Effizienter E-Fahrzeugantrieb mit dem kompakten CEA-Konzept Combustion Engine Assist

Effizienter E-Fahrzeugantrieb mit dem kompakten CEA-Konzept Combustion Engine Assist

2cc Konsortium TU Darmstadt Dynamische Systemoptimierung und Drehschwingungsberuhigung am CEA-Konzept Prof. Dr. C. Beidl Dipl.-Ing. David Buch Weber Motor GmbH 2-Zyl. Motor Hersteller Dipl.-Ing. E. Wizgall 2cc Konsortium Robert Bosch GmbH Sensorik und Brennverfahrensentwicklung Prof. Dr. J. Hammer Dr. A. Kufferath Dr. D. Lejsek Dipl.-Ing. A. Eichhorn IVD Prof. Hohenberg GmbH CEA-Konzept Entwicklung Prof. Dr. G. Hohenberg Dipl.-Ing. C. Bacher 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 2

Gliederung CEA-Konzept Optimierung des 2-Zylindermotors Aktive Drehschwingungsberuhigung CEA am hochdynamischen Motorenprüfstand VVETB Zusammenfassung und Ausblick 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 3

Reichweite [km] Das Typischer Beste Reichweitenverlauf: aus beiden Welten! Elektro- vs. konventioneller Antrieb elektrisch Fahren Verbrennungsmotorische Unterstützung verbrennungsmotorische Reichweite (7 Liter) elektrische Reichweite (kwh) ohne Klimatisierung Reichweite bei 3kW Klimatisierung Geschwindigkeit [km/h] 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 4

Möglichkeiten der Elektrifizierung/Hybridisierung Mild Hybrid z.b. Honda Insight E-Motor VKM BEV z.b. Nissan Leaf, Mitsubishi i-miev Full Hybrid z.b. Toyota Prius EV + RE seriell z.b. A1 e-tron zwei E-Motoren ein E-Motor Batterie klein PHEV z.b. Toyota Prius PlugIn groß GM Volt Opel Ampera CEA-Konzept EV + RE parallel z.b. VW twin drive, Getrag Ford 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 5

Fahrzeugkonzepte z.b.: Audi, e-tron seriell z.b.: Toyota Prius PCU PCU PCU E-M PCU Gen E-M G Gen mech. Pfad z.b.: VW twin drive / Getrag Ford parallel z.b.: GM Volt / Opel Ampera PCU PCU PCU E-M PCU Gen E-M G Gen el. Pfad mech. Pfad 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 6

Das CEA-Konzept CEA-Basiskonzept PCU P max E-Motor n max = 6000 min -1 E-M ZMS VKM 0 v max PCU P max (6000) n max = 12000 min -1 E-M G CEA-Konzept mit 2-Gang Getriebe (DSG, Planetengetriebe) VKM VKM 0 v max 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 7

CEA - Proof of Concept 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 8

Velocity [km/h] Velocity [km/h] Reichweitenvergleich: E-Fahrzeug vs. CEA-Konzept Elektrischer Betrieb ECE - Bereich Reines Elektrofahrzeug: A-Segment Nutzbare Batteriekap.: 9kWh Elektrische Reichweite: 70km EUDC Zeit [s] Elektrischer Betrieb ECE - Bereich VKM - Betrieb CEA-Konzept: A-Segment Nutzbare Batteriekap.: 9kWh Kraftstofftank: 14l EUDC Elektrische Reichweite: 95km Gesamtreichweite: 350km Zeit [s] 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 9

Das Beste aus beiden Welten 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012

Optimierung des 2-Zylinderottomotors seitens der Robert Bosch GmbH MPE 850 DOHC NA Bauart Hubraum 850 cm 3 2-Zylinder Reihen-Viertakt-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung Drehmoment >65 Nm von 1500 min -1 bis 6000 min -1 Nennleistung 41 kw bei 6000 min -1 Verdichtung 12,8:1 Zündfolge 360 KW Hub x Bohrung 68 mm x 89 mm Vierventiltechnik, DOHC mit Ventilsteuerung Rollenkipphebeln und hydraulischem Ventilspielausgleich Motormanagement Bosch MED 17.9 Gewicht ca. 50 kg (trocken) 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 11

Optimierung des 2-Zylinderottomotors seitens der Robert Bosch GmbH 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 12

Optimierungsschwerpunkte Basis Optimierung Hoch-Tumble Auslegung AGR-Verträglichkeit, Brenndauer 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 13

Optimierungsschwerpunkte PFI Spraytargeting mit Injektorlage nah zu den Einlassventilen 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 14

effektiver Mitteldruck p me [bar] effektiver Mitteldruck p me [bar] Kennfelder des 2-Zylindermotors 11 9 8 250 245 255 243 255 7 270 260 265 295 6 280 5 285 290 300 320 3 4 305 3 340 360 380 2 400 spezifischer 420 Verbrauch 440 460 be [g/kwh] 00 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Drehzahl [min -1 ] 11 9 8 7 6 5 9 9 9 9 9 4 9 9 3 9 2 9 mfb50% [ KW] 00 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 Drehzahl [min -1 ] 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 15

Drehzahl [1/min] Wellenmoment [Nm] Drehschwingungen des 2-Zylindermotors 1650 80 1600 60 1550 40 1500 20 1450 0 1400 1350 1300 N bei Theta_ges=0,16kgm² N bei Theta_ges=0,11kgm² N bei Theta_ges=0,084kgm² Wellenmoment 188,50 188,55 188,60 188,65 188,70 188,75 Zeit [s] Hinzuschalten des Verbrennungsmotors im CEA-Antriebsstrang NVH-Verhalten Kritischer Betrieb bei niederen Drehzahlen auf konventionellen Prüfständen 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 16

Regelungskonzept HOC zur aktiven Drehschwingungsberuhigung T_soll T_komp n-regler HOC n_soll T_soll_ges n_ac n_dc Inverter Kalman Filter I_u,v,w n_ist EM G 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 17

Drehzahl [1/min] Drehschwingungsberuhigung im unterkritischen Bereich Speed ripple PMSM against Dyno 2Hz 20Nm 800rpm 820 815 8 805 800 795 790 785 780 Mit Kompensation Ohne Kompensation 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5 Zeit [s] 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 18

Moment [Nm] Drehzahl [1/min] Kompensationsmoment [Nm] Drehschwingungsberuhigung der 2. Harmonischen 0 Mit Kompensation Ohne Kompensation 08 25 06 20 Mit Kompensation Ohne Kompensation 95 90 85 80 04 15 02 5 00 0 998-5 996 - -15 994 75 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Zeit [s] -20 992-25 9900 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Zeit [s] Zeit [s] 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 19

CEA am Virtual Vehicle Engine/Hybrid Test Bed (VVETB) Echtzeitfähige Prüfstandsautomatisierung PUMA ARTE.Lab TM HCU = ~ M G + - alpha n VKM M soll VVETB 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 20

Drehzahl [1/min] Wellenmoment [Nm] ALPHA [%] Drehzahl [1/min] Wellenmoment [Nm] ALPHA [%] Dynamik des 2-Zylindermotors am VVETB 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 00 500 240 2 180 150 120 90 60 30 0-30 -60 0-90,0,2,4,6,8 11,0 11,2 11,4 11,6 11,8 3500 Zeit [s] 240 3400 3300 3200 30 3000 2900 2800 2700 2600 2500 N ohne Dyno N mit Dyno Wellenmoment Alpha 120 90 60 30 0-30 -60 2400-90 11,04 11,06 11,08 11, 11,12 11,14 11,16 11,18 11,20 11,22 Zeit [s] 0 50 0 2 0 180 50 150 0 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 21

2-Zylindermotor am VVETB < 40 g CO 2 /km nach NEDC-Simulation in früher Entwicklungsphase 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 22

Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: E-Fahrzeug mit CEA: Fokussierter Ansatz für optimierten Nutzen Kompakt moderate Batteriegröße 1 Elektromotor Drehschwingungsberuhigung (mechanisch hydraulisch elektrisch) < 40g CO 2 /km Hoher Wirkungsgrad auch im VKM- Betrieb Ausblick: Systemapplikation und Betriebsstrategieoptimierung mit neuester Entwicklungsmethodik 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen 24. und 25. Januar 2012 23