KONZEPT FÜR KOSTENGÜNSTIGEN NIEDRIGSPANNUNG-HYBRIDANTRIEB

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1 industrie HYBRIDANTRIEB KONZEPT FÜR KOSTENGÜNSTIGEN NIEDRIGSPANNUNG-HYBRIDANTRIEB Ein elektrisch angetriebener Kompressor, ein riemengetriebener Starter-Generator und eine Turbine zur Rück gewinnung der Abgasenergie: Mit diesen Techniken, deren Herzstück jeweils ein geschalteter Reluktanzmotor ist, arbeitet ein Hybridkonzept des britischen Unternehmens Controlled Power Technologies (CPT). In Verbindung mit einem im Hubraum um 50 % reduzierten Verbrennungsmotor soll das Kosten-Nutzen-Verhältnis deutlich günstiger sein als bei klassischen Vollhybridlösungen. 586

2 AUTOREN guy morris ist Entwicklungschef von CPT Controlled Power Technologies mark criddle verantwortet den Bereich elektrische Aufladung bei CPT Controlled Power Technologies mike dowsett leitet den Bereich Mikrohybrid bei CPT Controlled Power Technologies dr. richard QuiNN ist leitender Vorentwickler bei CPT Controlled Power Technologies weniger co 2 Die Automobilindustrie hat erfolgreich CO 2 reduzierende Konzepte über kleinere Motoren, effiziente Übersetzungen, Start Stopp Anwendungen oder teure Voll Hyb ridlösungen umgesetzt und dem Verbrau cher angeboten. Doch speziell in dem Seg ment milder Hybride fehlen kurzfristig kostenattraktive Lösungen. Deshalb bleibt dieses Marktsegment weitgehend unbearbeitet [1] zumal einige Lösungen keinen Fahrspaß erlauben. Unter diesen Voraussetzungen hat CTP gemeinsam mit ausgewählten Beratern ein Konzept entwickelt, das sowohl wirtschaftliches Autofahren und als Fahrspaß ermögli chen soll. Der Ansatz kombiniert einen elektrischen Kompressor mit der Start Stopp Technik und einem Konzept zur Rückgewinnung der Abgasenergie. drehmomentsteigerung durch elektrischen kompressor Die Aufladung des Verbrennungsmotors erfolgt bei dem Konzept von CPT durch eimen reaktionsschnellen elektrischen Kom pressor mit integrierter Steuerungsund Leistungselektronik. Als Antriebsmotor dient eine luftgekühlte geschaltete Reluktanzmaschine. Sie verfügt über ein insta tionäre Leistung von mehr als 4 kw und kann stufenweise auf bis zu min 1 /s beschleunigen, ❶. Anders als ein Abgasturbolader oder ein Kompressor, der über die Kurbelwelle angetrieben wird, arbeitet der elektrisch getriebene Kompressor unabhängig von der Motorgeschwindigkeit und ohne di rek ten parasitären Verlust. Dieser entschei den de Unterschied ermöglicht es, Fahrspaß auch mit einem radikal vereinfachten Ag gregat bereit zu stellen. Ein extremes Motor Downsizing, bei dem das Hubraumvolumen um 50 und mehr sinkt, ist denkbar. Wegen der geringeren parasitären Verluste und den effizienten Teillast Betriebsbedingungen werden bis zu 30 % Kraftstoff eingespart und dementsprechend der CO 2 Ausstoß reduziert [2]. Ein typischer 2,0 l Motor aus dem C Seg ment mit einer Nennleistung zwischen 80 und 110 kw kann ersetzt werden durch ei nen 1,0 l bis 1,2 l Motor mit Direkteinspritzung und und Aufladung. Leider geht die Auslegung des Turboladers auf Maximalleistung einher mit einem wenig ak zeptablen Ansprechverhalten im niedertourigen Betrieb. Um dieses Phänomen auszuschließen, wird steigert der elektrische Kompressor die Luftladedichte über die ersten 500 ms im niedrigen Drehzahlbereich nachhaltig. In der 12 V Konfiguration beschleunigt der Kompressor aus dem Stand auf /min innerhalb von weniger als 350 ms. Der Wert kann mit höheren Stromspannungen auf weniger als 200 ms reduziert werden. Die Impulsgeschwindigkeit erlaubt es dem System, kontinuierlich auf verändernde Lastbedingungen zu reagieren, indem signifikant zusätzliche Ladeluft zugeführt wird ❶ Beschleunigung des elektrischen Kompressors bei Hochlauf auf /min 09I Jahrgang 587

3 Industrie HYBRIDANTRIEB ❷ Drehmomentverlauf bei Volllastbeschleunigung eines 1,2-l-Motors mit und ohne elektrischen Zusatzkompressor und so bis zu 20 kw zusätzliche Leistung zur Verfügung steht. Wird der elektrische Kompressor beispielsweise mit einem 1,2-l-Motor mit Direkteinspritzung und Abgasturbolaufladung [3] verbunden, steigert das System das stationäre Drehmoment um 55 % bei einer Drehzahl unter 2500/min und das verfügbare Drehmoment bei Beschleunigung aus niedriger Drehzahl um mehr als 88 %, ❷ [3]. Die Kombination eines hochdynamischen, präzise kontrollierten elektrischen Kompressors mit einem serienmäßigen konventionellen Wastegate- Turbolader vereinfacht die Optimierung des System-Ansprechverhaltens im Vergleich zu komplexen, weniger empfänglichen und signifikant parasitären Methoden der zweistufigen Aufladung [4]. Niederspannungs-Rekuperation mit Start-Stopp-Automatik CPT hat eine Stopp-Start-Lösung der nächsten Generation entwickelt, die aufgrund einer sensiblen Kontrollstrategie erheblich weniger Stopps verhindert und den zusätzlichen Nutzen einer effektiven ❸ Kennfeld für den Systemwirkungsgrad bei einem riemengetriebenen Starter-Generator Niedrigspannungs-Rekuperation der Bremsenergie bietet. Konfiguriert ist das System als ein riemengetriebener Starter-Generator mit vollintegrierter Elektronik. Es ist nicht nur der weltweit leistungsstärkste riemengetriebene Starter-Generator, der mit 12 V arbeitet, sondern das erste System, das die Einstellung des Fahrers gegenüber der Start-Stopp- Technik ändern könnte. Diese fehlende Akzeptanz war bislang dafür verantwortlich, dass die Autohersteller von einer Massenproduktion dieser Technik absahen. Für Start-Stopp-Applikationen wird die mit 72 Nm Drehmoment und mit 2,4 kw Leistung arbeitende geschaltete Reluktanzmaschine mit Flüssigkeit gekühlt. Sie entwickelt Stromspitzen von 205 A und eine maximale Dauerleistung von 2,7 kw. Der Systemwirkungsgrad beträgt zirka 90 % über einen signifikanten Bereich seines Leistungsspektrums, ❸. Bei Reaktionszeiten von unter 10 ms, die erforderlich sind, um die volle Stromleistung in die Wicklungen einzuleiten, schließt der Reluktanzmotor Hochlaufverzögerungen gesichert aus und erlaubt dem Motor einen unmittelbaren Neustart. Dieses umgehende Reaktionsverhalten wendet sich in vollem Umfang an die Einstellung des Fahrers und unterscheidet sich vollständig von einem konventionellen Startgenerator, bei dem der Fahrer darauf warten muss, dass der Motor vollständig herunter gefahren ist, bevor der Neustart in Gang gesetzt werden kann, ❹. Unter NEDC-Testbedingungen liefert die SpeedStarts genannte Technik 3 bis 5 % CO 2 -Emissionsreduktion. Die ausgewiesene Effizienz des geschalteten Reluktanzmotors eröffnet im Vergleich zu einer konventionellen Alternative nochmals 1 % Verbesserung. Eine Bremsenergierekuperation in Verbindung mit einem optimierten Speichersystem bietet abhängig von der eingesetzten Spannung weitere 3 bis 5 % Fortschritt. Eine mit höherer Spannung ausgestatte Maschine kann entsprechend bis zu 10 % geringere Kohlenstoff-Emissionen bewirken. Fortschrittliche Start-Stopp-Technik, entwickelt als eine massentaugliche Mikro- Hybridlösung, ist eine kosteneffektive CO 2 -Reduktion über breite Fahrzeugsegmente hinweg. Das System von CPT hat seine Leistungsfähigkeit sowohl in einem 2,0 l-dieselmotor wie auch in einem 4,4-l- Ottomotor unter Beweis gestellt. 588

4 Abgasenergie-Rückgewinnung auf der Grundlage erprobter Technik Tigers (Turbo-generator Integrated Gas Energy Recovery System) nennt CPT ein turbinenbasiertes System zur Abgasenergie-Rückgewinnung. Es befindet sich aktuell in der Testphase und wird bis 2015 als produktionsreif erwartet. Auch für diese Anwendung kommt eine flüssiggekühlte geschaltete Reluktanzmaschine zum Einsatz. Verbunden mit einer optimierten Niedrigdruck-Abgasturbine ist sie darauf ausgerichtet, bei Abgastemperaturen von 900 C und bei Drehzahlen bis /s zu arbeiten. Ein derartiges Konzept kann eine elektrische Leistung von bis zu 2 kw bei 12 V sowie potenziell bis zu 6 kw Leistung bei einer Spannung von 50 V entwickeln. Das System verfügt zusätzlich über ein Bypass-Ventil, das den Abgasstrom im Turbogenerator moduliert. Das versiegelte Wälzlagersystem benötigt keine Motoröl- Zuführung. So kann der Generator an nahezu jedem Ort im Abgassystem angebracht werden, an dem Raum für ein flüssigkeitsgekühltes System ist. ❹ Reaktion auf Neustart nach Motor aus Die primäre Aufgabe des Systems ist die Umwandlung von Abgashitze in elektrische Energie und kann damit praktisch den Ruhestrom eines kurbelwellengetriebenen Generators eliminieren oder sogar potenziell die Kurbelwellen-Leistung eines riemengetriebenen Starter-Generators ersetzen. Dies eröffnet besonderen Chancen bei höheren Autobahngeschwindigkeiten, bei denen konventionelle gedrosselte Ottomotoren 25 % weniger Effizienz aufweisen als Common-Rail-Dieselmotoren. betriebswuchtungen optimierung docksysteme dynamische leistungstests dokumentationen testanlagen effizienz wellensysteme motorenprüfstände konstruktionen messtechnische rundumbetreuung antriebsstrangsysteme wartung qualitätssicherung funktionsprüfstände momentenerfassung produktentwicklung drehschwingungsanalysen verlustleistungsmessung verbrennungsentwicklung mechanical engineering wellenschutz hil dauerlauftests consulting beratung überwachungssysteme antriebsstrangsysteme simulationswerkzeuge mechatronical engineering model based design drehmoment betriebsschwingungsmessung akustische messung ihr effizienz-partner. tectos gmbh glacisstrasse 27 a-8010 graz t I Jahrgang 589

5 Industrie HYBRIDANTRIEB ❺ Vergleich zwischen elektrischem Kompressor und elektrischer Maschine im Antriebsstrang Kosteneffektives Management der rekuperierten Energie Das Konzept RegEnBoost verbindet alle drei Techniken [5] und erlaubt es, den elektrischen Kompressor und den Starter- Generator aus dem geschlossenen Kreis höherer Spannung (bis zu 50 V) Energie zu beziehen. Die Energie wird wiederum vom Startergenerator (im Rekuperationsmodus) und dem Abgasgenerator geliefert. Diese beiden Rekuperatoren sind mit einer verschlossenen Bleibatterie verbunden, die durch zusätzlichen Kohlenstoff am Negativpol für Hochleistungs- Energiespeicherung und -entnahme optimiert ist. Diese neue Technologie der Bleisäurebatterie [6] hält die Kosten niedrig, akzeptiert jedoch ein hohes Maß an regenerativer Leistung ohne den bei konventionellen Batterien bekannten Substanzverlust. So ist es möglich, mindestens 3 kw aus regenerativem Bremsen zu speichern und zusätzlich die Start-Stopp- Funktion bereitzustellen. Die rekuperierte Energie aus Abgas und Bremsen wird in Höhe von 20 bis 40 kj gepuffert, um die Zuverlässigkeit des elektrischen Laders sicherzustellen. Zusätzlich kann über einen Wechselstromrichter eine 590 stabile Versorgung des 12-V-Systems des Fahrzeugs gewährleistet werden. Für eine typische Volllastbeschleunigung wird bei dem Konzept von CPT eine elektrische Energie von 3 bis 6 kj benötigt, ❺. Um eine vergleichbare Drehmoment-Unterstützung mit einem auf der Kurbelwelle montierten Elektromotor zu erreichen, sind 25 bis 50 kj erforderlich. Zusammenfassung Durch Einführung des RegEnBoost-Konzepts bei C- oder sogar CD-Segment-Fahrzeugen könnten die Emissionsziele von weniger als 100 g/km CO 2 mit einem aufgeladenen 1,0-l- Ottomotor mit Direkteinspritzung erreicht werden, der das gewohnte Drehmoment eines 2,0-l-Saugmotors bereitstellt. Die besten Dieselmotoren im C-Segment erreichen derzeit CO 2 -Emissionswerte von 105 bis 115 g/km. Gleichzeitig ist die Anpassung eines Euro-5-Dieselmotors an die gesetzlichen Anforderungen kostenintensiv; die bevorstehenden Euro-6-Standards werden die Verbrauchsvorteile des Dieselmotors weiter erodieren lassen und zusätzliche Kosten hinzufügen. Benzingetriebene Hybridfahrzeuge erreichen heute bereits die CO 2 - Emissionsgrenzwerte unterhalb von 100 g/ km. Ihr Hochspannungssystem hat jedoch erheblichen Einfluss auf Fahrzeugkosten, Abmessungen und Zuladung. Durch den Einsatz kosteneffektiver Hybridtechniken mit Niedrigspannung analog des vorgestellten Baukastensystems entwickelt RegEnBoost die Chancen für eine realistische CO 2 -Reduzierung bei deutlich niedrigeren Systemkosten verglichen mit einem Voll-Hybridmotor oder Euro-5/6-Dieselmotoren. Literaturhinweise [1] Bastien, R.: Sustainable Mobility for All. 31. Wiener Motorensymposium 2010 [2] Downsizing Realized with a 1.2 l 3-Cylinder Engine, 17. Aachener Kolloquium [3] SAE paper [4] Morris, G., Criddle, M.: Transient Torque Enhancement and Emissions Reduction Potential of a Highly Dynamic Supercharger. 13. Aufladetechnische Konferenz, Dresden 2008 [5] Lam, L.T.; Louey, R.: Development of ultrabattery for hybrid-electric vehicle applications. CSIRO Energy Technology, 25 August 2006 Download des beitrags read the english e-magazine order your test issue now: SpringerAutomotive@abo-service.info

6 MobilitätsWirtschaft Automotive business. Die Leitmesse für automotive Kompetenzen. Internationale Zuliefererbörse Oktober 2010 Wolfsburg Allerpark Partnerländer: USA Kanada Hauptsponsor: Schirmherren: Veranstalter: Kooperationspartner: Medienpartner: