Konkurrierende Antriebssysteme von Hybridfahrzeugen

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1 Konkurrierende Antriebssysteme von Hybridfahrzeugen Dipl.-Wirtsch.-Ing. Henning Wöhl-Bruhn TU-Braunschweig, Institut für elektrische Maschinen, Antriebe und Bahnen

2 Inhalt Einleitung Hybridfunktionen Klassifizierung und Erläuterung von Hybridantriebsstrukturen Exemplarische Beispiele im PKW-Segment Aktivitäten der TU-Braunschweig im Bereich Hybridfahrzeug Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

3 Politische und rechtliche Rahmenbedingungen Flottenverbrauchsreduzierung bis 2008: 140g CO 2 /km (Selbstverpflichtung) Verbrauchsziel bis 2010: 120g CO 2 /km (EU-Ziel) durch CO 2 -Besteuerung Ab 2010 klassenabhängige CO 2 -Steuer (Gesetz) Ab 2009 Verbrauchsreduzierung auf 140g CO 2 /km (JAMA-Selbstverpflichtung) Staatliche Förderung von alternativen Antrieben durch Steuervorteile Erfüllung ZEV-Mandat ab 2010 (Gesetz) Verschärfung der CAFE-Grenzwerte auf 30 mpg (ca. 8l/100km) bis 2010 (Gesetzesvorlage mit hoher Wahrscheinlichkeit) Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

4 Vorhersage Marktanteile Hybridfahrzeuge USA Quelle: U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, April 2004 Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

5 Vorhersage Marktanteile Hybridfahrzeuge USA Stop/Start (S/S) Integrated Starter Alternator with Damping (ISAD) Integrated Motor Assist (IMA) Full Hybrid Cars (FH) Zusätzliches Moment [%] Verbrauchseinsparung [%] 7,5 12, Quelle: U.S. DEPARTMENT OF ENERGY, April 2004 Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

7 Hybridfahrzeug Features Start-Stopp-Betrieb Hochdrehzahlstart Beschleunigungsunterstützung Regeneratives Bremsen (Rekuperation) Elektrisches Fahren Zunahme: - Elektrische Leistung - Einsparpotential Abnahme: - Emissionen Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

8 Systemabhängige Hybridfunktionen Hybridfunktionen Beschl.- unterstützung Regeneratives Bremsen Elektrisches Fahren Start/Stopp System Konventionelles Fahrzeug Micro-HEV (~ 14 V) - Mild-HEV (~ 42 V) - Medium-HEV (~ 144 V) Full-HEV ( 200 V) - nicht möglich möglich gut möglich sehr gut möglich Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

9 Zusätzlicher Nutzen Synergie durch die Leistungsbereitstellung für Bordnetz Verbrauchseinsparung mehr Sicherheit Hybridfahrzeug Starkes Bordnetz mehr Komfort Kosteneinsparungen Einbindung Brennstoffzelle Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

11 Klassifizierung von Hybridantriebsstrukturen Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

12 Serielle Hybridstruktur Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid Vorteile: - Entkoppelter Betrieb des Verbrennungsmotors vom Fahrzyklus - Freie Wahl E-Motor des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors - hoher Fahrkomfort Nachteile: Generator Batterie - 3-fache Wandlung der gesamten Antriebsenergie - 3-fach verbaute Nennleistung Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

13 Parallele Hybridstruktur Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid E-Motor Generator Batterie K1 K2 E-Motor Batterie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

14 Parallele Hybridstruktur: Beispiel Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid Basismotor Motor- Downsizing Motor mit Unterstützung E-Maschine Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

15 Parallele Hybridstruktur Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid E-Motor Generator Batterie Vorteile: - 1-fache Energiewandlung der Antriebsenergie - Drehmoment K1 beider Motoren können sich addieren - modularer Aufbau K2 Nachteile: - Aufbau erfordert komplettes E-Motor Batterie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

16 Mischhybridstruktur Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid E-Motor Generator Batterie K1 K2 E-Motor Batterie Planetengetriebe E-Motor E-Motor Batterie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

17 Start des Verbrennungsmotors - Verbrennungsmotor wird über E-Maschine 1 gestartet - E-Maschine 2 erzeugt Gegenmoment V-Motor WR E-Mot.1 Pl.-Getr. WR 12 WR V-Netz WR E-Mot.2 Batteri WR Kutzbachplan Sonne Träger Ring Schaubild Drehzahl E-Maschine 1 E-Maschine 2 Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

18 Elektrisches Fahren - der Antrieb erfolgt nur über die E-Maschine 2, E-Maschine 1 im Leerlauf - Drehrichtungsumkehr bei Rückwärtsfahrt E-Mot.1 12 WR V-Netz WR Batteri WR V-Motor WR Pl.-Getr. WR E-Mot.2 Kutzbachplan Sonne Träger Ring Schaubild Drehzahl E-Maschine 1 E-Maschine 2 Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

19 Hybrides Fahren - Leistungaufteilung des Verbrennungsmotors - Momentenaddition auf Ring E-Mot.1 12 WR V-Netz WR Batteri WR V-Motor WR Pl.-Getr. WR E-Mot.2 Kutzbachplan Schaubild Sonne Träger Ring Drehzahl E-Maschine 1 E-Maschine 2 Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

20 Mischhybridstruktur Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid E-Motor Generator Batterie K1 K2 Das Projekt Faszination Hybrid auch unter E-Motor Batterie Vorteile: - Addition der Drehmomente beider Antriebe E-Motor - Freie Wahl des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors - hoher Fahrkomfort - integrierte Anordnung Planetengetriebe Nachteile: E-Motor - komplexer Aufbau - z.t. 3-fache Wandlung der Antriebsenergie Batterie

22 Spannungsniveaus, Einführungsdaten USA Quelle: U. S. Argonne National Labaratory, Febr Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

23 Exemplarische Beispiele für Hybrid im PKW-Segment Hybride Antriebsstrukturen Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid E-Motor Generator Batterie K1 K2 E-Motor Batterie Planetengetriebe E-Motor E-Motor Batterie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

27 Partner des Projektes Faszination Hybrid Konzernfors VW Konzernforschung, Bosch chung + weitere Industriepartner Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

28 Beteiligte Institute Tank V-Motor Leistungselektronik Elektromotor Antriebsregelung Sicherheit Batterie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

29 Hybridtypen Motivation Architektur Zukünftige Elektrofahrzeuge Brennstoffzellen Geringerer Energie- Verbrauch, niedrigere Emissionen Full Hybrid Spannung > 200V Elektroantrieb Regeneratives Bremsen Mild Hybrid 42V, Verbrennungsmotor Kombinierter Starter-/Generator Boost/Starthilfe Stopp/Start mit begrenzter Regeneration NiMH Li-Ion Steigende elektrische Leistung Mini Hybrid 12/42V, Verbrennungsmotor Kombinierter Starter-/Generator Stop/Start Mini Hybrid 12/42V, Start/Stopp-Automatik Blei Quelle: Varta, Johnson Controls Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

30 Fokus Hybridtypen Motivation Architektur Zukünftige Elektrofahrzeuge Brennstoffzellen Geringerer Energie- Verbrauch, niedrigere Emissionen Full Hybrid Spannung > 200V Elektroantrieb Regeneratives Bremsen Mild Hybrid 42V, Verbrennungsmotor Kombinierter Starter-/Generator Boost/Starthilfe Stopp/Start mit begrenzter Regeneration NiMH Li-Ion Steigende elektrische Leistung Mini Hybrid 12/42V, Verbrennungsmotor Kombinierter Starter-/Generator Stop/Start Mini Hybrid 12/42V, Start/Stopp-Automatik Blei Quelle: Varta, Johnson Controls Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

31 Forschungsbereiche zum Hybridfahrzeug an der TU-BS Hybridfahrzeug struktur Robuste Elektronik Energiespeicher -Downsizing E-Maschinen Energiemanagement Alternativen: - Parallele Anordn. (eine E-Maschine) - Leistungsverzw. (zwei E-Maschinen) Alternativen Leistungselektronik: - Si Halbleiter (Weiterentwicklung) - SIC Halbleiter (neue Technologie) Alternativen Batterie: -NiMh -Li-Ion Maßnahme: - Nutzung des starken elektr. Bordnetzes zur Kompensation von Nachteilen Betriebsstrategie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

32 Forschungsbereiche zum Hybridfahrzeug an der TU-BS Hybridfahrzeug struktur Robuste Elektronik Energiespeicher -Downsizing E-Maschinen Energiemanagement Modulierung mit Modulierung mit: Modulierung mit: Modulierung mit: -Dymola - Matlab/Simulink -PSpice - Simplorer - Matlab/Simulink (Powerblockset) - Matlab/Simulink - Simplorer -Wave - - Matlab/Simulink Zusammenführung und Betriebsstrategie: Matlab / Simulink Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

33 Aktivitäten (beispielhaft) Tank V-Motor Leistungselektronik Elektromotor Antriebsregelung Sicherheit Batterie Das Projekt Faszination Hybrid auch unter

34 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner: Dr. Ralph Sundermeier Zentrum für Mechatronik Braunschweig Langer Kamp Braunschweig Tel.: Fax: Das Projekt Faszination Hybrid auch unter