Bewertung von hydraulischen Hybridkonzepten für Nutzfahrzeuge mit DSHplus

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1 Bewertung von hydraulischen Hybridkonzepten für Nutzfahrzeuge mit DSHplus - Simulation der Energierückgewinnung bei einem Stadtbus - 300,000 Leistung /kw 200, ,000 0, Zeit /s -100, ,000 Folie 1

2 Gliederung Hydac Hybridtechnologie Systemkonfiguration Simulationsmodell Simulationsergebnisse - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... - Antriebsstruktur & Fahrzyklus Parameterstudie: Einflussgrößen Fazit - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 2

3 Der Hydac Unternehmensverbund Familienunternehmen mit Hauptsitz in Sulzbach/Saar gegründet 1963 ca Mitarbeiter weltweit Umsatz 2008: ca. 980 Mio. ca. 50 Niederlassungen weltweit Mehr als 500 Vertriebs- und Servicepartners weltweit Folie 3

4 Komponenten Systems Fluid Engineering und Service Folie 4

5 Komponenten und Systeme Komponenten, System und Fluid- Service für die Fluidtechnologie, Hydraulik und Elektronik für nahezu alle Anwendungen in Stationär- und Mobilmaschinen Folie 5

6 Gliederung Hydac Hybridtechnologie Systemkonfiguration Simulationsmodell Simulationsergebnisse - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... - Antriebsstruktur & Fahrzyklus Parameterstudie: Einflussgrößen Fazit - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 6

7 Definition Hybridantriebe Mindestens zwei unabhängige Antriebe mit unterschiedlichen Energiespeichern (z.b. VKM + Speicher) Energierückgewinnung (kinetisch und/oder potenziell) nicht zwingend erforderlich Folie 7

8 Downsizing durch Hybridisierung Leistung /kw 300, , ,000 0, Zeit /s -100, ,000 Folie 8

9 Downsizing durch Hybridisierung Leistung /kw 300, ,000 Speicher entladen 100,000 Speicher laden 0, Zeit /s -100,000 Rekuperierbare Energie -200,000 Folie 9

10 Applikationsunterschied Hybrid Lastspitzen glätten: z.b. Fahrantrieb Radlader P/ kw300, , ,000 0, t /s60-100, ,000 Rekuperation: z.b. Linienbus v/ km/h P/ kw t/s t/s Folie 10

11 Vergleich Energiespeicher Kosten für Leistung [ /kw] Hydraulik Elektrik 100 Vergleichskriterium Energiedichte Leistungsdichte Alterung/ Kapazitätsverlust Temperaturbereich o + o - o/- Lithium- Ionen- Batterie o/ Doppelschichtkondensator Hydrospeicher Hyd. ST Hyd. CFK DSK Li-Ion Hydrospeichespeicheschicht- ionen- Hydro- Doppel- Lithium- Stahl CFK kondensator Batterie Selbstentladung + - o Packaging o o o Kosten + - o Folie 11

12 Gliederung Hydac Hybridtechnologie - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... Systemkonfiguration - Antriebsstruktur & Fahrzyklus Simulationsmodell Simulationsergebnisse Parameterstudie: Einflussgrößen Fazit - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 12

13 Ausgangskonfiguration: - Hydrostatischer Fahrantrieb mit 2 Motoren - Folie 13

14 Antriebskonfiguration Hybrid: - Parallel-Hybrid mit HD- und ND-Speicher - ERG Folie 14

15 Fahrzyklusdefinition Stadtbus Einfacher Hydac-Buszyklus Zyklus v / km/h t / s Annahme: 36 Zyklen/h, 16 h/d, 300 d/a Zyklen/a 2,6 Mio. Zyklen in 15 Jahren Lebensdauer Erhebliche Anforderung an den Speicher Folie 15

16 Gliederung Hydac Hybridtechnologie Systemkonfiguration - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... - Antriebsstruktur & Fahrzyklus Simulationsmodell - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung Simulationsergebnisse Parameterstudie: Einflussgrößen Fazit - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 16

17 Motivation, warum Simulation? Komfortable und schnelle Systembetrachtung Vielzahl von Fahrzeugen einfach abzubilden schnelle Konzeptbewertung Kosten- und Zeitsparende Einschätzung von Einsparpotentialen Kein Testfahrzeug notwendig Variation von Einflussgrößen Verschiedene Lastzyklen Umgebungsvariablen Folie 17

18 Simulationsmodell Parallelhybrid Lasteinheit berücksichtigt reale Fahrwiderstandskräfte - F Roll, F Beschl, F Steig, F Luft Annahme einer idealisierten Antriebseinheit / Leistungsquelle - keine Verluste, ohne Zugkraftunterbrechung, unendliche Dynamik Vereinfachte Verluste im Hydraulikkreis - viskose Dämpfung und Leckage an der Hydroeinheit - keine Wirkungsgradverluste im Teillastbereich der Hydroeinheit - wurzelförmigen Druckverluste an den Steuerkanten - keine Rohrleitungsverluste Fokus auf detaillierter Betrachtung des Hydrospeichers Folie 18

19 Simulationsmodell des Hydrospeichers Import der Berechnungsroutinen von ASP (Hydac) DSHplus - basiert auf 30-jähriger Anwendungserfahrung - Polytrope Zustandsberechnung mit Realgasverhalten Wärmeaustausch mit Umgebung mittels Eigenzeit - Speicherbauart, Speichergröße, Materialien,... - Eigenzeit: Verhältnis von Wärmespeicher- / Wärmeübergangsvermögen Berücksichtigung der Druckverluste im Absperrblock Speicherwirkungsgrad pro Zyklus (eingeschw. Zustand) η = p Q p Q aus ein dt dt Folie 19

20 ERG Simulationsmodell des Antriebsstranges Betriebsstrategie Hydrospeicher Lasteinheit VKM + Getriebe Hydraulischer Hybrid Tempomat für Fahrzyklus Lastmomentregler Folie 20

21 ERG Teilmodell hydraulischer Hybrid Folie 21

22 Gliederung Hydac Hybridtechnologie Systemkonfiguration Simulationsmodell - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... - Antriebsstruktur & Fahrzyklus - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung Simulationsergebnisse - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz Parameterstudie: Einflussgrößen Fazit - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 22

23 Einschwingvorgang im Hydac-Buszyklus 70 C 330 bar 20 C 165 bar - 40 C Thermisches Einschwingen nach ca. 5 Zyklen Folie 23

24 Speicherbetrachtung Hydac-Buszyklus - Eingeschwungen - Energieverlust durch Wärmetransport bei Fahrzeugstillstand Druckabfall p η Speicher 4,63 MJ Speicher = 79,1 % 3,92 MJ V Energieaufnahme durch Wärmetransport bei Fahrt ohne Speicher Druckanstieg Folie 24

25 Energiebilanz im Hydac-Buszyklus Energiebedarf -14,96 % 4,63 MJ 3,94 MJ ohne Hybrid mit Hybrid Reduzierung der benötigten Antriebs- und Bremsleistung Folie 25

26 Gliederung Hydac Hybridtechnologie Systemkonfiguration Simulationsmodell Simulationsergebnisse - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... - Antriebsstruktur & Fahrzyklus Parameterstudie: Einflussgröß ößen Fazit - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 26

27 Parametervariation: Speichereinflussgrößen Speicherparameter - Vorspanndruck, Eigenzeit (Isolierung),... T Fahrzyklusvariationen -Zyklen, Haltezeiten, Beschleunigungen, Verzögerungen,... t Umgebungseinflüsse - Temperatur,... v / km/h t / s Folie 27

28 Gliederung Hydac Hybridtechnologie Systemkonfiguration Simulationsmodell Simulationsergebnisse - Das Unternehmen, Lösungen,... - Definition, Hybridarten,... - Antriebsstruktur & Fahrzyklus Parameterstudie: Einflussgrößen Fazit - Aufbau, Speichermodell, Randbedingungen, Speicherauslegung - Temperatur- & Druckverläufe, Wirkungsgrad, Energiebilanz - Vorspanndruck, Umgebungstemperatur, Isolierung, Haltezeit (Zyklus),... Folie 28

29 Fazit Schnelle und einfache Bewertung von Hybridsystem Besseres Systemverständnis Optimale Abbildung kundenspezifischer Lösungen Optimierung des Systems per Mouseklick Folie 29

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 30