Potenzial eines REX Konzeptes für Stadtscooter

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1 Potenzial eines REX Konzeptes für Stadtscooter Eine Alternative zur rein elektrischen Mobilität? 1

2 Inhalt 1. Abkürzungen 2. Einleitung 3. Das Hybrid Konzept 4. Serielles Hybridsystem 5. Basisauslegung des Hybridsystems 6. E-Antrieb Wirkungsgrad 7. Generator-Subsystem Wirkungsgrad 8. Hybrid Antriebsstrang Wirkungsgradkette 9. Verbrennungsmotor Konzept 10. Packaging Analyse 11. E-Motor-Definition 12. C0 2 -Reduktionspotenzial 13. Potenzial des Rekuperative Bremsens 14. Betriebsstrategie des Range Extenders 2

3 1. Abkürzungen CVT(continously variable transmission) = Stufenloses Getriebe EV (electric vehicle) = Rein elektrisch getriebenes Fahrzeug ICE(V) (internalcombustionenginevehicle) = verbrennungsmotorgetriebenes Fahrzeug NVH (Noise, Vibration, Harshness) = unerwünschte Nebengeräusche PHEV (plug in hybrid engine vehicle) = Per Netz ladbares Hybrid Fahrzeug SOC (state of charge) = Ladezustand VKM = Verbrennungskraftmotor 3

4 2. Einleitung 2-Takt-Vergasermotoren in der Klasse L1e (50 cm³ und 45km/h) mit simpler Abgasnachbehandlung (OxidaFonskatalysator Euro 2) Euro 3 ab 2014, für alle Neuzulassungen ab 2015 Abgasgesetzgebung zwingt Hersteller zur Erarbeitung neuer Konzepte Alternativen VKM: Lambdageregelte 4-Takt-Motoren oder direkt einspritzende 2- Takt-Motoren KostenansFeg durch zusätzliche Systemkomponenten AlternaFve: Rein elektrisches Fahrzeug geringe Reichweiten, schlechte Fahrleistungen, hohe Kosten(Batterie), lange Ladezeiten Hauptproblem bei Umsetzung: Energiedichte BaIerien Energiedichte fossile Brennstoffe Im folgenden behandelte Alternative: E-Scootermit einer um den Faktor 2 reduzierten BaIeriekapazität (Kosten ) und einem Range Extender(REX) Kosten und Abgasgesetzgebung berücksichfgt, lokale Emissionsfreiheit, keine Reichweitenprobleme 4

5 2. Einleitung 5

6 2. Einleitung 6

7 3. Das Hybrid Konzept 7

8 3. Das Hybrid Konzept 8

9 3. Das Hybrid Konzept Der VKM des seriellen Hybridswird mit konstanter Drehzahl und im Bereich des besten Wirkungsgrades betrieben Treibstoffverbrauch geringer als bei Parallelhybrid Serieller Hybrid: mechanische Entkopplung des VKM vom Rest des Fahrzeugs Geräuschemission niedrig Dämpfung der Abgasanlage auf konstante Drehzahl auslegbar weitere Verringerung der Geräuschemission Zusätzliches Gewicht des Generators wird durch den Wegfall vom CVT Getriebe (wie beim Parallelhybrid und ICEV) überkompensiert Ergebnisse sprechen in der Gesamtbetrachtung für seriellen Hybrid folgende Untersuchungen beziehen sich nur auf seriellen Hybrid 9

10 4. Serielles Hybridsystem Ein E-Motor dient als Antriebseinheit Bei entladender BaIerie Aufladung durch VKM getriebenen Generator (REX) Gewähltes Hybridkonzept: Kleinere BaIerie als bei reinem EV Kosten-und Gewichtsreduktion, jedoch auch häufigere Ladung durch REX Zusätzliche Möglichkeit der Ladung über Netz (Plug in) zur weiteren C0 2 Reduktion 10

11 5. Basisauslegung des Hybridsystems Minimale Hinterradleistung für den Fall einer entleerten Batterie von 1kW wurde festgelegt (Leistungsanforderung für Fahrt bei max. 45km/h auf ebener Strecke) Da die VKM den Generator, welcher die elektr. Energie für den E-Motor liefert, antreibt BesFmmung der Wirkungsgrade aller Komponenten 11

12 6. E-Antrieb Wirkungsgrad E-Antrieb: Regler + Endstufe + Elektromotor Referenz für Eingangsdaten und weitere simulatorische Betrachtung: E- Antriebskennfeld vom PGO idep(e-scooter), durch Rollenprüfstand ermittelt 12

13 7. Generator-Subsystem Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad des Subsystems (Generator + Gleichrichter) wurde auf 80% festgelegt Aktuelle Untersuchungen am Generatorsubsystem bestätigen diesen Wert 13

14 8. Hybrid Antriebsstrang Wirkungsgradkette 14

15 9. Verbrennungsmotor Konzept Fahrzeugklasse L1e limitiert Hubraum auf 50cm³ Für ein gutes NVH Verhalten ist eine niedrige Motordrehzahl wichfg verschiedene Motorvarianten wurden verglichen Auswahl: 2-Takt- Motor, da hohes Drehmoment in Kombination mit leichter Konstruktion Dem Nachteil einer höheren Kohlenwasserstoff-Emission kann mit dem Einsatz einer Low-Cost-Direkteinspritzung begegnet werden Eine Wasserkühlung verbessert das NVH Verhalten 15

16 10. PackagingAnalyse Nachdem Größe der Batterie-und REX-Komponenten feststand Packaging Analyse 16

17 11. E-Motor-Definition Wahl eines Radnabenmotors kein Platz im Fahrzeugrahmen benöfgt, ungefederte Masse erhöht sich nur unwesentlich Motorleistung von 2kW mechanisch wurde durch Marktanalyse bestimmt und durch Simulationsergebnisse bestätigt Weitere Markterhebungen bezüglich des Radnabenmotors ergaben, dass dies die höchste verfügbare Dauerleistung für 10 Zoll Räder darstellt Kurzzeitiges Boosten auf 3kW ist möglich Erhöhung des Fahrspaßes 17

18 12. C0 2 -Reduktionspotenzial Zur Ermittlung des C0 2 -Reduktionspotenzials wurden verschiedene simulatorische Untersuchungen durchgeführt Die Längsdynamik-Simulation wurde für verschiedene genormte Fahrzyklen (ECE R47, WMTC, CADC, NEDC) mit der hauseigenen Software PHEM der TU Graz durchgeführt 18

19 13. Potenzial des RekuperativeBremsens Mit der Simulation unterschiedlicher Fahrzyklen zeigte sich in Abhängigkeit des jeweiligen Zykluses ein Energieeinsparpotenzial von 5-15% Dieser Vorteil muss allerdings dem höheren Aufwand eines komplexeren Antriebsstrangs gegenübergestellt werden 19

20 14. Betriebsstrategie des Range Extenders Mit einer weiteren Simulation im CADC-Fahrzyklus (urbaner Abschnitt) wurde die Betriebsstrategie des REX erforscht 20

21 14. Betriebsstrategie des Range Extenders Das gewählte Parameterset ergab eine um mehr als 40%ige Kraftstoffeinsparung gegenüber einem Standard Euro 3 ICE Scooter Verbrauchsvorteil ist allerdings stark vom Fahrzyklus abhängig Minderverbrauch erklärbar durch: Rekuperation Kein schwankender Betrieb des VKM REX-Wirkungsgrad am besten ICE-Scooter haben besonders im Teillastbereich schlechte Wirkungsgrade Der hohe Verbrauch wird beim ICE-Scooterunter anderem durch die schlechten Wirkungsgrade des CVT-Getriebes ( 65%) verursacht, im schlupfbehafteten Bereich ist dieser noch schlechter Bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit (eingeregeltescvt und stationärer VKM) ist kein Verbrauchsvorteil zu erwarten, da der Gesamtwirkungsgrad des Hybridantriebstrangs (52%) Wirkungsgrad CVT- Antriebsstrangs (65%) Grundkonzept eines PHEV ist somit bestätigt 21

22 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit 22