCPTE Kraftwerken 900000 460000 oberer Heizwert Uran ab Erz 0 7 U235 inkl exkl Energieinhalt des U235 im abgereicherten Uran in abgebrannten Brennele menten Tabelle 7 2 3 Aufteilung der energetischen Ressourcen in die Prim renergieklassen und einen Anhaltswert des Energieinhaltes nach 24 7 2 1 4 Interpretation Die LCA Methode ist ein Entscheidungshilfsmittel Die relative Gewich tung der verschiedenen Wirkkategorien ist nicht einfach zu definieren und h ngt von der verfolgten Fragestellung ab Dies ist ei
182. um um ein Viertel reduziert Die verwendeten Werte f r den Vergleich des Benzinbetriebes mit dem Elektrobetrieb sind in Tabelle 7 4 1 zusammengefasst Unter der Annahme von kurzlebigen Batterien und ausschliesslich st dti schem Fahrbetrieb k nnen die Belastungen der Batterieherstellung bis zum 4 fachen Wert gegen ber den Annahmen aus Tabelle 7 4 1 steigen Prim renergie GWP20 MJ 100km CO2Aeq 100 km Ersatz Bleibatterie nach 31 0 124 0 1 65 6 59 6000 25000km bei Laufleistung von 13860 km Jahr Ersatz Bleibatterie nach 2 4 Jahre 13 43 26 86 0 71 1 43 Gemittelter Heizbedarf bei 39km Tag 27 7 MJ Strom 100km Verwendete Werte f r den Vergleich Ersatz Bleibatterie bei 1000 Ladezyklen 3 1 0 Gemittelter Heizbedarf 20 78 MJ Strom 100 km Tabelle 7 4 1 Einfluss der Lebensdauer und der Betriebscharakteristik der Bleibatterie auf den Prim renergiebedarf und die GWP20 Emissionen bei optimistischer Beurteilung der Lebensdauer der Bleibatterie Wie in Bild 7 4 2 ersichtlich stellt der Taktbetrieb trotz den optimisti schen Annahmen f r die Bleibatterie die beste Ausnutzung der Prim rener gie ausgenommen der Wasserkraft dar Sehr deutlich wird hier auch der Unterschied des Taktbetriebes zum Drosselbetrieb des VM Bei Geschwin digkeiten unterhalb von 25 km h ist eine Substitution des gedrosselten Ben zinbetriebs durch den Elektrobetrieb jedenfalls vorzuziehen 156 7 Bewertung des Energieverbr
183. ur Bestimmung der Batteriespannung wird eine gesch tzte Strombela stung ausgehend von der Batterienennspannung von Uyenn 120 V und der einstiindigen Entladerate C verwendet 3 2 19 a P Elektrisch C 7 Ta 3 2 19 Nenn 44 3 Modellierung des Antriebsstranges 3 2 4 1 Entladung Die effektive Batteriespannung wird f r Ladegrade oberhalb und unter halb von qj 0 9 differenziert approximiert F r q gt 0 9 gilt f 2 F U a a C q b b C q c C Upeo 3 2 20 F r q lt 0 9 gilt U b b C9 q ey Upon 3 2 21 Mit a 42 62 V a 27 46 V b 57 54 V by 28 78 V cy 56 24 V und Upeo 46 83 V f r 3 2 20 und bj 19 19 V ba 4 06 V ca 11 75 V und Uge 115 85 V f r 3 2 21 Die Bestimmung der Parameter erfolgt anhand von Herstellerangaben und Literaturangaben 62 44 6 67 45 Somit kann die Belastung C die entnommene Energie und die Anpassung des Ladegrades bestimmt werden 3 2 4 2 Ladung Beim Laden wird die Ladespannung durch zwei linearisierte Bereiche angen hert F r q gt 0 75 gilt U b b5 C 9g ca Ug 3 2 22 und f r q lt 0 75 gilt U by gt ep C Up 3 2 23 Mit by 17 0 V b gt 19 0 V C4 10 25 und Volo 133 45 V fiir 3 2 22 und bp 6 67 V cp 4 0 V und Ug 141 2 V f r 3 2 23 Mit der so bestimmten Batteriespannung kann nun wiederum der flies sende Strom und somit die der Batterie zugef hrte entno
184. us ECE R15 04 Die in 91 durchgef hrte Optimierung der Ein und Ausschaltdrehzahl des Schwungrades im Taktbetrieb ergab einen Verbrauchsanstieg unterhalb von 5 f r eine konstante Ein und Ausschaltdrehzahl bei 1800 min und 3600 min gegen ber den leistungsabh ngigen variablen Drehzahlen Da konstante Schaltdrehzahlen eine wesentlich einfachere und schnellere Steuerung erm glichen wurde diese Variante bevorzugt vgl Kap 2 3 4 1 Der s mulierte Verbrauch unter Ber cksichtigung der Versorgung des 12 V Bordnetzes ab Fahrbatterie ist in Tabelle 4 1 1 angegeben Der Verlauf 54 4 Verbrauchssimulation der Fahrgeschwindigkeit der Schwungrad und Motordrehzahl ist f r den Fall des Taktbetriebes aus Bild 4 1 3 zu entnehmen ECE R15 04 mit konstanten Ein und Aus 1 100km 4 53 schaltdrehzahlen des Schwungrades ECE R1I5 04 mit gedrosseltem Permanentbe 1100km 9 94 trieb des VM bei 1800 min ohne Rekupera tion ECE R15 04 mit gedrosseltem Betrieb des 1 100km VM bei 1800 min und unter Ausnutzung Tabelle 4 1 1 ECE R15 04 Zyklusverbrauch mit 12V Speisung ab Fahrbatterie Sim der Schwungnutz und Rekuperation Erster Teil des ECE R15 04 Zyklus im VM Betrieb 4000 3500 1 E 3000 M n oO T nN Q eug km h 50 Drehzahlen min a Q ar _ eo mono v_Fahrz a Oo 17 chwungrad 4 Signe 1 i gt Fahrgeschwind ob iS Ai Zwisc
185. verschiedenen Bordnetzspeisungen Ladeger t yg 0 85 Bleibatterie bei P lt 1 kW mit n 0 94 Der Treibstoffbedarf fiir die generatorische Speisung ist aus Bild 4 4 2 ersichtlich Fiir den Taktbetrieb mit Bordnetzspeisung ab Fahrbatterie ergibt sich ein Entladewirkungsgrad von 0 96 0 97 vgl Bild 4 2 8 und im elek trischen Betrieb von 0 7 0 95 vgl Bild 4 4 3 Der Ladewirkungsgrad der Batterie wird im Taktbetrieb wie beim Elektrobetrieb mit 0 94 angenom men Ebenfalls wird der Wirkungsgrad des Ladeger tes mit Ns 0 85 f r beide F lle gleichgesetzt Als Referenz ist der Energiebedarf f r das Bord netz im Elektrobetrieb angef gt Die Gegen berstellung der beiden Ener gieformen bezogen auf die einzusetzende Prim renergie folgt in Kapitel 7 5 Realisierung des Antriebes In diesem Kapitel wird die Realisierung des Antriebsstranges dargestellt dessen konzeptioneller Aufbau in Kap 2 vorgestellt worden ist Ausgehend von den Komponenten und den Messergebnissen die auf den verschiedenen Komponentenpr fst nden ermittelt wurden wird das Antriebssystem beschrieben Anschliessend wird die Integration in ein Versuchsfahrzeug dargestellt Am Ende folgen Messergebnisse vom dynamischen Antriebs pr fstand und von Rollenpr fst nden Bild 5 0 1 Ansicht des ETH Hybrid III Antriebsstranges Im Vordergrund befindet sich die Schwungradgruppe mit der EM In der linken Bildh lfte ist das ber eine Kette ange triebene
186. verwendeten Kettenwandlers bei Eingangsdrehzahlen von 745 und 3000 min ohne lpumpe Die Versuche wurden mit separat gespiesenem Hydrauliksystem 4 6 Liter ATF Dexron II Automaten l bei 90 C bei optimalem Anpressdruck durchgef hrt Bei Lastschaltungen ist diesem Umstand Rechnung zu tragen da die Gefahr einer berbeanspruchung und damit einer berlastung der Kette des 92 5 Realisierung des Antriebes Kettenwandlers besteht Bis heute wird im ETH Hybrid IH Antrieb stets mit Lastunterbruch geschaltet so dass dieser Problematik ausgewichen werden kann Das Getriebe umfasst zwei eigentliche Fahrg nge Langsam und Schnellgang in denen stufenlos bersetzt werden kann Bild 5 1 17 Bei der Positionierung des Kettenwandlers innerhalb des Getriebes wurde vor allem beim Schnellgang auf eine minimale Anzahl bersetzungsstufen geachtet Bild 5 1 16 Dies erm glicht auch die Anordnung einer Redukti onsstufe vor dem Kettenwandler im Langsamgang was ebenfalls zu einer Wirkungsgradverbesserung des Kettenwandlers beitr gt tiefere Drehzahl bei erh htem Moment Im weitern sind ein Kriech und ein R ckw rtsgang integriert die je ber eine feste Ubersetzung verfiigen Der Kriechgang dient zur Uberbriickung des Kettenwandlers bei kleinsten Drehzahlen um den wirkungsgradm ssig sehr ungiinstigen Bereich des Kettenwandlers zu umgehen Im Betrieb mit der EM ohne Schwungrad man vrieren erm glicht der Kriechgang eine direkte
187. von 0 295 0 305 kg kWh und somit etwas h her als im Schnellgang Verbrauchsvergleich Takt zu Drosselbetrieb bei 50 km h Benzinverbrauch 100km 0 5 15 10 Leistung am Rad kW Bild 4 3 1 Berechnete und interpolierte Verbrauchswerte mit Bordnetzspeisung ab Bat terie im Taktbetrieb X und im Drosselbetrieb bei 50 km h im Schnellgang Der Wirkungsgrad des elektrischen Pfades variiert einerseits tiber der Drehzahl und andererseits in der zu substituierenden Leistung Hier treffen die gegenl ufigen Effekte eines steigenden Wirkungsgrades der EM und eines fallenden Batteriewirkungsgrades zusammen Wie in Bild 4 3 3 ersichtlich kann im Bereich 2 3 kW die EM den sonst berwiegenden Bat teriewirkungsgrad kompensieren Im Taktbetrieb variiert die gemittelte Drehzahl des Schwungrades und der EM je nach abgegebener Leistung im Bereich 2400 2650 min Der Grenzverbrauch in Bild 4 3 2 stellt denjenigen Verbrauch dar der bei Betrachtung der gesamten Energiekette durch den Elektrobetrieb zu unter bieten ist sollte mittels Elektrotraktion der Wirkungsgrad des Taktbetriebes oder des Drosselbetriebes verbessert werden Der erforderliche Wirkungs grad des elektrischen Leistungspfades bei Netzaufladung f r eine Substitu 68 4 Verbrauchssimulation tion des Drosselbetrieb muss nach Bild 4 3 2 um 18 22 h her sein als f r eine Substitution im Taktbetrieb Grenzverbrauch im Takt und Drosselbetrieb Taktbetriab
188. w hl ten Batterie sind im Vergleich in Tabelle 3 2 1 dargestellt F r diese Batterie wurde in dieser Arbeit ein neues Modelle entwickelt und in die Gesamtsi mulation integriert F r Bleibatterien bestehen verschiedene Modelle die in 68 und 55 zusammengefasst sind Die hier gew hlte Modellierung zielt vor allem auf die Modellierung von Ladezustand Batterieklemmenspan nung und Energiewirkungsgrad bei m glichst geringer Komplexit t ab Die Parameter sind so zu w hlen dass der Ladezustand f r Entladegrade 0 1 gt ge gt 0 87 und Str me lt Co 66 realistisch abgebildet werden Die Entladung wird basierend auf 66 die Ladung aufbauend auf 28 modelliert Zur Festlegung der Parameter stammen Daten auch aus 68 52 30 28 Temperatureffekte werden nicht ber cksichtigt Es wird eine Normaltem peratur von 25 C angenommen Als Folge wird f r die Ermittlung der Ver brauchswerte keine Heizleistung f r die Batterie modelliert In Kap 7 wer den aber gemittelte Werte f r die Batterieheizung gem ss Ergebnissen des Feldversuches f r Elektromobile von R gen 34 gesondert ber cksichtigt 1 Mit C wird in A die relative Belastung einer Batterie angegeben Es handelt sich dabei um denjenigen konstanten Strombetrag der nach einer 5 st ndigen Entladung zu einer entladenen Batterie f hrt Analog ist C f r eine I st ndige Entladung definiert 2 Der Entladegrad ist bei vollst ndig geladener Batterie q 0 und bei entladener Bat
189. ximalgeschwindigkeit 60 km h d Wird das Schwungrad im Elektrobetrieb eingestzt wird es auch als Rekuperationsspeicher genutzt e Dieser Verbrauch beinhaltet die anf ngliche Beschleunigung des Schwungrades auf 4700 min f Der Bereich des Energieverbrauchs wird durch den Ladezustand abh ngigen Wirkungsgrad der Batterie verursacht Tabelle 4 2 3 Energieverbrauch im Fahrzeug f r die verschiedenen Betriebsarten bei jeweils ausschliesslicher Verwendung von Benzin oder Strom Die Versorgung des Bordnetzes wurde hier nicht ber cksichtigt 4 3 Hybride Fahrstrategien Mit den Simulationen soll abgesch tzt werden wann eine hybride Fahr strategie zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrads eingesetzt werden kann 66 4 Verbrauchssimulation 4 3 1 Anpassung der Taktfrequenz und des Drosselbetriebs Durch d e Kombination von EM und VM k nnen sowohl der Leistungs bereich wie auch der einzelne Taktverlauf des Taktbetriebes beeinflusst wer den Durch die Kombination der Leistung aus dem Schwungrad und der EM kann die Zyklusdauer des Taktbetriebes bei gleichbleibender Leistungsab gabe verl ngert werden oder die Leistungsabgabe Kann bei gleicher Takt dauer gesteigert werden d h die EM kann ein Teil der Leistung des VM substituieren oder im zweiten Fall werden die beiden Leistungen addiert Dadurch kann das Betriebsgebiet des Taktbetriebes erweitert werden wodurch der Einsatzbereich des Drosselbetriebes reduziert oder sogar auf geh
190. zen Projekt in Verbindung zu bringen Ein weiterer Dank gilt all meinen Kollegen innerhalb des ETH Hybrid IH Projektteams verstreut ber die verschiedenen Institute und ber die ETH Z rich hinaus Ohne die engagierte Mitarbeit aller w re die Funktionst ch tigkeit des Antriebes nie erreicht worden Ein spezieller Dank geht auch an unsere Werkstatt und im besonderen an Gerhard Egl f r die hochmotivierte und selbst ndige Umsetzung unserer Ideen auf den Pr fst nden und m Fahrzeug Ich bedanke mich bei allen Mitarbeiter am LVV f r das gute Arbeitsklima und die vielen guten Diskussionen und Unterst tzung die ich erfahren durfte Speziell danke ich auch Prof Dr Konstantinos Boulouchos f r die kritische Durchsicht meiner Dissertation und den vielen fachlichen Diskus sionen Herzlich bedanke ich mich auch bei meiner Frau Rita f r das Verst nd nis das Interesse und die Unterstiitzung die ich erfahren durfte Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Summary 1 Einf hrung 1 1 Einleitung 1 2 Stand der Hybridantriebstechnik i im Penner 1 3 1 4 21 2 2 2 3 3 1 3 2 A 4 1 Klassifizierung von Hybridantrieben Realisierte Konzepte Zielsetzung der vorliegenden Arbeit Eigene Beitr ge Konzept des ETH Hybrid III see Zielsetzung und Rahmenbedingungen Hauptideen Aufbau des Antriebes l Anordnung der Aniniebskomponenteh Zielwerte Betriebsarten Fahrstrategien Modellierung
191. zit t ausger stet um eine gr ssere Reichweite bei rein elektrischem Betrieb zu garantieren oder mit l ngeren Zyklenzeiten einen effizienten Betrieb der Aggregate zu erm glichen Diese Batteriekapazit t verursacht aber Zusatzmasse und allenfalls Mehrkosten Serielle Hybridkonzepte mit dieser Strategie sind bis heute kommerziell erfolglos geblieben Anstelle einer zentralen elektrischen Antriebsmaschine mit Getriebe gibt es auch die M glichkeit Radnabenmotoren einzusetzen Die Motorenwahl entscheidet ber allf llig notwendige Reduziergetriebe z B ist im FREE DOM Konzept von General Motors 79 diese Idee verwirklicht Als Nach teil dieser dezentralen Anordnung ist die Erh hung der ungefederten Mas sen zu nennen Range Extender Das von Volvo vorgestellte serielle Hybridkonzept beinhaltet eine Gasturbine 40 kW Nennleistung bei 90000 min gekoppelt mit einem schnelldrehenden Generator als thermischen Antrieb Auf der Abtriebsseite wird ein Asynchronmotor mit 45 KW Nennleistung und 70 kW Spitzenleistung welcher mit einem Zwei Gang Automatikgetriebe gekoppelt ist eingesetzt 80 Als Energiespeicher wird eine NiCd Batterie 120 V und 16 8 kWh verwendet Bild 1 2 6 Die Laufzeit der Gasturbine wird mit Einbezug des Batterieladewirkungsgrades optimiert Gasturbine und hochdrehender Sn ST tonsa Generator g getriebe Bild 1 2 6 Schema des seriellen Hybridkonzeptes von Volvo f r den Environmental Con cept Car Kleinspe

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

Honeywell SP5600 Optimus R  Manual de usuario Manual de usuario ual de usuario  4 pages  Bionime GM300 Manual  T3 (IP) Compact collegabile a Integral 5    Dell SupportAssist Version 1.1 für Microsoft System Center  据付説明書 (1.46 MB/PDF)  Henri Chardonnens revient par la trappe!  Motores de Gasolina Manual del Usuario  

Copyright © All rights reserved. Failed to retrieve file