DualX E-Drive Ein flexibles Antriebskonzept für Plug-in Hybride 32. Internationales Wiener Motorensymposium 2011

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1 DualX E-Drive Ein flexibles Antriebskonzept für Plug-in Hybride 32. Internationales Wiener Motorensymposium 2011 Martin Ott, Dr. Bernd Blankenbach, Jürgen Schäfer, Dr. Dirk Walliser, Michael Kühn

2 Inhalt 1. MBtech REPORTER Projekt 2. Anforderungen Gesamtfahrzeug 3. Das Antriebskonzept 4. Auslegung des Antriebs 5. Entwicklung des Antriebskonzepts 6. Realisierung 7. Zusammenfassung und Ausblick MBtech Group GmbH & Co. KG aa 2

3 1 MBtech REPORTER Projekt Mit dem REPORTER Projekt zeigt die MBtech alle erforderlichen Entwicklungskompetenzen für ein Gesamtfahrzeug The way we think Phase I: Imageträger Marktanalyse und Festlegung Zielkatalog/ -funktionen Aufbau eines 1:1 Modells für Messepräsentationen Gesamthaftes Fahrzeugkonzept entwickeln Muss Diskussionen mit der Fachwelt standhalten Innerhalb eines 3/4 Jahres messereif MBtech Group GmbH & Co. KG aa 3

4 2 Anforderungen Gesamtfahrzeug Kaufentscheidungskriterien aus dem Trend Monitor 2010 Leichtes Nutzfahrzeug der Zukunft der MBtech Consulting Studienergebnis: Top 10 Entscheidungskriterien 1. Zuverlässigkeit 2. Umweltverträglichkeit 3. Ersatzteilverfügbarkeit hoch 4. Unterhaltskosten 5. Anschaffungskosten 6. Serienmäßige Sicherheitsausstattung 7. Ladevolumen Wichtigkeit 8. Nutzlast 9. Kulanz- und Reklamationsverhalten 10. Unterstützung im Pannenfall gering MBtech Group GmbH & Co. KG aa 4

5 2 Anforderungen Gesamtfahrzeug Geringe Kompromissbereitschaft bei Nutzlast, Ladevolumen und Sicherheitsausstattung zugunsten neuer Technologien Studienergebnis: Kompromissbereitschaft zugunsten neuer Technologien Kriterium Bandbreite Kompromissbereitschaft Erhöhung Anschaffungskosten Reduktion Nutzlast Reduktion Ladevolumen Reduktion Reichweite Zeit Fahrzeug z.b. elektrisch zu laden Reduktion Fahr-/Bedienkomfort Reduktion Höchstgeschwindigkeit Reduktion Sicherheitsausstattung Product Price 1 = geringe Kompromissbereitschaft; 10 = hohe Kompromissbereitschaft = Bandbreite MBtech Group GmbH & Co. KG aa 5

6 2 Anforderungen Gesamtfahrzeug Anhand der Befragungen werden typische Referenznutzer für die TCO-Analyse gebildet Studienergebnis: Referenznutzer als Basis für die TCO-Analyse Nutzung Minimale Reichweite Höchstgeschwindigkeit REFERENZNUTZER 1 (Öffentliche und Sonstige DL) Stadt 50 km/tag 80 km/h REFERENZNUTZER 2 (Gewerbe) Gemischt Stadt/Land 300 km/tag 110 km/h REFERENZNUTZER 3 (Logistik) Überwiegend Überland 450 km/tag 120 km/h TCO: Total Cost of Ownership MBtech Group GmbH & Co. KG aa 6

7 3 Das Antriebskonzept Das Antriebskonzept soll möglichst die heterogenen Nutzungsprofile abdecken und die Kaufentscheidungskriterien erfüllen Festlegung von zwei Zielprofilen für das Antriebskonzept 1 Emissionfrei Stadtbetrieb 2 V max : 80 km/h, el. Reichweite: 75 km Gemischt Stadt-/Überlandbetrieb V max : 130 km/h, Reichweite: 300 km (davon 100 km rein elektrisch) Geschwindigkeit Antriebsleistung High Power Elektro- V2 Antrieb [E-SLS] 1 V1 Elektroantrieb reiner [E-Cell] Elektroantrieb Elektroantrieb Elektroantrieb 2 V3 + Motorische Antriebseinheit [E-Cell + Motorische Plus] Antriebseinheit Elektroantrieb + Generatoreinheit [F-Cell] (F-Cell) Reichweite MBtech Group GmbH & Co. KG aa 7

8 4 Auslegung des Antriebs Die Auslegung des Antriebs erfolgt über Berechnungen und Simulationen auf Basis von zwei Standard-Fahrzyklen NEFZ Artemis V max : 120 km/h 130 km/h V aver : 33 km/h 58 km/h a max : 1,06 m/s² 2,86 m/s² Länge: 11 km 51 km Dauer: s s Velocity [km/h] Velocity [km/h] Time [s] Time [s] MBtech Group GmbH & Co. KG aa 8

9 4 Auslegung des Antriebs Bei einer Reduzierung der Maximalgeschwindigkeit für Variante 1 sind die Anforderungen an den E-Antrieb gleich 1 2 v max [km/h] Reichweite emissionsfrei [km] Peak Power NEFZ [kw] Artemis [kw] Energiebedarf NEFZ [kwh] Artemis [kwh] Emissionsfrei Stadt Gemischt Stadt-/Überland Der Artemis-Zyklus liefert die Wunschanforderungen für Variante 1 Der NEFZ liefert die Minimalanforderungen für Variante 2. Bei höheren Leistungsanforderungen steht ein zweiter Antrieb zur Verfügung Bei Reduzierung der Maximalgeschwindigkeit von Variante 1 auf 60 km/h resultieren für beide Varianten in etwa dieselben Anforderungen an Antriebsleistung und Energiebedarf. - Elektrische Antriebsleistung: 70 kw (Peak) - Elektrischer Speicher (Gesamtkapazität): 22 kwh Diese Reduzierung erscheint uns für Fahrzeuge des innerstädtischen Lieferverkehrs akzeptabel MBtech Group GmbH & Co. KG aa 9

10 5 Entwicklung des Antriebskonzepts Festlegung der Antriebsstrangkonfiguration zum DualX E-Drive Innovatives, kostengünstiges, modulares Antriebskonzept, das emissionsfreies Fahren ermöglicht. Emissionsfrei Elektroantrieb Bei Reichweiten von mehr als ca. 100 km ist ein Range Extender zielführend. D.h. die Batteriekapazität wird durch eine Fuel Cell oder eine Motor-Generator Einheit vergrößert. F-Cell bzw. Motor- Generator Einheit sind so ausgelegt, dass der mittlere Energiebedarf abgedeckt wird. Reichweite & Kosten Motor-Generator Einheit Die Traktions E-Maschine kann kleiner dimensioniert werden oder die Maximalgeschwindigkeit vergrößert werden, wenn der Verbrennungsmotor in bestimmten Fahrsituationen ebenfalls zum Vortrieb genutzt werden kann. Kosten Mechanischer Range Extender MBtech Group GmbH & Co. KG aa 10

11 5 Entwicklung des Antriebskonzepts Der DualX E-Drive ist ein modulares Antriebskonzept 1 Emissionsfreier 2 Transporter im Stadtbetrieb Emissionsarmer Transporter durch mechanischem Range Extender für den Überlandbetrieb Reines Elektrofahrzeug E-Antrieb mit bis zu 70 kw RWD Hybrid-Antrieb E-Antrieb mit bis zu 70 kw RWD Li-Ionen Batterie mit 12 kwh Nutzkapazität Verbrennungsmotorischer Antrieb mit bis zu 75 kw FWD Identische E-Maschine Identischer Wechselrichter Identische Batterie Identische Integration der E-Komponenten MBtech Group GmbH & Co. KG aa 11

12 6 Realisierung Das DualX E-Drive Konzept passt perfekt für den MBtech REPORTER 220V Connector Li-Ion Battery Inverter E-Drive E-Machine DualX 1,2 l CNG Engine CNG Inlet 5 speed Automated Manual Transmission CNG Tanks MBtech Group GmbH & Co. KG aa 12

13 6 Realisierung Auf der Vorderachse ich ein Verbrennungsmotor platziert der ergänzend zum E-Drive oder autark agieren kann Verbrennungsmotor Vorderachse Konzeptionelle Varianten Diesel-, Benzinund CNG Motoren y Auswahl: 1,2 l CNG Turbomotor mit automatisiertem Schaltgetriebe Technische Daten: 4 Zylinder / KE / Abgasturbolader / OHC Hubraum (VH) 1149 cm³ Leistung (Pe) 75 kw bei /min effektiver Zylinderdruck (Pme) 17,6 bar 5-Gang ASG DualX 1,2 l CNG Engine 5 speed Automated Manual Transmission MBtech Group GmbH & Co. KG aa 13

14 6 Realisierung Auf der Hinterachse ich eine E-Maschine platziert ebenfalls autark oder kombiniert mit der Vorderachse betrieben wird Elektromotorischer Antrieb Permanenterregte Synchronmaschine mit konstanter Übersetzung (Variante 1) oder 2-Gang automatisiertem Schaltgetriebe (Variante 2) Technische Daten: Leistung 70 kw (peak), 45 kw (permanent) Drehzahl < U/min 2-Gang ASG mit integrierter Parksperre Inverter E-Drive E-Machine MBtech Group GmbH & Co. KG aa 14

15 6 Realisierung Zum DualX E-Drive und zum REPORTER gibt es eine individuelle und flexible Betriebsstrategie mit drei Betriebsmodi 4RANGE steht für maximale Reichweite und verbrauchsoptimiertes Fahren. 4range ist optimal, um umweltbewusst und mit geringem Verbrauch längere Strecken zurückzulegen. 4range ist ideal für den Lieferverkehr zwischen Städten oder die Urlaubsfahrt. 4DYNAMIC steht für maximale Agilität und Fahrspaß. 4dynamic ist auf eine hohe Antriebsleistung ausgelegt. Das Fahrzeug reagiert in diesem Fahrmodus direkter. Der 4dynamic-Modus ist somit optimal für den schnellen Einsatz in allen Lagen. ECO steht für maximale CO2-Reduktion und emissionsfreies Fahren in der Stadt. Der Verbrenner wird nur in Notsituationen zugeschaltet. Der eco-modus ist optimal für innerstädtische Zustelldienste, Pendler und Kunden, die kurz zum Shoppen wollen. ELEKTRO- VERBRENNUNGS- KOMBINIERT MASCHNINE MOTOR RANGE 4 DYNAMIC MBtech Group GmbH & Co. KG aa 15

16 6 Realisierung Fahrdynamik und Verbrauch können sich sehen lassen Fahrdynamik (Simulation) Elektromotorisch 70 kw Verbrennungsmotorisch 75 kw Hybridmodus 0 bis 60 km/h 6,1 s 9,5 s 3,9 s 0 bis 100 km/h 14,5 s 19,8 s 9,6 s Verbrauch Hybridvariante (Simulation) Norm-Verbrauch pro 100 km CO2 pro km CNG 1,4 kg 38 g Benzin 2,0 l 47 g Diesel 1,6 l 43 g MBtech Group GmbH & Co. KG aa 16

17 7 Zusammenfassung und Ausblick Mit dem DualX E-Drive haben wir ein interessantes und zukunftsweisendes Antriebskonzept entwickelt Die MBtech Group hat in einem interdisziplinären Entwicklungsprojekt ein innovatives Fahrzeugkonzept anhand eines Transporters entwickelt. Der DualX E-Drive bestehet aus einer elektrischen Traktionseinheit, die durch einen verbrennungsmotorischen Antrieb ergänzt wird. Die beiden Antriebseinheiten sind auf unterschiedlichen Achsen angeordnet. Das Konzept ist modular gestaltet, so dass sowohl ein reiner E-Drive, als auch ein E-Drive mit mechanischem Range-Extender dargestellt werden kann. Der DualX E-Drive ermöglicht emissionsfreies Fahren über nennenswerte Distanzen und bietet im effizienten Hybridbetrieb die gewohnte Fahrdynamik und Reichweite. Die Betriebsstrategie ermöglicht auch in der Hybridkonfiguration emissionsfreie Fahrt. MBtech sieht den REPORTER als Werbe- und Imageträger und nicht als Produktkonzept. An Phase 2 des Projektes wird bereits gearbeitet wir freuen uns auf Ihre Anregungen und Ihr Feedback! MBtech Group GmbH & Co. KG aa 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit