Kundenorientierte Dimensionierung von Hybridantrieben. 16. Okt Symposium in IFA Alternative Antriebssysteme und Leichtbau Haldensleben

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1 Kundenorientierte Dimensionierung von Hybridantrieben 16. Okt. 29 Symposium in IFA Alternative Antriebssysteme und Leichtbau Haldensleben

2 Anforderungsoptimierung für elektrifizierte Antriebe 1. Anforderungen und Kriterien der Fahrzeugentwicklung 2. Der Kundeneinsatzbereich 3. Antriebskonzept- und Komponentenoptimierung 4. Zusammenfassung 2

3 Anforderungsoptimierung Konventionell nach 3F-Methode Anforderungsprofil (Lastenheft) Kundeneinsatzbereich (Kundenbetrieb) Ziel: Punktlandung bei Kundenanforderungen 3

4 Anforderungsoptimierung Konventionell Anforderungsprofil (Lastenheft) Kundeneinsatzbereich (Kundenbetrieb) nach 3F-Methode Anforderungen für HEV / EV Verbrauch Reichweite Kosten Nutzlast Einsatzflexibilität Verfügbarkeit Ladegeschwindigkeit Infrastruktur Recycling Wie findet man die repräsentativen Anforderungen an die elektrischen Antriebe? 4

6 Kundeneinsatzbereich = 3F-Parameterraum Fahrer R Fahrweise Lenkung Getriebe Schaltung Fahrpedale Batterie Steigung Fahrzeugtyp Beladung Reibwert E-Motor Betriebsstrategie Fahrzeug VKM Verkehrsführung Leistungselektronik Fahrstrecke Fahrumgebung 9

7 Kundeneinsatzbereich für den Antriebsstrang Fahrer durchschnittlich Anhängerbetrieb voll mittel R Fahrumgebung Fahrzeugbeladung leicht Berg scho nend Landstraße Autobahn Fahrzeug Fahrstrecke Stadt sportlich Fahrweise Der 3F-Würfel 11

8 Kundeneinsatzbereich für den Antriebsstrang durchschnittlich Anhängerbetrieb voll mittel Lieferservice Notarzt/Polizei Vertreter Fahrer R Fahrumgebung Fahrzeugbeladung leicht Berg scho nend Landstraße Autobahn Taxi Fahrzeug Fahrstrecke Stadt sportlich Fahrweise Spezielle Kundentypen:, 15

9 Erfassung des Kundeneinsatzbereichs durchschnittlich Anhängerbetrieb voll mittel Messung mit Serienfahrzeugen 16 Fahrzeugbeladung leicht 7. km je Fahrzeug, z.b. 32 Nm, 145 kg, Kompaktklasse Berg Landstraße Autobahn scho nend Fahrstrecke min. 3 Fahrer Stadt sportlich Fahrweise Der 3F-Würfel

10 Aufgezeichnete Messdaten Analog Daten Aufbaubeschleunigungen (Beschleunigungsaufnehmer) Kamera GPS Höhe Längengrad Breitengrad Atmosphär. Drucksensor Höhe (Straßenprofil) Fahrbahnunebenheiten (Laser) Antriebsmomente (Telemetrie + DMS) Beschleunigungen am Radträger (Beschleunigungsaufnehmer) Geschwindigkeit (Correvit) CAN Daten Antriebsstrang Last Getriebeöltemp. Drehzahlen Drehmomente Gang Fahrer Gaspedalposition und -gradient Lenkwinkel und -geschwindigkeit Bremsdruck Bremslichtschalter Regelsyste me ABS EPS ASR Gierwinkelgeschw. Fahrumgebung Außentemperatur Verkehrsdichte 17

11 Verwendete Messtechnik Telemetriesysteme Zeitdatenerfassung Beispiel: Anhängerfahrt Großglockner 18

12 3F-Messungen in China, Mittel- und Osteuropa 19

13 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs Drehmoment [Nm] Fahrzeugbeladung Fahrwe ise Fahrstrecke Fahrzeugmasse [kg] 21

14 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs Drehmoment [Nm] Variation in den Messkampagnen hinsichtlich: Fahrzeugklassen - vom Kleinwagen bis zum Fullsize-SUV / Oberklasse Antriebs- und Fahrwerkkonzepte - Front/Quer - Standard - Allrad Antrieb - Otto- und Dieselmotoren unterschiedlicher Leistungsklassen - Hybridantriebe Getriebe - MT, AMT, AT, DCT, ecvt Fahrzeugbeladung Fahrwe ise Ausstattung der Fahrzeuge - Fahrerassistenzsysteme, Sonderausstattung, etc. Fahrstrecke Fahrzeugmasse [kg] 22

16 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs Drehmoment [Nm] Fahrzeugmasse [kg] Leistungsgewichtsklassen [kg/kw]: > 17 24

17 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs Drehmoment [Nm] Häufigkeitsverteilungen aus den Messdaten Fahrumgebung Geschwindigkeitsverhalten Beschleunigungsverhalten Verzögerungsverh. Stopp-Phasen Querbeschleunigung Lenkbewegung Abstandsverhalten... 3F-Fingerprint = f (Fahrer Fahrzeug) Fahrzeugmasse [kg] 25

18 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs Drehmoment [Nm] F-Fingerprint für Längsdynamik (Häufigkeitsverteilungen für v, a, z, t Stopp ) identisch bei gleichem Leistungsgewicht unabhängig vom Antriebskonzept Fahrzeugmasse [kg] 26

19 Messungen: BMW13i und Lexus GS45h Lexus GS45h BMW 13i Antriebsstrang : Antrieb : VKM : Antriebsleistung [kw] : v max [km/h] : Leistungsgew. [kg/kw] : Voll-Hybrid Leistungsverzweigt Standard 3,5L V6 (Otto) 147 (EM) 218 (VKM) 21* 7,6 (bei 194 kg) *abgeregelt 254 ges. Konventionell Standard 3,L V6 (Otto) 195 (VKM) 25 7,4 (bei 145 kg) 27

20 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs Drehmoment [Nm] Fahrzeugmasse [kg] Leistungsgewichtsklassen [kg/kw]: > 17 28

21 3F-Fingerprint Geschwindigkeitsverteilung 5 v x = 45 5 km/h t x Zeitabschnitt v Fzg. [km/h], 25 t 1 t 2 v x Geschwindigkeitsklasse Zeitanteil von v x [%] Zeit [s] Zeitanteil [%] 2 Geschwindigkeitsbereich 45 5 km/h: 15 Zeitanteil 45 5 = t 1 + t 2 + Gesamt-Fahrzeit = 7 % 1 5 v x v [km/h] 25 Zeitanteil Fahrgeschwindigkeit sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 33

22 3F-Fingerprint Geschwindigkeitsverteilung 5 t x Zeitabschnitt v Fzg. [km/h], 25 v x Geschwindigkeitsklasse Zeitanteil von v x [%] Zeit [s] Zeitanteil [%] v [km/h] 25 Zeitanteil Fahrgeschwindigkeit sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 34

23 3F-Fingerprint Geschwindigkeitsverteilung 5 t x Zeitabschnitt v Fzg. [km/h], 25 v x Geschwindigkeitsklasse Zeitanteil von v x [%] Zeit [s] Zeitanteil [%] 2 15 BMW v [km/h] 25 Zeitanteil Fahrgeschwindigkeit sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 35

24 3F-Fingerprint Geschwindigkeitsverteilung 5 t x Zeitabschnitt v Fzg. [km/h], 25 v x Geschwindigkeitsklasse Zeitanteil von v x [%] Zeit [s] Zeitanteil [%] 2 15 BMW Lexus v [km/h] 25 Zeitanteil Fahrgeschwindigkeit sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 36

25 Geschwindigkeitsverteilung Fahrstil schonend durchschnittlich sportlich Stadt Zeitanteil [%] BMW Lexus Landstraße Zeitanteil [%] Autobahn Zeitanteil [%] mittlere Beladung v [km/h] v [km/h] v [km/h] * 21 km/h: v-abregelung * 38

26 3F-Fingerprint Beschleunigungs-/Verzögerungsverhalten OGP,v Fzg. [km/h] 5 25 Zeit [s] a [m/s²] 7,5 Zeit [s] -7,5 Sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 42

27 3F-Fingerprint Beschleunigungsverhalten 5 Beschleunigung OGP [km/h] 25 v Start a max Zeit [s] a [m/s²] a [m/s²] 7,5 Zeit [s] 7,5 Beschleunigung -7,5-7, v Start [km/h] Sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 46

28 3F-Fingerprint Verzögerungsverhalten OGP [km/h] 5 25 Beschleunigung Verzögerung v Start a max Zeit [s] a [m/s²] a [m/s²] 7,5-7,5 Zeit [s] 7,5-7,5 Beschleunigung Verzögerung v Start [km/h] Sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 49

29 3F-Fingerprint Beschleunigungs-/Verzögerungsverhalten OGP [km/h] 5 25 Beschleunigung Verzögerung v Start a max Zeit [s] a [m/s²] a [m/s²] 7,5-7,5 Zeit [s] 7,5-7,5 Beschleunigung Verzögerung v Start [km/h] Sportlicher Stadtfahrer, mittlere Beladung 5

30 3F-Fingerprint Beschleunigungs-/Verzögerungsverhalten OGP [km/h] 5 25 Beschleunigung Verzögerung v Start a max Zeit [s] ā [m/s²] BMW a [m/s²] 7,5-7,5 Zeit [s] 7,5-7,5 Beschleunigung Verzögerung v Start [km/h] Mittelwert Beschleunigung / Verzögerung sportlicher Stadtfahrer 51

31 3F-Fingerprint Beschleunigungs-/Verzögerungsverhalten OGP [km/h] 5 25 Beschleunigung Verzögerung v Start a max Durchschnitt a [m/s²] 7,5 Zeit [s] Zeit [s] 7,5 ā [m/s²] BMW Lexus σ BMW = σ Lexus -7,5-7, v Start [km/h] Mittelwert Beschleunigung / Verzögerung sportlicher Stadtfahrer 52

32 Durchschnittliche Beschleunigung Fahrstil schonend durchschnittlich sportlich Stadt ā [m/s²] 7,5-7,5 Beschleunigung Verzögerung BMW Lexus Landstraße ā [m/s²] 7,5-7,5 * Autobahn ā [m/s²] 7,5-7,5 mittlere Beladung v Start [km/h] v Start [km/h] * v Start [km/h] * Bremsassistent beim Lexus 54

34 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs 6 55 Drehmoment [Nm] Simulation in MOVE3F Fahrzeugbeladung Fahrwe ise Fahrstrecke Fahrzeugmasse [kg] 62

35 Datenbasis des Kundeneinsatzbereichs 6 Drehmoment [Nm] Modulare variantenbasierte Entwicklungsplattform für 3F-Simulationen (Matlab/Simulink) Fahrzeugbeladung 3F- Fingerprint Fahrwe ise Fahrstrecke Fahrzeugmasse [kg] 63

36 Simulation des Kundeneinsatzbereichs Fahrermodell Fahrumgebungsmodell Fahrzeugmodell Modulare Variantenbasierte Entwicklungsplattform für 3F- Simulationen (MOVE 3F) Simulationsumgebung auf Basis von Matlab Simulink unterschiedliche Antriebe (HEV, EV, konventionell, ) und Antriebsstränge (Front-Quer, Standard, ) mit diversen Getriebetypen (MT, AT, ) Datenbasis aus umfangreichen Messungen im 3F-Parameterraum 64

37 Kundeneinsatzbereich (3F) identifiziert, quantifiziert Geschwindigkeitsverhalten Beschleunigungsverhalten Fahrgeschw indigkeit Beschleunigung /Verzögerung Haltedauer v Fzg ā t Halt 3F-Fingerprint Verzögerungsverh. Stopp-Phasen Querbeschleunigung Lenkbewegung Abstandsverhalten... Fahrweise = f (Fahrer Fahrzeugbeladung Fahrumgebung Fahrzeug) Fahrstrecke 65

39 Konzeptvorhaben Verteilerfahrzeug Identifikation Elektrofahrzeug + des optimalen Antriebskonzepts der benötigten Komponenten der Komponentenanforderungen Hybridfahrzeug 7

40 E WP S tadt Land B AB B erg EW P St adt Land BAB Ber g Prozess zum optimalen Konzept 3F- Fingerprint 1 Kundeneinsatzbereich Topologien, Konzepte 2 Simulation in MOVE3F Bewertung und Auswahl 3a Optimale Konzepte Optimale Topologie Komponente EW PL: sc du sp M: sc du sp V: sc du sp A: sc du sp Lastkollektive Ganganteile Belastungszahlen 3b Anforderungskatalog Zulieferer 4 Komponentenoptimierung 71

41 EW PL: sc du sp M: sc du sp V: sc du sp A: sc du sp E WP S tadt Land B AB B erg EW P St adt Land BAB Ber g Prozess zum optimalen Konzept 3F- Fingerprint 1 Kundeneinsatzbereich Topologien, Konzepte 2 Simulation in MOVE3F Bewertung und Auswahl 3a Optimale Konzepte Optimale Topologie Komponente Lastkollektive Ganganteile Belastungszahlen 3b Anforderungskatalog Zulieferer 4 Komponentenoptimierung 72

42 Kundeneinsatzbereich Geschwindigkeitsverhalten Beschleunigungsverhalten Fahrgeschw indigkeit Beschleunigung /Verzögerung Haltedauer v Fzg ā t Halt 3F-Fingerprint 3F-Fingerprint Verzögerungsverh. Stopp-Phasen Querbeschleunigung Lenkbewegung Abstandsverhalten... Fahrweise = f (Fahrer Fahrzeug) Fahrstrecke Fahrzeugbeladung Fahrumgebung 73

44 Topologie- und Konzeptvarianten E-Fahrzeug Range Extender Parallel-Hybrid T T Topologie Konzepte Getriebe E-Maschine Batterie Leistungselektronik Komponenten 76

45 Simulation der Varianten in 3F E-Fahrzeug Range Extender Parallel-Hybrid T T Topologie Konzepte Getriebe E-Maschine Batterie Leistungselektronik Komponenten Ergebnis v Fzg [km/h] SOC[%] P Batterie [kw] Fahrzeugbeladung Fahrweise Fahrstrecke 77

46 Optimales Konzept Bewertung und Auswahl Batteriekapazität Fahrzeugbeladung v Fzg [km/h] Fahrweise SOC[%] Fahrstrecke P Batterie [kw] Beschleunigung ( 1)* Energiebilanz (E Rekuperation /E Antrieb ) Verbrauch Elastizität* Reichweite *mittels Bestimmungsfahrt 79

47 Optimale Topologie identifiziert E-Fahrzeug Range Extender Parallel-Hybrid Bewertung und Auswahl Batt.: 3 kwh Batt.: 15 kwh EM: 4 kw EM: 1 kw Getr.: 1 Gang Getr.: 1 Gang T Beschleunigung ( 1) Batt.: 2 kwh EM: 15 kw Getr.: 6-Gang DCT VKM: 11 kw T Verbrauch Elastizität Batteriekapazität Energiebilanz Reichweite 82

48 Optimales Konzept der ausgewählten Topologie Bewertung und Auswahl VKM 15 kw EM 11 kw Ergebnis der Schritte 1 TT 6 Gänge DCT 2 kwh 3a 83

50 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts T Getriebe 85

51 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts T Vollast b e [g/kwh] Optimaler η-bereich Relative Betriebspunkthäufigkeit [%],5 1, 1,5 Getriebe Motormoment [Nm] VKM Motordrehzahl [1/min] Sportlicher Autobahnfahrer 86

52 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts Getriebe Leistung [kw] T 75 Entladen Drehzahl [1/min] E-Zweig: Batterie, Inverter, E-Maschine η Entladen η Laden Optimaler η-bereich Leistung [kw] Sportlich BAB 7 85 Relative Betriebspunkthäufigkeit [%] 1,25 2,5 3, Laden Drehzahl [1/min] 89

53 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts Getriebe T Eingangsmoment [Nm] Alle Gänge 1. Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 6. Gang Sportlicher Stadtfahrer Anzahl Überrollungen 91

54 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts Getriebe T Eingangsmoment [Nm] Alle Gänge 1. Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 6. Gang Schonender Stadtfahrer Anzahl Überrollungen 92

55 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts Getriebe Fahrzeugbeladung Fahrwe ise T Fahrstrecke Eingangsmoment [Nm] Gangspezifisch repräsentatives Kollektiv aus 3F Anzahl Überrollungen Alle Gänge 1. Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 6. Gang 93

56 Anforderungen an das Getriebe des optimalen Konzepts Getriebe relevant für die Dimensionierung / Lebensdauer des Getriebes T Eingangsmoment [Nm] Gangspezifisch repräsentatives Kollektiv aus 3F Alle Gänge 1. Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 6. Gang Anzahl Überrollungen 94

57 Anforderungen an die Kupplungen des optimalen Konzepts T Kupplungen 1

58 Anforderungen an die Kupplungen des optimalen Konzepts Kupplungen v [km/h] 2 15 T Wiederstart VKM Häufigkeit je 1 km Anzahl St-St in 5Min. schonend durchschnittlich sportlich Stadt Zeit [s] 11

59 Anforderungen an die Kupplungen des optimalen Konzepts Kupplungen Stadt Landstraße Autobahn T f Häufigkeit je 1 km Anzahl St-St in 5Min. relevant für: thermische Belastung der st-st Kupplung schonend durchschnittlich sportlich Stadt f 1* :max. Häufigkeit st-st in 5 Minuten 12

60 Anforderungen an die Kupplungen des optimalen Konzepts Kupplungen Stadt Landstraße Autobahn T f z Häufigkeit je 1 km Anzahl St-St in 5Min. relevant für: Verschleiß der st-st Kupplung schonend durchschnittlich sportlich Stadt f 1* :max. Häufigkeit st-st in 5 Minuten z: Anzahl st-st auf 1 km 13

61 Repräsentative Anforderungen durch 3F Betriebspunkte im n-m-diagramm Verbrauchsverhalten im betriebswarmen Zustand Verlustleistungen Lastwechselhäufigkeiten Schalthäufigkeiten Schaltkollektive Drehzahlhäufigkeiten Drehmoment-Überrollungskollektive / Betriebspunkte (gangabhängig) Verlustleistungen T Drehmoment- Überrollungskollektive Beugewinkelkollektive Leistungsdurchsatz Ein-, Ausgangsleistung Betriebspunkte im n-m- Kennfeld Energiebilanz Ein-, Ausgangsleistung 14

63 EW PL: sc du sp M: sc du sp V: sc du sp A: sc du sp E WP S tadt Land B AB B erg EW P St adt Land BAB Ber g Prozess zum optimalen Konzept 3F- Fingerprint 1 Topologien, Konzepte Bewertung und Auswahl 2 3a Komponente Lastkollektive Ganganteile Belastungszahlen 3b Zulieferer 4 Anforderungsoptimierung Komponentenoptimierung 16

64 Lastenheft PL: sc du sp M: sc du sp V: sc du sp A: sc du sp E WP S tadt Land B AB B erg EW P St adt Land BAB Ber g 3F- Fingerprint Anforderungen an den Konzepte Bewertung und Auswahl Antriebsstrang und seine Komponenten 1 2 3a Komponente EW Lastkollektive Ganganteile Belastungszahlen b Zulieferer 4 Anforderungsoptimierung Komponentenoptimierung 17

66 Zusammenfassung 19

67 Kundenorientierte Dimensionierung von Hybridantrieben Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 16. Okt. 29 Symposium in IFA Alternative Antriebssysteme und Leichtbau Haldensleben