1. Ziel dieses Praktikums Literatur- und Bilderverzeichnis Einleitung Hybridtechnik... 3

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1 Stand: Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Versuch Hybridfahrzeuge M. Klein, C. Rohde Praktikum: Elektrische Mobilität Inhaltsverzeichnis 1. Ziel dieses Praktikums Literatur- und Bilderverzeichnis Einleitung Hybridtechnik Mikro-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid Unterteilung der Full-Hybrids Serieller Hybridantrieb Paralleler Hybridantrieb Leistungsverzw. Hybridantrieb Daten und Fakten Porsche Cayenne Hybrid Übersicht Hybrid Fakten Kosten Nutzen Vergleich Systemübersicht der Hybridkomponenten Freischalten des Cayenne Hybrid Datenerfassung / Messungen Erfassen der Ströme der elektrische Maschine im Generator- Betrieb Testfahrt mit Datenlogger Beschreibung der Testfahrt Auswertung CAN - Datenerfassung Kontrollfragen... 13

2 1. Ziel dieses Praktikums Hybridfahrzeuge erfahren gegenwärtig einen enormen Aufschwung. Die Fahrzeughersteller arbeiten zurzeit an vielen Konzepten. Ziel dieses Praktikums ist es dabei, die unterschiedlichen Hybrid-Stufen, sowie die unterschiedlichen Antriebskonzepte kennen zu lernen. Dabei steht zum Praktikum ein Porsche Cayenne Hybrid zur Verfügung, an dem das Antriebskonzept des Vollhybriden näher erläutert und kennen gelernt werden soll. Vorkenntnisse / Vorbereitung Hybridsysteme Elektrifizierung von Komponenten im Fahrzeug Leistungsschütz-Verschaltung bei einem Hybrid. Vor- und Nachteile NiMH-Akkumulatoren gegenüber Li-Ion-Akkumulatoren Messung im CAN-System In welchen Steuergeräten sind die Istwerte unter 6.2 auszulesen? Nehmen sie dazu Abb.8 zu Hilfe. Hinweis: Zum Praktikum ist je Gruppe ein USB-Stick mitzubringen, um die aufgenommenen Daten mitnehmen zu können. 2. Literatur- und Bilderverzeichnis [1] Peter Hofman: Hybridfahrzeuge Ein alternatives Antriebskonzept für die Zukunft, Springer Verlag, ISBN [2] Konrad Reif, Bosch: Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe, Hüthig Verlag Heidelberg, 1. Auflage 2010, ISBN [3] Porsche AG: Werkstattinformationen Cayenne S Hybrid [4] Porsche AG: Cayenne S Hybrid Zusatzbetriebsanleitung [5] VW AG: Selbststudiumprogramm Der Touareg Hybrid [6] Abbildung 1 7 VW AG: Selbststudiumprogramm Der Touareg Hybrid [7] Abbildung Porsche AG: Cayenne S Hybrid Zusatzbetriebsanleitung 2

3 3. Einleitung Hybridtechnik Die Hybridtechnik im Fahrzeugbau ist eine Kombination aus zwei verschiedenen Antriebstechniken. Zurzeit versteht man darunter die Kombination von Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine. Es werden zwei in ihrer Eigenschaft unterschiedliche Antriebe so miteinander kombiniert, dass die Vorteile des einen Systems die Nachteile des anderen Systems kompensieren. Die E-Maschine kann als Motor zum Fahren, als Anlasser und als Generator verwendet werden. Es können je nach Aufbau drei Grundarten unterschieden werden: Abbildung 1: Übersicht Hybrid der Mikro-Hybridantrieb der Mild-Hybridantrieb der Voll-Hybridantrieb Abbildung 2: Mikro-Hybrid 3.1 Mikro-Hybrid Der Mikro-Hybrid stellt die kleinste Modifikationsstufe dar. Der konventionelle Generator und Anlasser werden zu einem leistungsfähigeren Starter- Generator zusammengefasst. Somit ist eine Start- Stopp Funktion möglich. Außerdem wird durch Rekurperation Bremsenergie zurück gewonnen. Aufgrund dessen ist eine Anpassung der Batterie notwendig. Durch den Einsatz dieser Technik ist eine Kraftstoffersparnis von 5-10% möglich. Abbildung 3: Mild-Hybrid 3.2 Mild-Hybrid Der Elektromotor unterstützt den Verbrennungsmotor im Fahrbetrieb, allerdings ist ein rein elektrisches Fahren nicht möglich. Es gibt zwei getrennte Spannungsebenen, ein Hochvoltnetz und ein 12V Bordnetz. Beim Mild-Hybrid wird ein größerer Teil der Bremsenergie zurück gewonnen, aufgrund der leistungsfähigeren, elektrischen Maschine. Die E- Maschine unterstützt den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen oder Boosten und kompensiert somit schwächen des Verbrennungsmotors. Die Kraftstoffersparnis liegt hier bei 15-20%. 3

4 3.3 Voll-Hybrid Der Voll-Hybrid kann rein elektrisch fahren und hat die leistungsstärkste E-Maschine. Die E-Maschine unterstützt immer sobald es die Bedingungen zu lassen bzw. werden langsame Fahrten rein elektrisch ausgeführt. Teilweise müssen die Nebenaggregate, wie Klimaanlage, Unterdruckpumpe etc. elektrifiziert werden. Es ist wieder eine Start-Stopp Funktion integriert sowie rekuperatives Bremsen möglich. Die Kraftstoffersparnis liegt hier bei etwa 30%. Abbildung 4: Voll-Hybrid Unterteilung der Full-Hybrids Serieller Hybridantrieb Das Fahrzeug hat einen Verbrennungsmotor, der meist im optimalen Betriebspunkt läuft, welcher über einen Generator die Traktionsbatterie lädt. Von dieser Batterie nimmt sich der Elektro-Motor seiner Energie zum Antrieb des Fahrzeuges. Es besteht keine Möglichkeit das Fahrzeug rein über den Verbrennungsmotor an zu treiben. Abbildung 5: serieller Hybrid Abbildung 6: paralleler Hybrid Paralleler Hybridantrieb Verbrennungsmotor und Elektrische Maschine lassen sich getrennt voneinander betreiben. Bei dieser Art kommt meist nur eine Elektrische Maschine zum Einsatz welche Anlasser, Generator und Antrieb vereint. Diese Art ist am einfachsten, da sich so herkömmliche Fahrzeuge mit geringem Entwicklungsund Implementierungsaufwand hybridisieren lassen und eine hohe Dichte an übernahmeteilen erreicht wird. 4

5 Abbildung 7: leistungsverzweigter Hybrid Leistungsverzw. Hybridantrieb Elektrische Maschine und Verbrennungsmotor sitzen auf der Vorderachse und treiben das Fahrzeug gemeinsam an. Da die beiden Maschinen mit einem Planetengetriebe miteinander verbunden sind, wird nicht die Summe der Einzelleistungen, auf die Räder übertragen, sondern sie wird zum Teil zum Laden des Akkus und zum Teil als Antriebsleistung genutzt. Es kann auch noch eine zweite E-Maschine auf der Hinterachse positioniert werden, welche dann bei Bedarf aktiviert wird. Außerdem sind unterschiedliche Betriebsmodi möglich, vom rein elektrischen Fahren, dem gemischten Fahren bis zum reinen Fahren mit dem VM. 4. Daten und Fakten Porsche Cayenne Hybrid 4.1 Übersicht Zielsetzung von Porsche war es, die bewährten Eigenschaften des Cayenne bei zu behalten: - Steigfähigkeit - Geländetauglichkeit - hohe Anhängelast - leistungsstarker Antrieb - Komfort für die Insassen Deshalb wurde der Cayenne als Parallelhybrid gebaut, welches die entscheidenden Vorteile mit sich bringt: - Integration der Hybridkomponenten ohne Rohbauänderung - weitgehende Nutzung der Serienkomponenten - Minimierung der hybridspezifischen Produktkosten - Wartungsfreiheit der Hybridkomponenten Dabei wurden folgende Komponenten elektrifiziert: elektrische Kühlmittelpumpe elektrische Lenkunterstützung elektrische Unterdruckpumpe zur Bremskraftunterstützung elektrischer Klimakompressor elektrische Druckpumpe für den Öldruck im Automatikgetriebe 5

6 Tabelle 1: Daten Porsche Cayenne Hybrid Verbrennungsmotor Hubraum, Leistung und Drehmoment VM Elektromaschine Leistung und Drehmoment EM Getriebe maximale Leistung im E-Boost maximales Drehmoment im E-Boost Höchstgeschwindigkeit Fahrzeug max. Geschwindigkeit mit E-Motor zusätzliches Gewicht durch Hybridkomponenten 6-Zylinder V-Motor mit Kompressoraufladung 2995 cm³ / 245 kw (333 PS) / 440 Nm Permanentmagneterregung Synchronmaschine 34 kw (47 PS) / 300 Nm 8 Gang Automatikgetriebe 279 kw (380 PS) 580 Nm 240 km/h ca. 60 km/h 175 kg Batterie Sanyo, 30 Blöcke mit je 10,5V Spannung der Hochvoltbatterie 288 V (2x 144 V) Kapazität der Hochvoltbatterie 4.2 Hybrid Fakten Vorteil: Nachteil: 6,5 Ah entspricht 1,87 kwh Antriebskonzept Paralleler Hybridantrieb eine E-Maschine ist mit dem Getriebe, auf einer Welle, starr verbunden und wird mechanisch über eine Kupplung mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt und kann generatorisch sowie motorisch arbeiten rein elektrisches Fahren ist möglich durch Trennen der Kupplung VM kann unabhängig vom Zustand der E-Maschine bei geschlossener Kupplung seine Leistung direkt auf die Antriebsachse abgeben Elektrifizierung der Nebenaggregate ermöglicht entkoppelten Betrieb und somit einen effizienteren Einsatz des Systems (z.b. Klimaanlage / Klimakompressor) Start-Stopp-Funktion des Verbrennungsmotors Momentenaddition beider Antriebe, d.h. Beschleunigungsunterstützung / Drehmomentunterstützung ( Boosten ) Bremsenergierückgewinnung /rekuperatives Bremsen Hoher Gesamtwirkungsgrad konventioneller Antriebsstrang kann beibehalten werden, geringerer Entwicklungsund Implementierungsaufwand im Gegensatz zu den seriellen oder leistungsverzweigten Konzepten durch direkte Anbindung der E-Maschine an VM (Kupplung) kann der Betriebspunkt nicht frei gewählt werden Kostensteigerung 6

7 4.3 Kosten Nutzen Vergleich Tabelle 2: Kosten vs. Nutzen Cayenne 1 Cayenne Hybrid 2 Preis EUR ,80 EUR ,00 Verbrauch Innerorts in l/100 13,2 8,7 Verbrauch Außerorts in l/100 8,0 7,9 Verbrauch kombiniert in l/100 9,9 8,2 Co2-Emmission in g/km Bei dem Porsche Cayenne Hybrid ergibt sich gegenüber einen herkömmlichen Cayenne innerorts eine Ersparnis von 4,5l/100km, damit kommt man mit folgender Formel auf ca Amortisationskilometer. Im Kombinierten Verkehr kommt man bei derselben Rechnung schon auf ca km. Allerdings spart man pro gefahrenen Kilometer im Schnitt 37g CO2-Emission. 4.4 Systemübersicht der Hybridkomponenten In Abbildung 8 ist die Systemübersicht des Hybridsystems dargestellt. Die Darstellung beinhaltet alle elektrifizierten Teile, sowie alle sicherheitstechnischen Ergänzungen. Der Cayenne verfügt über 6 CAN-High Speed Busse, einen LIN Bus sowie einen MOST Bus. Mit dieser Übersicht kann man sich nun einen Überblick verschaffen und Abläufe oder Zusammenhänge besser verstehen. Beispielsweise wird angelehnt an die ECE R-100 der Verbrennungsmotor wieder in Betrieb genommen bzw. wechselt das Auto NICHT in den Elektro-Modus wenn folgende Kriterien erfüllt sind: Fahrer nicht angeschnallt Fahrertür offen Motorhaube offen Gangschalter Getriebe Pos. P Dies ist eine Sicherheitstechnische Funktion die Gewährleistet, dass der Fahrer zu jeder Zeit den Betriebszustand seines Autos kennt : 10:51Uhr : 10:51Uhr 7

8 Abbildung 8: Systemübersicht 8

9 5. Freischalten des Cayenne Hybrid Der Cayenne muss bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten Spannungsfrei geschaltet werden, da bei Berührung spannungsführender Teile Lebensgefahr besteht. Zündschlüssel ziehen Wartungsstecker an der HV-Batterie ziehen. Wartungsstecker verbleibt bei der jew. EUP/EFK 3 5min Wartezeit Pilotlinienstecker ziehen (vgl. Abb.9) Ziehen der HV-Kabel an der HV-Batterie Feststellen der Spannungsfreiheit (Batterieseitig und HV-Leitungsseitig) durch Spannungsmessung o HV+ gegen HVo HV+ gegen Fahrzeug-Masse o HV- gegen Fahrzeug-Masse Wartungsstecker Pilotlinienstecker Zündschlüssel HV-Plus HV-Minus Abbildung 9: Batteriepack - Kofferraum freigeschaltet Während der Freischaltung wird genauer auf die Hochvoltschütz-Verschaltung sowie die Sicherheitslinie eingegangen. Abbildung 10: Schützverschaltung 3 EUP-Elektrotechnisch unterwiesene Person EFK- Elektro-Fachkraft 9

10 6. Datenerfassung / Messungen 6.1 Erfassen der Ströme der elektrische Maschine im Generator- Betrieb Ziel dieses Versuchs ist es am Fahrzeug die Ströme der einzelnen Phasen von der E- Maschine zu messen. Der Verbrennungsmotor muss dabei laufen, damit die E-Maschine als Generator läuft. Der VM arbeitet, sobald die Motorhaube geöffnet wird. Die Ströme werden mit Stromwandlern LEM HTR 200 bzw. HTR 300 gemessen. Sie erfassen mittels Hallprinzip den zu messenden Strom. Die Messwandler werden im Motorraum an den Hochvoltleitungen angebracht und über Messleitungen an die Verteilerbox geführt. Die Aufgabe der Verteilerbox ist es, die Wandler mit Spannung zu versorgen und die Signale zum Oszilloskop weiter zu leiten. In die Verteilerbox gehen die Signale der Wandler ein und werden fürs Oszilloskop verteilt. Außerdem werden die Wandler mit +(12 15)V und (12 15)V Spannung versorgt. Abbildung 11 Wandler an den HV-Leitungen Die Spannungsversorgung der Wandler wird mit einem Spannungsversorgungsgerät der Firma Statron des Typ 3222 realisiert, welches in der Lage ist zwei Spannungen zu generieren. Zum Visualisieren der Signale kommt ein Oszilloskop der Firma Tektronix TDS 2024B zum Einsatz. Die Geräte sind mit Hilfe der Verteilerbox, laut Schaltplan zu verschalten. Die Messung geschieht bei laufendem Verbrennungsmotor da nur so die elektrische Maschine als Generator arbeiten kann. Die Ströme sind auf dem Oszilloskop so zu skalieren das alles ordentlich zu erkennen ist. Das Oszilloskop ist in der Lage, die Daten des angezeigten Bildes auf einen Stick abzuspeichern (Stick anstecken und die Taste PRINT drücken). 10

11 Abbildung 12: Anschlussplan Spannungswandler, Verteilerbox 6.2 Testfahrt mit Datenlogger Es wird eine Testfahrt auf dem HTW-Gelände durchgeführt. Folgende Daten werden dabei mit einem Notebook, einem CAN-Case und der Porsche eigenen Anwendung PIDT aufgenommen. Traktionsbatteriestrom pack_current Spannung HV-Seite DC_DC_transformer_highvoltagesection_voltage_actual_value Motordrehzahl Engine RPM Geschwindigkeit Vehicle Speed Sensor Statorfrequenz Stator_frequency Beschreibung der Testfahrt Zündung ein Traktionsbatterie mindestens halbvoll Während der Fahrt müssen Fahrer und Beifahrer angeschnallt sein. Abbildung 13: Kombiinstrument 11

12 Gangwahlhebel Stellung P, Bremspedal treten, Motor starten, E-Mode Schalter OFF (auch wenn VM nicht läuft, ist das Fahrzeug jetzt fahrbereit) Abbildung 14: E-Mode Schalter Mittelkonsole Starten der Messung PIDT Gangwahlhebel in Stellung manuelles Schalten bringen (erster Gang) erste Runde fahren mit E-Motor, Geschwindigkeit ca. 15 km/h Abbildung 15: Kombiinstrument am Ende der ersten Runde kurzen Gasstoß, VM springt an zweite Runde mit VM fahren, Geschw. ca. 15 km/h nach der Zweiten Runde anhalten (sollte VM ausgehen, Fahrertür öffnen) Drehzahl im Stillstand des Fahrzeuges langsam bis zum Maximalwert bringen (ca /min), kurz halten, vom Gas gehen, Leerlauf einstellen lassen Messung stoppen, Fahrzeug ausschalten Abbildung 16: Kombiinstrument Nach dem Speichern der Messdaten werden die Daten der csv-datei in die Vorlage Messfahrten.xltx übertragen welche hier weiter bearbeitet werden können. Auswertung Auswerten der Diagramme, Betriebszustände bestimmen, Polpaarzahl der E-Maschine bestimmen. 1: Daten der Testfahrt: Kopieren Sie die Daten aus der dataloggerprotocol.cvs in die Vorlage_Messfahrten.xltx. Es sind drei Diagramme mit folgenden Parametern zu erstellen: Batteriestrom, Fahrzeuggeschwindigkeit und Motordrehzahl über der Zeit Motordrehzahl und Statorfrequenz über der Zeit Batteriestrom und Batterie Spannung über der Zeit Es ist dabei auf die einzelnen Betriebszustände einzugehen (Kennzeichnung im Diagramm). 12

13 2: Phasenströme: Kopieren Sie dazu die Daten des Oszilloskops in die Vorlage_Phasenströme.xltx, rechnen Sie den ausgegebenen Spannungswert in den eigentlichen Phasenstrom um und Werten Sie das Diagramm aus. 6.3 CAN - Datenerfassung Die Batterie nimmt in einem Hybrid eine entscheidende Rolle ein. Anhand des Batteriemanagments (BECM), unter Hilfe des Programmes CANoe der Firma Vector Informatik, sollen daher einige Betriebsparameter ausgelesen und verglichen werden. CAN Hybrid: Auslesen des SOC (state of charge) Vergleich Kombiinstrument Ansteuern der Batterielüfter-Motoren CAN-Komfort: Abfragen und Ansteuern von Lichtsignalen 7 Kontrollfragen 1: Bestimmen Sie anhand der gewonnenen Daten die Polpaarzahl der E-Maschine! 2: Erläutern sie die Elektrifizierung des Cayenne! Gehen Sie dabei auch auf die 12V Komponenten ein! 3: Warum muss nach dem ziehen des Wartungssteckers eine Wartezeit von 5 Minuten eingehalten werden? 4: Erläutern Sie die Aufgabe und die Funktion der Sicherheitslinie. 13

14 Notizen: Legende a Wartungsstecker b Sicherheitsstecker 1 c Traktionsnetz-Verteilerdeckel d Sicherheitsstecker 2 e Steckerverbindung Klimakompressor f Klimakompressor g Leistungselektronik h 3-Phasendeckel Leistungselektronik i Anschlussbox E-Maschine k Steuergerät für Batterieregelung l 14-poliger Sensorstecker Motorverkabelung m E-Maschine n Hochvoltbatterie mit E-Box Quelle: VW AG Selbststudiumprogramm Der Tourag Hybrid Aufgabe: Funktion: 14

15 Notizen: 15

16 Notizen: 16