ELEKTRIFIZIERUNG AUDI A2

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Herbert Fürst
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1 ELEKTRIFIZIERUNG AUDI A2 Auslegungsaspekte für den elektrischen Antrieb eines Konzept- und Forschungsfahrzeuges Prof. Dr.-Ing. Jörn Getzlaff, Dipl.-Ing. (FH) Alexander Böhm Tagung Mobil in die Zukunft, Zwickau 13./14. Juni

2 Inhaltsverzeichnis 1. Anforderungen 2. Konzepte für den elektrischen Pkw-Antrieb 3. Elektrisches Downsizing 4. Packagekonzept Radnabenmotoren 5. Übersicht Marktverfügbarkeit Radnabenmotoren 6. Packagekonzept Motorraum 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften 8. Zusammenfassung 2

3 1. Anforderungen Konventioneller PKW bezahlbar sicher alltagstauglich komfortabel gute Fahrdynamik hohe Reichweite hohe Spitzengeschwindigkeit akzeptable Unterhaltungskosten Elektro PKW bezahlbar sicher alltagstauglich komfortabel emissionsfrei akzeptable Reichweite Haltbarkeit Ladetechnologie Alternative zu konventionellen Antrieben (Umweltaspekt) Technologieträger (WHZ) im Budget bezahlbar sicher (Prototyp) moderate Reichweite Range Extender Duale Speicherkonzepte Batterie - Supercaps Haltbarkeit Ladetechnologie Elektr. Differenzial Fahrdynamik/ Regelsysteme Fahrsicherheit ABS, ESP Dauerhaltbarkeit 3

4 2. Konzepte für den elektrischen Pkw-Antrieb 4

5 2. Konzepte für den elektrischen Pkw-Antrieb 2.1 gewähltes Antriebssystem VM + Generator Vorteile: absolute Freiheit in der Konstruktion des Fahrzeugantriebes und der Fahrzeugpackages Wegfall des Differenzials Kombination Rad-Feder-Antriebselement möglich Getrennte Ansteuerung ermöglicht erweiterte fahrdynamische Eigenschaften Gute Fahrdynamikregelungen Elektrisches Downsizing Nachteil: Nur einstufiges Getriebe möglich Erhöhung der ungefederten Massen Begrenzte Auslegungsfreiheit der E-Maschine Teures Konzept aufgr. der mehreren Maschinen erweiterte Regelung des Antriebsmanagement und der Fahrdynamik 5

6 Drehmoment [Nm] mech. Leistung [kw] 3. Elektrisches Downsizing 30 kw Asynchronmaschine 600 Maximales Drehmoment Maximale Leistung Dauermoment Dauerleistung Drehzahl [1/min] 6

7 Drehmoment [Nm] mech. Leistung [kw] 3. Elektrisches Downsizing 30 kw Asynchronmaschine 600 Maximales Drehmoment Maximale Leistung Dauermoment Dauerleistung V=50km/h 5kW 500 U/min (Direktantrieb) Arbeitsbereich 50 km/h Drehzahl [1/min] 7

8 Drehmoment [Nm] mech. Leistung [kw] 3. Elektrisches Downsizing kw Asynchronmaschine Ziel: elektrisches Downsizing Verschiebung des Arbeitsbereiches in einem Bereich besseren Wirkungsgrades durch kleinere Motoren V=50km/h 5kW 500 U/min Drehzahl [1/min] 8

9 4. Packagekonzept: Radnabenantrieb Radnabenmotor Radkasten Reifen Radträger Felge Trommelbremse 9

10 4. Packagekonzept: Radnabenantrieb Packagekonzept Variante 1: - Radnabenmotor integriert direkt an der Trommelbremse (15 Zoll-Felge originale Abmessungen) Vorteil: - minimaler konstruktive Anpassung des Radnabenantriebes - Radnabenantrieb am Markt verfügbar Nachteil: - große Spurverbreiterung (ca. 60mm pro Rad) - Karosseriearbeiten Kotflügel notwendig 10

11 4. Packagekonzept: Radnabenantrieb Packagekonzept Variante : - Radnabenmotor integriert direkt um die Trommelbremse (18 Zoll-Felge max. zulässig, ABE) Vorteil: - minimale Anpassung Kotflügel - größerer E-Motor generiert mehr Drehmoment Nachteil: - Neukonstruktion Radnabenantrieb - thermische Probleme Trommelbremse/E-Motor 11

12 5. Übersicht Marktverfügbarkeit Protean Electric Limited (UK) PD18 LV v.5: 64 Kw Dauerleistung 515 Nm Nenn-Drehmoment 29 Kg (0,45 kg/kw) Abmessungen Ø 420mm x 115mm Preis pro Motor vor Steuern inkl. Leistungselektronik (313 /Kw) 12

13 5. Übersicht Marktverfügbarkeit E-Motiontech GmbH (Regensburg) RM 8/8: 8 kw Dauerleistung 15 kw Spitzenleistung (15s) 40 Nm Nenn-Drehmoment 160 Nm Spitzen-Drehmoment (15s) 22 Kg (2,75 kg/kw) Abmessungen Ø 320mm x 105mm Preis pro Motor vor Steuern inkl. Leistungselektronik (2.281 /kw) 13

14 6. Packagekonzept: Motorraum WKM: MZ 125 RT Arbeitsverfahren 4-Takt Anzahl Zylinder/Ventile 1 / 4 Art der Kühlung flüssig gekühlt Hubraum 125cm³ Verdichtung 11,2 Leistung 11 kw bei 9000 U/min Drehmoment 11,7 Nm bei 8500 U/min Weitere Eigenschaften: - integrierter Anlasser - Integrationsfähigkeit in den Kühlkreislauf - an WHZ verfügbar 14

6. Packagekonzept: Motorraum Generator: PGS 120 von Perm-motor (permanent-erregte Synchronmaschine) Drehzahlbereich 1500 6000 U/min

15 6. Packagekonzept: Motorraum Generator: PGS 120 von Perm-motor (permanent-erregte Synchronmaschine) Drehzahlbereich U/min Leistung (Luftkühlung) 2,2 7 kw Leistung (Wasserkühlung) 2,2 11 kw max. Wirkungsgrad % (drehzahlabhängig) Quelle: 15

16 6. Packagekonzept: Motorraum el. Kältemittelkompressor: BEHR-HELLA Antrieb 288 V Wechselstrom Steuergerät/Inverter integriert Kältemittel R134 Preis ca

17 6. Packagekonzept: Motorraum Packagekonzept: Aufteilung des Motorraum in 2 Bereiche: RangeExtender (MZ-Motor 125RT) Tank, Steuerung Motor (Airbox) Generator (PGS 120 Perm-motor) el. Klimakompressor (BEHR-HELLA) Steuerelektronik rechts links Gestaltung in Modulbauweise bietet optimale Grundlage für spätere Entwicklungsstufen und einen einfachen Austausch des Range-Extender 17

18 6. Packagekonzept: Motorraum Klimakompressor Bauraum für Leistungselektronik Längsträger Range-Extender MZ 125 RT Generator PGS

19 6. Packagekonzept: Motorraum Bauraum für Tank und Steuerung Frontansicht Seitenansicht 19

20 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Die Erhöhung ungefederter Massen am Rad kann folgende Auswirkungen haben: Erhöhtes Massenträgheitsmoment erhöhte Kräfte bei Beschleunigungen in Rotationsrichtung Erhöhung der ungefederten Masse bewirkt eine größere Anregung des Fahrzeugaufbau Folgen - Erhöhte Brems- und Beschleunigungskräfte - Komfortabbau und Handlingsverluste 20

21 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Fahrzeugaufbau Physikalisches Model: Rad (inkl. Radnabenmotor) M V M S B S, B t K s, K t gefederte Masse ungefederte Massen Dämpferkoeffizienten Federkoeffizienten Reifen Quelle: D.J. van Schalkwyk, M.J. Kamper: Effect of Hub Motor Mass on Stability and Comfort of Electric Vehicles University of Stellenbosch, Soth Africa,

22 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Studie zweier Fahrzeuge im Vergleich Standardantrieb Radnabenantrieb (4x4) Fahrzeug Model Fahrzeug Model Gesamtmasse [kg] gefederte Masse [kg] ungefederte Masse [kg] K S [N/m] B S [Ns/m] K t [N/m] B t [Ns/m] Alle Konstanten, wie Dämpfung und Feder-Koeffizienten, werden für beide Fahrzeuge unverändert verwendet! 22

23 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Frequenzgang-Analyse des Feder/Dämpfer-Systems unter wechselnden Fahrbahnbedingungen (Bode-Diagramm): Übertragsfunktion für den Standardantrieb: (1) Übertragsfunktion für den Radnabenantrieb: (2) 23

24 Phasenwinkel [deg] Betrag [db] 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Eigenfrequenz 9 rad/s 10 rad/s 18 rad/s 15 rad/s Phasen-Schnittfrequenz Bode Diagramm 40 rad/s 60 rad/s 2. Eigenfrequenz Standardantrieb Radnabenantrieb Indikatoren für ein instabiles System: Frequenzgang-Analyse des Feder/Dämpfer- Systems unter wechselnden Fahrbahnbedingungen Phasen-Schnittfrequenz bei 180 Phasenwinkel - mehr als 1dB bis zu einem Wert von 180 Phasenwinkel Indikatoren sind nicht erfüllt! System ist stabil Frequenz [rad/s] 24

25 1. Eigenfrequenz [Hz] 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Nutzlastanalyse: Kritischer Bereich 3 Hz Standardantrieb Radnabenantrieb Ladegewicht [kg] Ergebnis : Resonanzfrequenz nimmt ab bei zunehmender Beladung 25

26 Auslenkung ungefederte Massen [mm] 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Falltest: Standardtest für die Fahrwerksdämpfung und Schwingungsanalyse Sprunghöhe: 80 mm Standardantrieb Radnabenantrieb Ergebnis: Kein wesentlicher Unterschied zw. Standardantrieb und Radnabenantrieb Geringfüge Abweichung bei der Spitzenauslenkung: Achtung Reifen mit geringer Flankenhöhe u.u. Durchschlag möglich Zeit [s] 26

27 Auslenkung ungefederte Massen [mm] 7. Auswirkungen des Radnabenantriebes auf die Fahreigenschaften Mehrfachauslenkung bei 5 km/h und 50 km/h: Befahrung einer harmonischen Straßenoberfläche mit einer Reihe von Bodenwellen 50 km/h Ergebnis: Bei entsprechender 5 km/h Abstimmung des Zusatzgewichtes der Radnabenmotoren auf die vorhanden Standardantrieb Radnabenantrieb Fahrwerkskomponenten sind keine nennenswerten Einflüsse auf die Stabilität des Fahrzeugs und dessen Frequenzgang Zeit [s] (Resonanz) innerhalb des Zeit [s] akzeptierten Komfortbereiches zu erwarten. Ergebnis: deutliche Vibration beider Fahrzeuge bei 5 km/h Radnabenantrieb erzeugt eine kleinere Amplitude bei gleicher Frequenz Beginn der Erregung durch Sprungantwort beim Radnabenantrieb Bei höheren Geschwindigkeiten beginnen beide Systeme über Bodenwellen zu gleiten 27

28 Was unterscheidet uns von bestehenden Elektrofahrzeugen an anderen Hochschulen? Direktantrieb mittels Radnabenmotoren Forschungspotenzial in: o situative Motorenabschaltung durch Kopplung mit dem Wirkungsradkennfeld o Elektrisches Differenzial o Elektrisches ESP/ABS Duales Speicherkonzept Forschungspotenzial in: o situatives Entlade- und Rekuperationsmanagement zur Erhöhung von Reichweite und Lebensdauer des Energiespeichers Neuartige Schirmungskonzepte (EMV) Forschungspotenzial in: o Reduzierung des Schirmungsaufwandes o Reduzierung des Störgrößeneinflusses 28

29 8. Zusammenfassung Elektro-Forschungsträger mittels Radnabentechnik Getrennte Ansteuerung ermöglicht erweiterte fahrdynamische Eigenschaften Gute Fahrdynamikregelungen Elektrisches Downsizing Händelbares Mehrgewicht am Rad Teure Einzelanfertigung der Radnabenmotoren Komplizierte Integration am Radträger 29

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