Der CNG Parallel-Hybrid Versuchsträger CLEVER

Transkript

1 Willkommen Welcome Bienvenue Der CNG Parallel-Hybrid Versuchsträger CLEVER 7. IAV-Tagung: Gasfahrzeuge der konsequente Weg zur CO 2 -Reduzierung 24 / 25. September 2012 / Potsdam Patrik Soltic, Empa

2 Inhalt CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Kosten von Erdgas-Hybridantriebe: würde sich so etwas rechnen? Der CLEVER Versuchsträger 2

3 CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Wie effizient sind «heutige» Antriebstechnologien? Fragestellung: welche CO 2 Emissionen hat ein Mittelklasse-Fahrzeug mit verschiedenen Antriebsstrangtechnologien und in den verschiedenen Einsatzbereichen Stadt / Überland / Autobahn? Benzin reiner Verbrennungsmotor Hybridantrieb Diesel Erdgas CO 2 3

4 CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Wie effizient sind «heutige» Antriebstechnologien? Vermessung von Fahrzeugen (von privaten Haltern zur Verfügung gestellt) Jedes Auto in über 10 verschiedenen (Real-World) Fahrzyklen auf unseren Prüfständen gemessen Benzin, Benzin-Hybrid, Diesel und Erdgasautos Technologie Euro-4 (Auto Jahrgänge 05-09) 4

5 CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Wie effizient sind «heutige» Antriebstechnologien? Bestimmung des mittleren Wirkungsgradverhaltens für jede Antriebsstrangkategorie, z.b. für Benzinfahrzeuge (jeder Punkt = 1 kompletter Fahrzyklus) 5

6 CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Wie effizient sind «heutige» Antriebstechnologien? Dieselfahrzeuge 6

7 CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Wie effizient sind «heutige» Antriebstechnologien? «Normierung» für eine saubere Vergleichsrechnung mit Parametern eines grösseren Mittelklassefahrzeuges Annahme der Fahrzeugmasse Benzin: 1537 kg Erdgas: 1637 kg Benzin-Hybrid: 1637 kg Erdgas-Hybrid: 1687 kg Erdgas-Hybrid-Werte: Wirkungsgradverhalten der Benzin-Hybrid- Antriebe auf Erdgas energetisch umgerechnet 7

8 CO 2 Potenzial von Erdgas-Hybridantrieben Wie effizient sind «heutige» Antriebstechnologien? CO 2 -Einsparung verschiedener Mittelklasse-Antriebskonzepte gegenüber Benzin 8

9 Zwischenfazit #1 Benzin-Hybridantriebe bringen grosse Verbrauchsvorteile im städtischen Betrieb CNG Antriebe führen zu tieferen CO 2 Emissionen als Dieselantriebe (und zu tieferen CO 2 Emissionen als Benzin-Hybridantriebe ausserhalb der Stadt) CNG Hybridantriebe würden die mit Abstand allertiefsten CO 2 Emissionen ermöglichen 10

10 Erdgas-Hybridantiebe: würde sich so etwas rechnen? Einfache Kostenabschätzung Fragestellung: welche Antriebs-Treibstoff-Kombination kostet den Nutzer wie viel? Benzin Diesel Erdgas 11

11 Erdgas-Hybridantiebe: würde sich so etwas rechnen? Einfache Kostenabschätzung Annahmen: Diesel Benzin-Hybrid CNG CNG-Hybrid Wartungskosten für alle gleich Steuern und Versicherungskosten für alle gleich Abschreibung über eine Laufleistung von km Keine Kapitalkosten 12

12 Erdgas-Hybridantiebe: würde sich so etwas rechnen? Einfache Kostenabschätzung: Benzin-Hybridantrieb (gegen Benzin) Benzin-Hybride lohnen sich finanziell erst bei hohen Benzinpreisen und im Stadtbetrieb 13

13 Erdgas-Hybridantiebe: würde sich so etwas rechnen? Einfache Kostenabschätzung: CNG (gegen Benzin) Erdgasfahrzeuge lohnen sich finanziell immer 14

14 Erdgas-Hybridantiebe: würde sich so etwas rechnen? Einfache Kostenabschätzung: CNG-Hybrid (gegen Benzin) Erdgas-Hybridfahrzeuge führen +/- zu keinen Mehrkosten 15

15 Zwischenfazit #2 Benzin-Hybridfahrzeuge rechnen sich finanziell kaum (ausser im rein städtischen Betrieb) CNG Fahrzeuge rechnen sich immer CNG Hybridfahrzeuge «Technologie » würden +/- gleiche Kosten wie konventionelle Benzinfahrzeuge verursachen, allerdings mit 35 45% CO 2 Einsparungen CNG Hybridfahrzeuge hätten hohe Investitions- aber tiefe Betriebskosten z.b. für Flottenbetreiber mit CO 2 -Zielen interessant (Mittelklassefahrzeuge aber auch Lieferwagen) 16

16 Der CLEVER Versuchsträger 17

17 Der CLEVER Versuchsträger Allgemeines zum CLEVER Projekt CLEVER ist ein Gemeinschaftsprojekt von Empa Abt. Verbrennungsmotoren ETH Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik ETH Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme mit den Industriepartnern Volkswagen AG Robert Bosch GmbH und Förderung von Bundesamt für Energie und Bundesamt für Umwelt (CH) DVGW (D) und SVGW (CH) Novatlantis (CH) Fokus 1: CNG DI Brennverfahren ( Tagung Gasfahrzeuge 11) Fokus 2: Hybridantriebe 18

18 Der CLEVER Versuchsträger Wie müssen effiziente Hybridantriebe aussehen? Effiziente Hybridantriebe brauchen Eine mechanische Kopplung Verbrennungsmotor Rad Die Möglichkeit, rein elektrisch zu fahren Die Möglichkeit, die Leistung des Verbrennungsmotors zu verzweigen 20

19 Der CLEVER Versuchsträger Wie müssen effiziente Hybridantriebe aussehen? Hybridization Ratio = installierte elektrische Leistung / installierte Gesamtleistung «20% elektrisch» genügen, um das Potenzial grösstenteils auszuschöpfen Quelle: T. Ott, IDSC ETH Zürich 22

20 Der CLEVER Versuchsträger Umsetzung mit möglichst «verfügbaren» Teilen VW 1.4 TSi Ecofuel 30kW E-Maschine 6-Gang Allrad Schaltgetriebe Speziell an diesem Aufbau: handgeschalteter Vollhybridantrieb 23

21 Der CLEVER Versuchsträger Umsetzung mit «verfügbaren» Teilen Allrad Schaltgetriebe 30 kw PM E-Maschine Gasflaschen 24

22 Der CLEVER Versuchsträger Umsetzung mit «verfügbaren» Teilen 1.4 TSi Ecofuel Zusatzkühler für E-Antrieb 25

23 Der CLEVER Versuchsträger Batterie: Aufbau aus 900 Einzelzellen Spannungsmessung an jeder Zelle Temperaturmessung (2x in jedem Block) CAN Kommunikation der Werte Sicherungen, Hochvoltrelais, Isolationsüberwachung 26

24 Der CLEVER Versuchsträger Umsetzung mit «verfügbaren» Teilen Traktionsbatterie Hybrid-ECU 27

25 Der CLEVER Versuchsträger Umsetzung mit «verfügbaren» Teilen Zusatzdisplay (Anzeige Betriebsmodus, Gangempfehlung, etc.) 28

26 Der CLEVER Versuchsträger Betriebsstrategie Der Fahrer hat mit der Gangwahl direkte Einflussmöglichkeiten auf die Betriebsstrategie Neutralgang eingelegt und Kupplung losgelassen = rein elektrischer Betrieb Gang eingelegt: Hybridregler teilt Leistung verbrauchsoptimal auf und gibt Gangempfehlung über das Display aus Strategie: ECMS (equivalent consumption-minimization strategy)* Kostenfunktion (zu minimieren) T J = H u m u + α 0 SoC rrr τ SSS(τ) SSS n 2q dτ Gesucht: s (Gewichtung chem. und elektr. Energie) Wahl des «equivalence factors» *D. Ambühl, L. Guzzella Predictive Reference Signal Generator for Hybrid Electric Vehicles IEEE Transactions on Vehicular Technology, 58/9, 2009 u = arg mmm P k u + s(sss) P bbbb (SSS, u ) u t s SSS = s 0 + SSS rrr τ SSS(τ) dτ + T 0 α SSS rrr t SSS(t) 2q 1 Q 0 V(SSS t ) 29

27 Der CLEVER Versuchsträger Fahrbetrieb 30

28 Mit grossen Dank an Christian Bach, Lino Guzzella, Konstantinos Boulouchos, Chris Onder, David Mauke, Olle Sundström, Reto Egli, Tobias Ott, Markus Hauser, Hugo Ehrensperger, Walter Brüllmann, Simon Tischhauser, Ismail Cagsar, Urs Cabalzar, Daniel Burch, David Dyntar, Markus Kramis Volkswagen Bosch BAFU, BFE, DVGW, SVGW, Novatlantis Kontakt: