Energiemanagement vom 12V Verbraucherbordnetz zum elektrischen Antriebsstrang

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1 Fakultät Verkehrswissenschaften Friedrich List Institut für Automobiltechnik Dresden - IAD Lehrstuhl Fahrzeugmechatronik Energiemanagement vom 12V Verbraucherbordnetz zum elektrischen Antriebsstrang Prof. Dr.-Ing. B. Bäker Dipl.-Ing. S. Kutter Dipl.-Ing. L. Morawietz Dipl.-Ing. O. Cassebaum

2 Inhalt I. Motivation II. Verbraucherbordnetz III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen IV. Ausblick Elektrofahrzeug Folie 2

3 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen I. Motivation Folie 3

4 Einfluss neuartiger Fahrzeugfunktionen auf das elektrische Bordnetz Motor-Start-Stop Adaptives Kurvenlicht Bremsenergie- Rückgewinnung Intelligente Generatorregelung Elektrisches Bordnetz Hochwertige Infotainmentsysteme Bedarfsgeregelte (elektrisch betriebene) Nebenaggregate Elektrische Lenkunterstützung Elektronische Fahrwerksregelung Nahezu alle neuen Fahrzeugfunktionen beeinflussen das elektrische Bordnetz Folie 4

5 Entwicklung der elektrischen Leistung im Kraftfahrzeug Folie 5

6 Entwicklung der elektrischen Leistung von Generator und Batterie Beispiel für Mittelklassefahrzeug BMW 3er Serie Beispiel für Oberklassefahrzeug BMW 7er Serie Zahlen: BMW Fahrzeugkatalog Folie 6

7 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen II. Verbraucherbordnetz Folie 7

8 Nutzung der elektrischen Energie im Kfz Vorteile der elektrischen Energieform: gute Verteilbarkeit: rasch, zuverlässig, sauber, verlustarm sehr gute Steuerbarkeit: Kenngrößen einfach, genau und schnell messbar, steuerbar sehr gute Nutzbarkeit: lässt sich in alle Nutzenergieformen umwandeln gute Speicherfähigkeit: es existieren verschiedene Technologien mit unterschiedlicher Energie- und Leistungsdichte Reversibilität: generatorische und motorische Wandlung in einer Maschine möglich Nachteile beim Einsatz im Kfz: autarke Energieerzeugung mit geringer Wirkungsgradkette Energieerzeugung nur bei Betrieb des Verbrennungsmotors Energiepuffer ist notwendig Zahlen: [BOSCH-99] Folie 8

9 Schematisches Ersatzschaltbild Energiebordnetz Übertragung und Verteilung I Gen I Last Kabelbaum Schalter und Sicherungen I Bat G Regler M M Verbrennungsmotor Generator Batterie Starter Antrieb Erzeuger Speicher Verbraucher Folie 9

10 Klassifikation von elektrischen Verbrauchern Elektrische Verbraucher Einschaltdauer Kurzzeitverbraucher (z.b. Fensterheber) Langzeitverbraucher (z.b. Innenraumlüfter) Dauerverbraucher (z.b. Steuergeräte) Verwendungsart Komfortverbraucher (z.b. Sitzheizung) Systemverbraucher (z.b. Kraftstoffpumpe) Sicherheitssysteme (z.b. ABS) Informationssysteme (z.b. Navigation) Steuerbarkeit Nicht steuerbar (z.b. Licht, Steuergeräte) Teilweise steuerbar (z.b. Motorlüfter) Vollständig steuerbar (z.b. Heckscheibenheizung) Folie 10

11 Anforderungen an ein elektrisches Energiemanagement ökonomisch (Gesetzgeber, Kosten, Produktion) technisch (Technologien, Bauraum, Gewicht) ökologisch (Umweltverträglichkeit, Recycling) Elektrisches Energiemanagement -Effiziente Erzeugung -Effizienter Einsatz -Zuverlässige Bereitstellung Kundenanforderung (Komfort, Sicherheit, Fahrdynamik) Umweltbedingungen (Klima, Verkehr) Folie 11

12 Ausblick für ein zukünftiges elektrischen Energiemanagements Fahrerwunsch Umgebungsbedingungen Antrieb, Umwelt Monitor Fahrzustand Monitor Lastanforderung Verbraucherkoordinator bedingt steuerbare Verbraucher steuerbare Verbraucher Monitor Batterie Monitor Generator Steuerung Energieerzeugung Bordnetzspannung Batterieladung Batteriesensor Generatorregler Motorsteuerung Steuerung Verbraucher Folie 12

13 III. Energiemanagement im Hybridfahrzeug Folie 13

14 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen Architekturansätze Mikrohybrid Mildhybrid Mediumhybrid Fullhybrid Funktionsumfang Boosting passiv aktiv ja ja Rekuperation begrenzt / Überlast ja ja ja elektrisches Fahren nein nein begrenzt ja Start/Stop ja ja ja ja Bordnetz Spannungsebene(n) 12 V V V V E-Maschinen Bauart Klauenpol- Synchronmaschine KSG (synchron / asynchron) ASM / PSM PSM Leistung <5 kw <10 kw <15 kw >15 kw Zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs Folie 14

15 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen Tank M AC DC M 12 V Verbraucherbordnetz Hochspannungszwischenkreis M/G AC DC DC DC Batterie Darstellung hoher elektrischer Traktionsleistungen. Einsatz einer höheren Spannungsebene erforderlich. Folie 15

16 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen Freiheitsgrade im Hybridfahrzeug M/G Leistungsverteilung zwischen Verbrennungsmotor und Elektromotor zur Darstellung der Gesamttraktionsleistung 2. Bremsleistungsverteilung zwischen Elektromotor und Reibbremse 3. Getriebestufe 4. Kupplungsstellung Folie 16

17 III. Energieübertragung im Kfz Unidirektionaler Energiefluss Kraftstofftank Elektr. Speicher E chem E elek-chem E elek-stat Verbrennungsmotor E-Maschine(n) E chem E therm W mech Getriebe / Antriebsstrang W mech E elek W mech Räder Elektromotorischer Zweig W mech Konventioneller Antriebsstrang E kin E pot Bidirektionaler Energiefluss Folie 17

18 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen Fahrzeugbetrieb P Rad >0, M Rad >0 P Rad =0, M Rad =0 P Rad <0, M Rad <0 Vortrieb Schub/ Stillstand Verzögerung - reiner EM Betrieb - reiner VM Betrieb -EM+VM Betrieb -VM Leerlauf - VM+EM inaktiv - VM+EM als Generator - reiner EM-Betrieb (Rekuperation) - EM+mech. Bremse - rein mech. Bremsen Nutzung des jeweils günstigsten Betriebsmodus` Erfordernis der Bewertung d. Zustände und ihrer physikalischen Grenzen Folie 18

19 III. Konkurrierende Fahrzustände beim Hybrid Gang SOC Fahrgeschwindigkeit Wunschmoment Betriebsoptionen + Moment LPA Boost VM VM EM Bremse EM Betriebsmodus Betriebsgrößen (EM,VM ) EM -gen VM -schlepp Drehzahl - Bremse Folie 19

20 III. Ansätze für das Antriebsmanagement Antriebsmanagement -zwei konkurrierende Ansätze- Optimalsteuerung Systembeschreibung mittels (Differential)-Gleichungen Diskretisierung der Zeit sowie der Freiheitsgrade Ermittlung der optimalen Kombination der zeitlichen Steuergrößenverläufe unter Beachtung von Optimierungsziel und Randbedingungen Regelalgorithmen Systembeschreibung mittels (Differential)gleichungen Festlegung von energetisch sinnvollen Übergängen zwischen Betriebsmodi definierte logische Handlungsstrukturen pro: bestmögliche Zielfunktionserfüllung bei bekanntem Lastzyklus pro: Lastzyklen unabhängige Funktion geringe Rechenleistung contra: rechenintensiv ohne Prädiktion beschränktes Potential nur für konkretes Lastkollektiv contra: Suboptimalität (ggf. Adaption) Expertenwissen erforderlich Komplexe Steuer- und Regelstrukturen Folie 20

21 III. Verbrauchseinsparung bei prädiktiver Optimalsteuerung sinnvoller Prädiktionshorizont steigende Durchschnittsgeschwindigkeit, sinkende Dynamik des Fahrprofils * Einflussfaktoren: Geschwindigkeitsprofil (Dynamik, mittlere Geschwindigkeit) Höhenprofil Fahrzeugmasse Maximalleistung d. E- Maschine Kapazität des Speichers Überlastfähigkeit von E- Maschine und Speicher IAD, TU Dresden 2007 Bereits mit einem kleinem Prädiktionshorizont kann ein Großteil des Verbrauchspotentials erschlossen werden! Folie 21

22 VI. Ausblick Elektrofahrzeug Folie 22

23 IV. Energie im Fahrzeug massenspezifische Energie zu Dieselkraftstoff [%] Wasserstoff 294,39 irreversible Energieträger 116,82 100,00 98,13 49,07 16,82 reversible Energiespeicher 2,31 1,01 0,55 0,34 0,05 Methan Diesel Benzin Methanol Li-Legierung (Potential) Li-Ion NiMH NiCd Pb Doppelschichtkondensator Bilanz/Vergleich zwischen Energieträgern und Energiespeichern Massespezifische Energie von stoffgebundenen Energieträgern ist unerreicht Leistungsdichte der irr. Energieträgern quasi unendlich (vgl. Explosion) Nachteil der Irreversibilität Reversible Speichertechnologien werden stetig verbessert Weiteres technologisches Potential vorhanden (nanostrukturierte Elektroden ) Folie 23

24 IV. Ausblick Elektrofahrzeuge Elektrofahrzeug mit Traktionsbatterie: Klimakompressor M AC DC M 12 V Verbraucherbordnetz Hochspannungszwischenkreis M/G AC DC DC DC Elektromotor / -generator Traktionsbatterie Die Topologie des Elektrofahrzeugs ergibt sich aus der des Vollhybridfahrzeugs unter den Verzicht auf den Verbrennungsmotor Folie 24

25 IV. Ausblick Elektrofahrzeuge Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle: Klimakompressor M AC DC M 12 V Verbraucherbordnetz Hochspannungszwischenkreis M/G AC DC DC DC Elektromotor / -generator Pufferbatterie DC DC Brennstoffzelle Im Vergleich zum reinen Elektrofahrzeug steigt der Systemaufwand beim Brennstoffzellenfahrzeug insbesondere durch erforderliche Nebenaggregate (z.b. Kompressor ) und Entwärmung deutlich an. Folie 25

26 IV. Ausblick Elektrofahrzeuge Technologische Komplexität / Relativer Traktionsanteil Traktionsanteil des VMs Start-Stopp Konventionelles (VM) Kraftfahrzeug Hybridisierung der Traktion Hybrid I BTL GTL Range extended Elektrofahrzeuge bzw. Hybride II Hybride mit entfeinten Downsizing Motoren Brennstoffzellenfahrzeug Elektrofahrzeug Traktionsanteil der E-Maschine Zunehmende Marktinhomogenität Zeit Folie 26

27 IV. Ausblick Elektrofahrzeuge ecorner: Hochintegrierter, radindividueller Elektroantrieb; ideal in Kombination mit elektrischer Keilbremse hohe gestalterische, fahrdynamische Freiheitsgrade weitere Forschungsaspekte: Steuer-/ Regelbarkeit Bauraumeffizienz Leistungsdichte Energieeffizienz Qualität und Zuverlässigkeit Erweiterte Funktionen Quelle: Siemens VDO Folie 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 28

29 III. Energiemanagement in Hybridfahrzeugen Gemessenenes Geschwindigkeitsprofil Niesky-Bautzen-Dresden 200 NY_TO_DD Länge: 107 km Durchschnitt: 82 km/h 7000 Histogramm Geschwindigkeit [km/h] Absolute Häufigkeit Geschwindigkeit [km/h] Zeit [s] Folie 29