Hyundai-Kia s ganzheitlicher Ansatz zum Thema 48V Hybridisierung. Sönke Peschka Energieeffiziente Antriebssysteme

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Klaudia Waldfogel
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1 Hyundai-Kia s ganzheitlicher Ansatz zum Thema 48V Hybridisierung Von: Vorlesung: Sönke Peschka Energieeffiziente Antriebssysteme 1

2 Inhaltsübersicht 1. Einleitung 2. 48V Hybridtechnologie 3. Prüfstandergebnisse bei Volllast 4. Untersuchungsergebnisse 5. Fazit 2

3 1. Einleitung Bis 2021 muss die Flotten-CO 2 -Emission auf 95g/km gesenkt werden 3

4 1. Einleitung Derzeitige Maßnahmen: Downsizing Start / Stopp Gewichtsreduktion Reibungsreduzierung Erreichen ca. 10% CO 2 Einsparungen 4

5 1. Einleitung Zukünftige zusätzliche Maßnahmen: Elektrifizierung des Antriebsstranges Leichtbaumaterial Alternative Kraftstoffe Erreichen der CO2-Ziele für 2021 In noch fernerer Zukunft können diese weiter sinken 5

6 1. Einleitung Erster Schritt zur Hybridisierung: 48V Mild-Hybrid Kombination der derzeitigen Maßnahmen und den Maßnahmen zum Erreichen der CO 2 -Ziele 6

7 1. Einleitung Kosten der Hybridisierung steigen mit dem Grad der Hybridisierung an Hybridisierungsgrad Kosten [ / %-CO 2 ] Micro-Hybrid (Start/Stop) 0 (Ausgangswert) 48V Mild-Hybrid 45 Full-Hybrid 100 Plug-In Hybrid 130 Nur mit Full-HEV und PHEV sind CO 2 -Ziele zu erreichen 7

8 1. Einleitung HEV = Hybrid-Electric-Vehicle PHEV = Plug-In Hybrid-Electric-Vehicle 8

9 1. Einleitung Bis 2025 soll Anteil der E-Fahrzeuge von 2% auf ca. 23% ansteigen 45% davon Mild-Hybrid 9

10 1. Einleitung Hyundai Motor Group hat bereits mehrere 48V Hybridfahrzeuge vorgestellt Integration des 48V-Hybridsystems in Kia Optima T-Hybrid (1,7l CRDi Verbrennungsmotor) 10

11 2. 48V Hybridtechnologie Ganzheitliche Integration der 48V Hybridtechnologie in Kia Optima T-Hybrid durch: Einbau eines zusätzlichen elektrischen Turboladers (Kia Optima 1,7l CRDi Verbrennungsmotor) 11

12 2. 48V Hybridtechnologie Systemaufbau Anordnung eines elektrischen 48V Turboladers (E-Charger) vor dem vergrößerten regulären Turbolader 12

13 2. 48V Hybridtechnologie Systemaufbau Austausch der konventionellen Lichtmaschine mit einem 48V Belt-Starter-Generator (BSG) Integration des BSG in Riementrieb des Motors 13

14 2. 48V Hybridtechnologie Systemaufbau Verbindung des BSG über einen Inverter mit der 48V Batterie 14

15 2. 48V Hybridtechnologie Systemaufbau Einbau eines DC/DC-Wandlers zum Laden der 12V- Bordnetzbatterie aus dem 48V-Netz 15

16 2. 48V Hybridtechnologie Systemaufbau Verkleinerung der 12V-Bordnetzbatterie (48V-Netz dient als Puffer für 12V-Netz) 16

17 2. 48V Hybridtechnologie Systemaufbau Konventioneller Anlasser existiert weiterhin, da Anlassen über Riementrieb bei niedrigen Temperaturen derzeit nicht möglich 17

18 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Durch Mild-Hybrid-System können verschiedene Funktionalitäten zur Steigerung des Kraftstoffverbrauchs, des Fahrverhaltens und des Komforts eingebracht werden 18

19 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Start/Stop über BSG: Leises und geräuscharmes Starten Start kann jederzeit ausgeführt werden Kraftstoff muss erst bei Leerlaufdrehzahl eingespritzt werden Schneller Start 19

20 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Start/Stop über BSG: Schnellerer Start als mit herkömmlichem Anlasser (ca. 0,2s) BSG ist direkt in Riementrieb des Motors integriert und setzt deshalb direkt an der Kurbelwelle an 20

21 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Elektrische Drehmomentunterstützung: Während des Anfahrens wird Verbrennungsmotor mit Drehmoment vom BSG unterstützt Sehr geschmeidiges Anfahren auch bei abruptem Lösen der Kupplung Abwürgen des Motors kann verhindert werden 21

22 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Load-leveling (Lastsenkung): Reduzierung der Motorlast durch Bereitstellung von Drehmoment durch den BSG Reduktion von CO 2 und NO X Emissionen 22

23 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Load-leveling (Laststeigerung): Erhöhung der Motorlast in niedrigen Lastbereichen durch den BSG Erzeugung von Last durch den BSG als Generator Reduktion von CO 2 und NO X Emissionen Aufladen der 48V-Batterie 23

24 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Sailing: Wenn Fahrzeug gleitet kann Verbrennungsmotor entkuppelt und abgeschaltet werden Notwendiges Drehmoment wird vom BSG erzeugt Elektrische Kupplung notwendig 24

25 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten Rekuperation: Rückgewinnung von Bremsenergie durch BSG als Generator Speicherung der Bremsenergie in 48V-Batterie 25

26 2. 48V Hybridtechnologie Funktionalitäten rein-elektrisches Fahren: Rein-elektrisches Fahren bei niedrigen Geschwindigkeiten möglich BSG muss Motorreibung überwinden 26

2. 48V Hybridtechnologie Integration Neben CO 2 -Einsparungen soll auch Fahrspaß erhöht werden Reduzierung der CO 2 -Emissionen und des Fahrspaßes durch Downsizing

27 2. 48V Hybridtechnologie Integration Neben CO 2 -Einsparungen soll auch Fahrspaß erhöht werden Reduzierung der CO 2 -Emissionen und des Fahrspaßes durch Downsizing Größerer Turbolader für mehr Fahrspaß Zusätzlicher elektrische Turbolader für noch mehr Fahrspaß 48V Mild-Hybrid für maximalen Fahrspaß und maximale CO 2 - Einsparungen 27

2. 48V Hybridtechnologie Integration Vergrößerter Turbolader Vergrößerung der Einspritzdüsen Erhöhung des Rail-Drucks von 1600 auf 2000bar Reduzierung des Kompressionsverhältnisses auf 15 Erhöhung

28 2. 48V Hybridtechnologie Integration Vergrößerter Turbolader Vergrößerung der Einspritzdüsen Erhöhung des Rail-Drucks von 1600 auf 2000bar Reduzierung des Kompressionsverhältnisses auf 15 Erhöhung der Übersetzung im Getriebe um 15% Ersetzen des Zweimassen-Schwungrades mit einem Fliehkraft-Schwungrad, In Kombination mit einer Verstärkten Kupplung Mehr Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen weniger Vibrationen durch längere Getriebeübersetzung Montage eines exzentrischen Anlassers 28

29 2. 48V Hybridtechnologie Integration Verwendung eines BSG von Valeo mit 8kW nomineller Leistung Montage des BSG anstelle der konventionellen Lichtmaschine Ersetzen des Riemenspanners mit einer zweiarmigen Ausführung um Drehmoment in beide Richtungen zu übertragen 29

30 2. 48V Hybridtechnologie Integration Verwendung eines (E-Charger) zusätzlich zum konventionellen Turbolader Montage des E-Chargers vor dem konventionellen Turbolader E-Charger kann über Bypass-Ventil umfahren werden 30

31 2. 48V Hybridtechnologie Integration Frühzeitig wurde der NEDC-Fahrzyklus absolviert Erkennen der CO 2 -Einsparungen Vergleich mit Kia Optima mit Start/Stopp-Einrichtung 31

32 2. 48V Hybridtechnologie Integration 1: Engine Optimisation: 1-2% CO 2 -Einsparungen Erhöhung des Kompressionsverhältnisses auf 15:1 Vergrößerter Turbolader, etc. Unabhängig von 48V-Hybridisierung möglich 32

33 2. 48V Hybridtechnologie Integration 2: Getriebeübersetzung: 5-6% CO 2 -Einsparungen Verlängerung der Getriebeübersetzung Möglich, da BSG und E-Charger in niedrigen Drehzahlen den Motor unterstützen 33

34 2. 48V Hybridtechnologie Integration 3: Rekuperation und Drehmomentunterstützung: 4% CO 2 -Einsparungen Ca. 80% der Bremsenergie werden in Batterie gespeichert Diese Energie kann den Motor bei niedrigen Drehzahlen unterstützen 34

35 2. 48V Hybridtechnologie Integration 4: Generator durch BSG ersetzen: 1,5% CO 2 -Einsparungen Notwendige Energie für elektrisches Fahrzeugsystem kann durch Rekuperation gewonnen werden 35

36 2. 48V Hybridtechnologie Integration 5: Start/Stop-Verbesserung: 1,5% CO 2 -Einsparungen BSG als Anlasser hat sehr schnelles Ansprechverhalten Motor kann frühzeitig ausgeschaltet und später angeschaltet werden 36

37 2. 48V Hybridtechnologie Integration 6: Schaltvorgang: 1-2% CO 2 -Einsparungen Hybridfahrzeuge dürfen bei NEDC frei schalten Es kann verbrauchseffizient geschaltet werden 37

38 2. 48V Hybridtechnologie Integration In Summe ca. 15% CO2-Einsparungen beim NEDC-Zyklus 38

39 3. Prüfstandergebnisse bei Volllast Nur mit E-Charger und BSG hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen erreicht 39

40 3. Prüfstandergebnisse bei Volllast Durch E-Charger verbrauchte Energie ist geringer als die mit dem erhöhten Luftmassenstrom erzielte Mehr-Leistung des Motors 40

41 4. Untersuchungsergebnisse - Fahrdynamik Durch Einsatz des 48V Mild-Hybridsystems wird die Fahrdynamik verbessert 41

42 4. Untersuchungsergebnisse - Fahrdynamik 42

43 4. Untersuchungsergebnisse - Kraftstoffverbrauch Kraftstoffverbrauch wurde während konstanter Phase im NEDC bei 70km/h ermittelt Maßnahme Verlängertes Getriebe 8 % Freie Gangwahl im NEDC 2 % Unterstützung durch BSG während konstanter Fahrt Kraftstoffeinsparung 10 % Summe der Einsparungen 20 % 43

44 5. Fazit 48V Mild-Hybridisierung erhöht Fahrspaß und senkt gleichzeitig Kraftstoffverbrauch und CO 2 -Emissionen Fahrleistung konnte ebenfalls erhöht werden 48V Mild-Hybrid ist gegenüber einem Voll-Hybrid kostengünstiger 44

45 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 45

46 Quellen Alle Abbildungen aus: Hyundai-Kia s Holistic Approach on 48V Hybridization (M. Winkler, S. Hoffmann, B. Unterberger, S.G. Park, M. Weissbäck; 36. Internationales Wiener Motorensymposium 2015) 46

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