Download Schwungradkomponente und stufen¬ - ETH E-Collection

Diss. ETH Nr. 12958
Gesamtenergetische Bewertung
verschiedener Betriebsarten eines
Parallel-Hybridantriebes
Schwungradkomponente
mit
und stufen¬
losem
für
Weitbereichsgetriebe
einen Personenwagen
ABHANDLUNG
zur
Erlangung
des Titels
DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH
Philipp
Dietrich
Dipl. Masch.-Ing.
geboren
von
am
ETH
22. Januar 1960
Grub-Eggersriet
SG
Referent: Prof. Dr. M. K. Eberle
Korreferent: Prof. Dr. H. P.
1999
Geering
Vorwort
vorliegende Arbeit ist ein
Die
tutionspotentials
kleiner
Beitrag
Arbeit entstand zwischen 1996 und 1998
Verbrennungstechnik
interdisziplinären Projektes Hybrid
Mein Dank
gilt
Uli Hörler für die
der ETH
Hybrid
Erkennung eines
Substi¬
Elektrizität im individuellen Personenverkehr. Diese
von
nungsmotoren und
zur
am
Laboratorium für Verbren¬
der ETH Zürich im Rahmen des
III.
in erster Linie Prof. Dr. Meinrad K. Eberle und Dr. Hans
dieser Arbeit und der ganzen
Ermöglichung
III
Projektes.
Besonders danke ich für die
Realisierung
gewährten
Frei¬
heiten, das erhaltene Vertrauen, die vielen fachlichen Diskussionen und die
Motivation auch in
bei
schwierigen
Zeiten. Ich danke für das stets offene Ohr
Fragen der Projektleitung und Finanzierung dieses Projektes.
Ich danke auch Prof. Dr. Hans P.
rates
und seinem Interesse
seine
Bemühungen,
gilt
Ein
für die
Übernahme des Korrefe¬
all meinen
Projekt in Verbindung
Kollegen innerhalb
speziell
zu
des ETH
für
bringen.
Hybrid
III
verstreut über die verschiedenen Institute und über die ETH
Zürich hinaus. Ohne die
tigkeit
Geering
meiner Arbeit. Hier danke ich
mich mit dem ganzen
Ein weiterer Dank
Projektteams,
an
engagierte
Mitarbeit aller wäre die Funktionstüch¬
des Antriebes nie erreicht worden.
spezieller
Gerhard
Egli
Dank
geht auch
an unsere
für die hochmotivierte und
Ideen auf den Prüfständen und im
LVV für das
gute Arbeitsklima
Unterstützung,
die ich erfahren
am
und die vielen guten Diskussionen und
Speziell
selbständige Umsetzung
an
unserer
Fahrzeug.
Ich bedanke mich bei allen Mitarbeiter
durfte.
Werkstatt und im besonderen
danke ich auch Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos für die
kritische Durchsicht meiner Dissertation und den vielen fachlichen Diskus¬
sionen.
Herzlich bedanke ich mich auch bei meiner Frau Rita, für das Verständ¬
nis, das Interesse und die Unterstützung die ich erfahren durfte.
Inhaltsverzeichnis
i
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
v
vii
Summary
1
1.1
1.2
Einführung
Einleitung
Stand der Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich
Klassifizierung von Hybridantrieben
Realisierte
1.3
1.4
2
Zielsetzung
vorliegenden
Eigene Beiträge
Arbeit
Konzept des ETH-Hybrid III Antriebsstranges
Zielsetzung
2.2
Hauptideen
2.3
Aufbau des Antriebes
und
Anordnung
Rahmenbedingungen
5
13
15
16
16
17
der
18
Antriebskomponenten
Zielwerte
18
20
Betriebsarten
20
Fahrstrategien
25
Modellierung des Antriebsstranges
3
1
3
7
Konzepte
der
2.1
1
28
3.1
Mechanisches Grundmodell
28
3.2
Wirkungsgradmodelle
Verbrennungsmotor
31
4
der
Komponenten
32
Traktionsbatterie Blei-Vlies Batterie
33
Traktionsbatterie
43
Nickel-Metallhydridbatterie (NiMH).
Getriebe
45
Reibkupplungen
48
Schwungrad und Zwischenwelle
Vereinfachungen
50
Verbrauchssimulation
4.1
31
Elektromaschine
Benzinbetrieb
Konstantleistung
Konstantleistung
50
51
51
im Taktbetrieb
51
im Drosselbetrieb
52
Inhaltsverzeichnis
11
Europaischer Stadtzyklus ECE-R15/04
42
Elektrobetneb
Konstantfahrt
55
Beschleunigungsreserve
56
Verbrauch
europaischen Stadtzyklus ECE R15/04
Batterieladegrades auf den Verbrauch
Verbrauchsvergleich des Benzin- und Eiektrobetnebs
Hybride Fahrstrategien
Anpassung der Taktfrequenz und des Drosselbetriebs
Leistungsanpassung im Uberlandbetneb
im
Einfluss des
43
44
54
des Antriebes
Realisierung der Antriebskomponenten
Verbrennungsmotor
75
75
76
Elektromaschine
80
Hybrideinheit
84
Warmemanagement
Steuerungssystem
Realisierung des Antriebsystems
Regelungskonzepte
Realisierung des Versuchsfahrzeuges
Hauptdaten des Versuchsfahrzeuges
Anpassungen des Antriebsstranges
Untersuchungen am dynamischen Prufstand
88
99
101
103
104
106
107
108
110
111
111
Genormte
Testzyklen
Rekuperation
113
115
Transiente Betriebsartenwechsel
117
Untersuchungen am Rollenprufstand
121
Konstantfahrverbrauchswerte
121
ECE-R 15/04 Zyklus
123
NEFZ mit reduzierter
Rekuperation
Transiente
61
69
71
Bordnetzspannung
Konstantfahrt
55
66
der
Erzeugung
Mensch-Maschinen-Interface
53
65
65
69
Stufenloses i2-Getnebe
52
60
61
Autarker Ladebetrieb
Realisierung
51
53
55
Spitzengeschwindigkeit
Umschaltungen
Vergleich Simulation und Messung
Verbrauch bei konstanter Fahrt
125
126
126
129
129
111
Vergleich der Verbrauchswerte des Zielfahrzeuges
Vergleich zwischen Ziel-und Versuchsfahrzeug
Verbrauchsvergleich des Elektrobetriebes im
Versuchsfahrzeug
Verlauf von Transienten im ECE-Zyklus
Vergleich am Zielfahrzeug
Vergleich im Versuchsfahrzeug
Batteriemodellvergleich
.
6.2
6.3
Bewertung
7
des
Cycle Assessments
Beschreibung der LCA-Methode
Anwendung des LCA auf den ETH-Hybrid III Antrieb
Zielsetzung und Systemgrenzen
Life Cycle Inventar (LCI) Materialien
Life Cycle Inventar der Betriebsenergien
Vergleich der Betriebsarten des Antriebes
133
133
135
136
139
Die Methode des Life
Vergleich
der Betriebsarten Taktbetrieb
-
Schlussfolgerungen
und Ausblick
.
145
145
145
148
153
.
.
.
156
159
161
164
Wertung der Erkenntnisse
des
140
Elektrobetrieb 153
Vergleich des ECE-R 15/04-ZyklusVerbrauchs
Hybride Fahrstrategien
Bordnetzspeisung
8.1
131
139
7.2
8
.130
139
Problematik
7.4
.129
.
Energieverbrauchs
7.1
7.3
.
164
8.2
Verbesserungspotential
8.3
Ausblick
ETH-Hybrid
167
Abkürzungen
169
Literaturverzeichnis
173
Curriculum Vitae
180
III
165
iv
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Die
der
vorliegende
Realisierung
Arbeit befasst sich mit dem
und der
Bewertung
der verschiedenen
Hybridantriebsstranges, bestehend
ten eines
Schwungrad
Elektromaschine,
einem
einem stufenlosen
Weitbereichsgetriebe
Besonderen
galt
das Interesse der
als
-
aus
Modellierung,
der
Konzept,
Betriebsmöglichkei¬
einem Ottomotor, einer
und
Kurzzeitenergiespeicher
ETH-Hybrid
dem
Gegenüberstellung
von
III Antrieb. Im
Benzin- und Elek¬
trobetrieb.
Antriebsstrang werden
Für den
die bestehenden Modelle
bung der Dynamik und des Wirkungsgrades
und mit
Messergebnissen
an
zur
Batteriemodulen
nungen wird das Verhalten des Antriebes im
überprüft.
Mit Modellrech¬
Zielfahrzeug (einem
swagen Golf), sowie im realisierten
Versuchsfahrzeug (basierend
Minivan VW Sharan) simuliert. Die
Messergebnisse bestätigen
tionen. Die
Ergebnisse
zeug werden einander
Ausgehend
Betriebsarten
Antriebsstranges
bezüglich
Zielfahrzeug
dem erforderlichen
werden die verschiedenen
Primärenergieeinsatz
auf den Treibhauseffekt beurteilt
und den
(Life Cycle Assessment).
wird der Betrieb über 7 Jahre resp. lOO'OOO km in den verschie¬
vorgelagerten
Pro¬
Erzeugung der Treib- und Schmierstoffe berücksichtigt, wogegen
für den Elektrobetrieb unterschiedliche
glichen
auf einem
die Simula¬
im Ziel- und im Versuchsfahr¬
denen Betriebsarten. Für den Benzinbetrieb werden die
zesse zur
Volk¬
gegenübergestellt.
verwendeten
vom
Auswirkungen
Analysiert
des
Beschrei¬
im Batteriebereich erweitert
werden
und
die
Stromproduktionen
erforderlichen
Batteriewechsel
in
Europa
ver¬
innerhalb
der
Lebensdauer einfliessen.
Bei der
schwindigkeiten
von
Wasserkraft
ger. Bei
für konstante
Fahrge¬
besticht der Taktbetrieb. Nur bei ausschliesslicher
Nutzung
Bewertung
zur
gedrosselt
giebedarf
mit
des
Primärenergieeinsatzes
Stromerzeugung
betriebenem
zunehmender
ist der
Primärenergieverbrauch gerin¬
Verbrennungsmotor steigt
Drosselung,
so
dass
auch
der Primärener¬
andere
Strom-
VI
dem
Herstellungsarten Primärenergieeinsparungen gegenüber
Drosselbe¬
trieb erzielen können.
Beurteilung des
Bei der
Stromherstellungsarten,
Einflusses auf den Treibhauseffekt
liegen
die
die nicht auf fossilen Brennstoffen basieren, unter¬
halb der Emissionen im Taktbetrieb. Die Kraftwerke, basierend auf Wasser¬
kraft und Kernenergie,
Emissionen
ten
produzieren
gegenüber
etwa
ein Viertel der treibhausgasrelevan-
dem Taktbetrieb.
Vergleicht
man
den Taktbetrieb
mit fossiler Stromerzeugung, verursacht der Taktbetrieb die tieferen Emis¬
sionen
von
treibhauseffektrelevanten Gasen. Wertet
gegenüber der Laständerungsenergie
so
emittiert der Taktbetrieb
aus
weniger
d.h. in
Europa
man
in der
den Taktbetrieb
Regel Steinkohle,
als 45% der Emissionen des Stromes
Steinkohle.
Die Lebensdauer der Bleibatterie ist bei der
chen
Primärenergie
und der Emissionen ein nicht
Faktor, da sie mindestens einmal
Mit der
Anwendung
rungsmassnahme
Verbesserung
ersetzt
der lokalen
Einsparungen
zu
vernachlässigender
muss.
beim Benzinmotor, kann ein Elektrobetrieb
Luftqualität beitragen.
vorgeschlagene Teillastverbesserung
durchaus
werden
zu
der erforderli¬
des Taktbetriebes als effiziente Teillastverbesse-
Verbrauchseinsparpotential
Weitere
Beurteilung
erzielen.
Brennstoffzellen als
optimale Auslegung
zum
Als
nur
Konsequenz
noch
zur
wurde die
ohne Elektroantrieb simuliert und ein
Basisfahrzeug
von
über 50%
gefunden.
sind mit der Anwendung modernster Motorentechnik
Weitergehende Wirkungsgradsteigerungen
Antriebsaggregate
der Hilfs- und
sind mit
erzielbar, sofern äussersten Wert auf
Nebenaggregate gelegt wird,
verwendete Treibstoff auf erneuerbaren Ressourcen basiert.
und der
vii
Summary
This work contains the concept, the
assessment of the different
sisting
of
time energy
with
device and
storage
a
Operation
on
The modeis for
particular
measurements
The
use
assessed
on
of
flywheel
a
In the
Operation
and
efficiency
battery modeling.
dynamics
of the
The model is
and the fuel
to the measurements for the
and the realized test vehicle
over
primary
(based
energy and emissions of
for the different
electricity
gases
be
in
Operation
Europe
involving
the
the
the
Operation
global warming
the
period
primary
on
proofed by
consumption
target vehicle (a
the minivan from
of
Operating
duction processes
the
engine
can
on
Operation
of the
fuel and electricity.
are
production
of
primary
energy and emissions of
integrated
for the batteries, needed
Operation.
electricity
of the
is
ETH-Hybrid
III is the most
generated exclusively by hydro
in the throttled mode, also other
electricity pro¬
reduce the need of primary energy at very low
on non
are
based
chain for fuel and lubricants
the emissions of gases related to the
electricity based
gases
operating strategies
different fuels for the
are
duty cycle Operation (DCO)
Concerning
The
fuel
energy used to operate the vehicle at constant
efficient mode except the
power.
production
assessed. Also the
are
replaced during
speed,
the
of electrical
case
Comparing
on
power-train
global warming
Operation
lOO'OOO km in 7 years for the
of fuel
included. In
(CVT)
Sharan).
(life cycle assessment)
case
con-
short
as
power-train.
III
of the
the target vehicle. The assessment is calculated for the
vehicle
to
a
Hybrid
comparison
module. The
compared
Volkswagen Golf)
hybrid power-train
electricity.
battery
on a
a
variable transmission
the ETH
the
describing the dynamics
simulated and
Volkswagen,
-
of
electric machine,
continuously
to
has been extended in the field of
are
an
enhanced gear ratio ränge
an
interest is focused in
versus
operating strategies
spark ignited engine,
a
the realization and the
modeling,
fossil fuels like
hydro
power
speeds.
global warming,
or
nuclear
are
the
produc-
Vlll
ing
near
25% of the emissions of the DCO of the
train. If the DCO is
DCO
ity.
produces
electricity based
to the
compared
tricity production
which is in
55% of the
the
to
production
general
base
on
of the load
hard coal in
on
global warming potential
III power-
fossil
production
lower emissions than any type of
If the DCO is
saves over
compared
ETH-Hybrid
fuels, the
of the electric¬
leveling
Europe,
of elec¬
the DCO
electricity produc¬
of the
tion.
The life of the lead
vehicle which leads to
battery
of gases related to the
on
for fueled
local air
flywheel,
fuel
the
the
the need of
of the
Operation
a
be achieved
primary
The
production
of the
energy and the emission
As
electricity
a
load
can
Operation
of the DCO
be recommended
consequence
a
by using
a
newest
be found. Further
on
possible
can
engine technology. Highest efficiency
can
can
fuel cell if attention is put to the
iaries and if the fuel is based
for
improvements
reduction of 50%
by applying
only
power-train including
CVT has been simulated without electrical part. A
consumption
be achieved
battery.
improved part
on
quality improvements.
and
of the
global warming.
application
driving,
of the
replacement
significantly
influences
Based
a
Operation
shorter than the time of
battery is
renewables.
design
of the auxil-
1
Einführung
1.1
Einleitung
Die individuelle Mobilität ist eine treibende Kraft
und hat in diesem Jahrhundert eine stürmische
führt
zu
einer zunehmenden
Belastung
von
unserer
Gesellschaft
Entwicklung
erlebt. Dies
Mensch und Umwelt. Da heute
und wahrscheinlich auch in Zukunft das Bedürfnis nach Mobilität vorhan¬
den ist und bleiben
minieren oder
Mobilität oder
Die
zu
wird, gilt
a) Optimierung
zur
am
Reduktion der
die
negativen
sen
um
individuelle
Einflüsse können in drei
mit dem Ziel, den Verbrauch und die Emis¬
Fahrzeuges
Steigerung
zu
des
reduzieren. Im Zentrum der Bemü¬
Antriebswirkungsgrades,
die Reduk¬
Luft- und Rollwiderstand sowie die Massenreduktion. Die
wachsenden Kundenwünsche bilden eine
Fahrzeug.
sich
eli¬
werden:
Fahrzeug
sionen des einzelnen
hungen stehen
es
zu
Güterverkehr handelt.
Hauptbereiche eingeteilt
von
negativen Begleiterscheinungen
minimieren, unabhängig davon, ob
um
Anstrengungen
tion
es, die
Rahmenbedingung
für das
Der wettbewerbsorientierte Markt erzeugt zudem einen gros¬
Druck auf der Kostenseite,
so
dass
möglichst viele Verbesserungen
kostenneutral sein sollten.
b)
Qualitätsverbesserung
Antriebsaggregaten
der
bessere
reduzierte Emissionen,
zu
verfügbaren Treibstoffe,
Umsetzungswirkungsgrade,
erzielen
(Reformulated
um
in
den
vorallem aber
Gasoline oder Diesel
mit reduziertem
Schwefelgehalt).
Einführung
weiterer Treibstoffe
wie
Natural Gas CNG, Methanol oder
Dimethylether DME
Compressed
kann hier ebenfalls
angeführt
Die
werden. Mit diesen "clean fuels", die
potentiell durch Nutzung erneuerbarer Primärenergien hergestellt werden
können, gelingt
es, durch die
Emissionen deutlich
zu
Führung
reduzieren.
des
Verbrennungsprozesses
die
2
1
Einfuhrung
c) Verbessertes Zusammenspiel zwischen den verschiedenen Verkehrsträ¬
die
gern,
um
kehr
muss
Gesamtkapazität
Systeme
das Zusammenwirken
transportmitteln (Park
Mit der
der
Nutzung
& Ride oder Car
kehrsleitsystemen
und
den Verkehrsfluss
zu
zu
Pooling usw.)
verbessert werden.
Transportsysteme
kann die
werden. Durch den Einsatz
Routenplanern
optimieren,
um
von
Ver¬
wird der Versuch unternommen
Emissionen und Treibstoffver¬
(Intelligent Transport Systems ITS).
minimieren
Pilotversuche z.B. in Turin,
erhöhen. Im Personenver¬
Individualverkehr und Massen¬
der Vorteile der einzelnen
Kapazitätsauslastung optimiert
brauch in Staus
von
zu
wo
das Zusammenwirken verschiedener
oben genannter ITS Massnahmen kombiniert worden sind, reduzierten
sich die
Transportzeiten
bis
zu
20% [11]. Im Güterverkehr wird ebenfalls
versucht, durch die Kombination unterschiedlicher Transportsysteme
(Ferntransport LKW, Bahn, Containertransporten und Feinverteilung)
gewinnoptimale Transportleistung
eine
auch
umweltverträglich
stungsfähigkeit
der
externen
erbringen.
gestalten, braucht
ökologisch
eine
kapazitätsmässig),
zu
zu
sinnvollen
die
es
Um diese
Systeme
Steigerung
der Lei¬
Transportträger (zeitlich und
verursachergerechte Kostenverteilung (inklusiv
Kosten) und die
Vermeidung unnötiger Leerfahrten.
Bei den Emissionen (CO,
NOx,
Partikel und
NMHC1)
werden in den
nächsten Jahren sowohl in den USA mit dem Ultra-Low-Emissions-VehicleStandard (ULEV) wie auch in
werten
der
gesetzliche
mit den Euro-III und Euro-IV Grenz¬
Vorschriften in Kraft gesetzt, die den Emissionsausstoss
Personenwagen auf einem
Einfluss des
Europa
sehr tiefen Niveau
Personenwagenverkehrs
auf die
verlangen.
Luftqualität
Damit wird der
auf
einige
Jahre
hinaus reduziert [10].
Bei den
heutigen
liche Anreiz
zu
Preisen der fossilen Treibstoffe ist der marktwirtschaft¬
verbrauchsarmen Automobilen sehr
einzelne Kunde direkt sehr
bedarf
es
aufwand
zusätzlicher
an
wenig
von
legislativer Massnahmen,
weil der
Treibstoffkosten marktwirtschaftlich
\ NMHC sind Non Methan
Hydrocarbons
gering.
einem reduzierten
zu
Zudem spürt der
C02-Ausstoss.
mögliche
So
Minder¬
klein ist oder vielmehr
und umfassen alle HC-Emissionen
ausser
Methan
1.2 Stand der
Fahrzeugherstellung
durch den technischen Mehraufwand bei der
aufgezehrt
wird. Eine sinnvolle staatliche Massnahme ist die
zukunftsorientierter
nership
row"
3
Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich
Forschungsprogramme
for New Generation
[3] in der EU
-
wie
-
wieder
Förderung
PNGV-Initiative (Part-
Vehicle) [21] in den USA oder "Car of Tomor-
die effizientere und emissionsreduzierte
Fahrzeuge
aktiv fördern.
In dieser Arbeit werden ein verbesserter
Antriebswirkungsgrad
dargestellt.
beschränkte Zero-Emission-Reichweite kombiniert und
Die
c) werden dabei nicht berücksichtigt. Zudem soll
Ansätze unter Abschnitt
von
und eine
einer heute üblichen
Energieform-
teilweise durch Elektrizität
Benzin
ausgegangen werden, die
-
ersetzt werden kann.
Bei der Evaluation der anzuwendenden Antriebsysteme
zur
Erhöhung
werden sowohl in den USA als auch in
Antriebswirkungsgrades
Hybridantriebskonzepte regelmässig miteinbezogen.
Ein solches
des
Europa
Hybrid¬
konzept ist Gegenstand der vorliegenden Untersuchung.
1.2 Stand der
Hybridantriebstechnik
genbereich
Es
folgt
ein kurzer
im Personenwa¬
Überblick über einige Hybridantriebskonzepte, die in
den letzten Jahren für
Personenwagen entwickelt oder vorgeschlagen
wor¬
den sind.
Das
in der
Zusammenfugen
Folge jeweils
ermöglicht
zweier
ein
Antriebsaggregate
Verbrennungsmotor
eine Verbrauchs- und/oder
nicht
ten
berücksichtigt
von
Systeme.
Hybridantrieben
zu
werden. Mit der Vielfalt der
können unterschiedliche
Hybridantrieb
Emissionsminimierung
ges durch die Kombination der Vorteile dieser
auch andere Definitionen
in einem
und eine Elektromaschine
-
-
des Fahrzeu¬
In der Literatur sind
finden
[48],[86], die hier
Kombinationsmöglichkei¬
Systemeigenschaften gezielt realisiert werden.
4
1
Hybridantriebe
bieten
den
gegenüber
heutigen Personenwagenantrieben
zwei entscheidende Vorteile. Einerseits kann der
die Elektromaschine teilweise
vom
betrieben werden, andererseits besteht die
Energiespeichern
Antriebsenergie
grad
der
(Treibstoff
liefern soll,
Betriebsstrategie,
zu
der
Verbrennungsmotor
Möglichkeit
elektrische
oder
Fahrzeuges entkoppelt
Fahrzustand des
oder
Einführung
zwischen den beiden
die
welcher
Energie),
wählen. Dadurch erhöht sich der Freiheits¬
zur
Reduktion
von
Verbrauch oder/und Emis¬
sionen genutzt werden kann.
Eine
spezifische Anwendung ergibt
sich
aus
der
Möglichkeit,
das Fahr¬
zeug über eine beschränkte Strecke "lokal" emissionsfrei betreiben
nen.
gate
Eine weitere
Anwendung
zu
kön¬
Antriebsaggre¬
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades
ausschliesslichen
zur
ist die Kombination zweier
des
Antriebsstranges.
Die Suche nach einem
optimalen Hybridantrieb
anzustrebende Nutzung definiert. Als Ziele
gen sind
von
Hybridantriebsentwicklun¬
Verbrauchsverbesserung, Emissionsreduktion, Leistungssteigerung
oder die Kombination der oben genannten denkbar.
nungs- und Elektromotors, die
Energieumwandlungsverluste
ordnung (Getriebewirkungsgrad)
zu
Steigerung
Zu den Nachteilen
Erhöhung
Energieaufwandes
von
kann sich allenfalls einen
Hybridantrieben
grad, Superkondensator)
das
zu
der
Fahrzeugmasse,
Motoren in der
Fahrzeuggewicht.
vermehrtem Unterhalt oder
die
Weiter müssen
Komplexität
zu
gleichen
Antriebsstrang vorstellen,
Energiespeicher (Batterie,
Nachteile ist beachtet werden. Die erhöhte
ges kann
der Ver¬
zählt die zusätzliche Masse. Man
ein konventioneller
erhöhen sicher die erforderlichen
aus
führt.
Antriebsstrang mit zwei
Massengrössenordnung wie
so
oder die
des Verbren-
die Wahl der Antriebsan¬
wendung unterschiedlicher Energiespeicherungen,
des
Wichtige Randbedin¬
Wirkungsgradverbesserung
gungen sind das Potential der
einer
wird stark durch die
reduzierter
Schwun¬
folgende
des Antriebsstran¬
Verfügbarkeit
des
Gesamtsystems führen. Nachteilig wirken sich sicher die höheren Kosten
eines solchen
sende
Antriebsstranges
Gesetzgebung gemildert
aus.
Dies könnte durch eine marktbeeinflus¬
werden.
1 2 Stand der
Klassifizierung von Hybridantrieben
1.2.1
Zur
Klassifizierung
Verfahren
der
Hybridantrieben
von
Einerseits
angewendet
knupfungspunktes
nis
5
Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich
Nennleistungen
der
erfolgt
Energieflusse
der beiden
werden vornehmlich
die
Einteilung
zweier
anhand des Ver-
Andererseits bildet das Verhält¬
Leistungsquellen
Grundlage
die
für die Charak¬
terisierung [7]
Klassifizierung gemäss Energieflussverknüpfung
unterschiedlich
flusse kann
im
zusammengeführt
Falle
von
beide Antriebe
eine
der
Leistungsfluss
Leistungs¬
mechamscher Energie über das Getriebe oder über
weitere
Wandlung
bis
von
zur
elektrischer
Leistung, die als Nutzenergie
fliesst Jeder Antrieb kann
unabhängig
die
Energie
wird für
Nutzenergie notwendig
Parallelhybridantrieben liefern Verbrennungs-
mechanische
Antriebsquellen
werden Die Kombination der
Für die Kombination
erfolgen
die Strasse
Bei
kann der
Hybridantrieben
Bei den
und Elektromotor
über das Getnebe
Nutzenergie
ans
die Rader
an
Fahrzeug
liefern
(Bild 1 2 1)
In der seriellen
in
Konfiguration
Elektrizität dhm
Batterie
gespeichert
wird mittels
ans
einer weiteren
kann beim senellen
antreiben
oder
Die
Verwendung
über
Fahrzustand des
eine
beiden
des
Denkbar sind auch
der
Nutzenergie
Verbrennungsmotor
Der
Fahrzeug nicht
Betnebspunktes
Fahrzeuges
werden Die
so in
ohne Elektromotor
Zwischenenergieform ermöglicht
einer
des
und kann
eine
Verbrennungsmotors
Hybndkonzepte,
die
Sie werden hier aber
berücksichtigt
Zweiwellenhybridantneb kombiniert
Antnebszweige
Motoren über
des
umgewandelt,
Wandlung erzeugt
das
Verbrennungsmotors
des
hydraulische Energieübertragung verfugen
nicht weiter
Der
Leistung
Fahrzeug geliefert
Hybndantneb
vollständige Entkoppelung
vom
wird die
Zwischenform
eine
eine
auf der Strasse
separate
Systems betrachtet,
die mechanische
Dieses
Kraftübertragung
stellt diese
Anordnung
Leistung
Konzept verfugt für
der
beide
Wird die Fahrbahn als Teil
einen
Parallelhybndantneb
6
1
Einfuhrung
dar, da die Kombination der beiden Antriebsstrange auf der Stufe der Nutz¬
energie stattfindet Bei den üblicherweise angenommenen
des
Fahrzeuges
Antnebe Die
hohe
allerdings
dies
ist
Verteilung
Anforderungen
an
der
das
Kombination
eine
Leistungen
Verbrennungs
motor
H
Fahrzeug
Fahrzeug
K
Elektro
motor
Zweiwellenhybrid
Parallelhybrid
Verbrennungs
Gene
Elektro
motor
rator
motor
Serieller
Diese
nach
Hybrid
Nennleistungsverhältnis
anwendungsonentierte Klassifizierung
Dabei sind
aus
dem Verhältnis der
Bei
einem
einem
derjenigen
m
die
über
durchaus
Nennleistung
Nennleistung
wird zumeist genutzt,
um
einen
regulären
-
in
(limp home)
Der
20% der
zu
Abhängigkeit
Fahrbetneb ohne
Verbrennungsmotor nicht ausgelegt,
leerer Batterie denkbar
10
die Battenereichweite
nungsmotor wird normalerweise
betneben Für
Hybridkonzept
von ca
ein
möglich
der elektnschen
Dieser dient, verbunden mit
Verbrennungsmotors
ist ein senelles
eine
[23] vorgeschlagen
der beiden Motoren
Generator, als netzunabhangige Ladestation
Range-Extender
verfugt
Fahrzeuges
Range-Extender überwiegt
des
wird
Nennleistungen
Rückschlüsse auf den Einsatzzweck des
Maschine
H
Fahrzeug
Mögliche Hybridkonfigurationen
Bild 12 1
Klassifizierung
separater
Lastmanagement
motor
Elektro
zweier
auf unterschiedliche Achsen stellt
Verbrennungs
motor
Systemgrenzen
im
Fahrzeug
Verbrennungsmotor
Gesamtleistung
erhohen
vom
Der
Er
Der Verbren¬
Batteneladezustand
Speisung
ab Battene ist der
eingeschränkter Betneb ist
aber bei
1 2 Stand der
Hybndantnebstechmk
Der Dual-Mode
Hybrid verfugt
über
Antriebsleistung
für das
dieses kein Verkehrshindernis
zenleistungen sind jeweils
findet die
einen
Fahrzeug
im
Elektromotor und
Beide reichen je aus,
gleichstarken Verbrennungsmotor
starke
7
Personenwagenbereich
im
zur
Verfugung
um eine
beide
Aggregate
so
dass
darstellt Für
Spit¬
In der
kombinieren
zu
Verknüpfung der beiden Antnebsquellen auf der
genügend
stellen,
zu
Agglomerationsverkehr
etwa
einen
Regel
Stufe der Nutzen¬
ergie statt
Beim Power-Assist
wesentlich grossere
allem für die
Innenstädte
Hybrid verfugt
Durchquerung
-
somit
der Überlast¬
im
Dauerbetneb
zur
stellen können
Neben den oben beschriebenen
an
Bord des
"autarken"
essant,
vor
Sekunden- bis Minutenbereich aus, die
im
auch dadurch unterschieden, ob
hen oder
eine
denkbar sind
-
Fähigkeit
die
kurzzeitig grossere elektnsche Leistungen als
Verfugung
vom
nutzt
über
Dieser wird
lokal emissionsfreien Zonen
eingesetzt Dieses Konzept
barkeit vieler Elektromotoren
Verbrennungsmotor
als der Elektromotor
Nennleistung
von
der
wenn
Hybnd
der
Klassierungen
sie
Fahrzeuges
erzeugen
Ein autarker
Energiespeicher
1.2.2 Realisierte
Energie
Hybndantneb
nur zur
herangezogen
Hybndantnebe
vom
Im zweiten Fall
zur
Netz bezie¬
spncht
man
allem dann inter¬
ist vor
Optimierung
des Antriebes eingesetzt wird und nicht pnmar
emissionsfreien Reichweite
werden die
die elektnsche
des
Wirkungsgrades
Erzielung
einer
lokal
wird
Konzepte
In diesem Abschnitt werden verschiedene realisierte
Hybndantnebe
vor¬
einen
vollständigen
Überblick Die Bandbreite und die Zahl der realisierten oder
vorgeschlage¬
gestellt
nen
Dabei handelt
es
sich aber
keineswegs
Konzepte wurde den Umfang dieser Arbeit
der verschiedenen
Konzepte
sind
in
Tabelle 13 1
um
sprengen Die
Hauptdaten
zusammengefasst
8
1
Einführung
Parallelhybridkonzepte
Seit Herbst 1997 sind die
(Audi duo)
und
von
kommerziellen
ersten
kostendeckend sein dürften. Beide
zeitig
Leistung),
bis 32 kW
matisiertem
(264
Japan, verfügbar, wobei die
Konzepte
direkteingespritzten
einen permanent erregten
überlastbar)
und ein
Hybridbetrieb
Parallelhybride.
basiert auf einem Audi A4
Dieselmotor (1.9 1 TDI, mit
Synchronmotor (21 kW,
wird
Es
kWh) verwendet [51, 64]
maschine wird im
Audi
Preise kaum
handgeschaltetes Getriebe
Kupplungsmanagement.
V und 10
sind
Audi-Konzept (Audi duo)
Avant und umfasst einen
66 kW
von
Toyota (Prius) angekündigt und inzwischen, zumindest
als Kleinserien in Deutschland und
Power-Assist: Das
Hybridantriebe
(vgl.
mit auto¬
Blei-Vlies-Batterie
eine
Bild
kurz¬
1.2.2). Die Elektro¬
als Schwachlastersatz für den Verbren¬
nungsmotor verwendet, womit der wirkungsgradungünstige Teillastbetrieb
des
Verbrennungsmotors
kann auch kinetische
rekuperiert
eliminiert werden kann. Mit der Elektromaschine
Energie
des
Fahrzeuges (Bremsenergie)
in die Batterie
werden. Wahlweise kann auch rein elektrisch (< 80
ausschliesslich mit dem Verbrennungsmotor
gefahren
km/h)
oder
werden.
CHä?r>
DI Dieselmotor
5-Gang
OOOOH
Getriebe
|_
Elektro¬
motor
automatisierte
Kupplung
.
_
Bild 1.2.2: Funktionsschema des Audi Duo
Dual-Mode
Hybrid:
Hybridantrieb
wurde ein
zusammen
von
Ein
3-Zylinder
stung,
das
1.2 1 Zweitakt-Ottomotor
Asynchronmotor
Das
angetrieben [8, 9] (vgl.
um
typisches Dual-Mode Konzept
stellt der
parallele
Ford und der IKA Aachen dar. In einen Ford Turnier
mit einem
leistung) eingebaut.
Parallelhybridantriebs.
Fahrzeug
Fahrzeug
Bild
(50 kW Nennleistung)
(20 kW Dauer- und 40 kW
wird über ein 4
Spitzen¬
Gang-Automatikgetriebe
1.2.3). Beide Motoren haben genügend Lei¬
bei reduzierter
Leistungsanforderung
anzutreiben.
1 2 Stand der
Im
Hybndbetneb
wird
m
der Ebene bis 65 km/h elektnsch
der Fahrwunsch nicht oberhalb der
liegt (entspncht
pnnzipiell
mit
dem
^
Höchstleistung
stadtischem Zentrumsverkehr)
darf liefern beide
Ä
9
Hybridantriebstechnik im Personenwagenbereich
gefahren,
sofern
der Elektromaschine
Oberhalb 65 km/h wird
Verbrennungsmotor gefahren
Bei
Spitzenleistungsbe-
Antnebsaggregate Leistungsanteile
Elektromotor
,
2-Takt
Ottomotor
OOO
to
Hr-Ll
Rad
4-Gang Automatik¬
getriebe
Bild 12 3 Schema des Ford IKA
Zwei weitere
Parallelhybndkonzepte
schwierig diese Einteilung
Autarker
Hybrid:
In diesem
zungseinheit
Der Pnus
Hybndkonzept
(15 1 Hubraum
mit
mit 43
der
kW),
sein
von
wird
ein
Möglichkeit
eine
Übergänge
wie
bei den sehr
können
ein
zur
Senenreife entwik-
direkteingespntzter
Benzinmotor
Planetengetnebe
als stufenlose Überset¬
elektnschen
Leistungsverzweigung,
kW) und dem Antnebsmotor/-Rekupera-
(permanent erregte Synchronmaschine
cher
Augen fuhren,
vor
Toyota wurde
einer
d h mit getrenntem Generator (44
tor
sollen auch
ist und wie fliessend die
unterschiedlichen Hybndkonzepten
kelt
Parallelhybridkonzeptes
mit
30 kW) und als
Nickelmetall-Hydnd-Battene eingesetzt [5, 94] (vgl
Energiespei¬
Bild 12
4)
Dabei ist der Generator mit dem Sonnenrad des Planetensatzes verbunden
Der Benzinmotor ist mit dem
motor mit dem Sternenrad
Planetentrager verbunden
und der Antnebs-
Mit dem Drehzahlverhaltms der drei Motoren
und dem Stutzmoment kann der
Leistungsfluss zwischen
den Antnebsein-
heiten stufenlos verteilt werden Zu bedenken ist bei diesem
ohne den elektnschen
Leistungspfad
Konzept,
kein stufenloses Getnebe
zur
dass
Verfu¬
gung steht
Diese
ellen
Anordnung
Anordnung
kann sowohl
in einer
parallelen
wie
auch
in einer sen¬
betrieben werden Generator und Elektromotor dienen
zur
10
1
der Drehzahl
Vanation
und
Konzept
Hybndantneb
klassifizieren
zu
der
Steuerung
zur
Dadurch ist dieses
eindeutig
nicht mehr
Sicher ist
obwohl die Motoreinheiten annähernd
gleich
es
als
Einfuhrung
Leistungsverzweigung
oder seneller
paralleler
kein Dual-Mode
stark sind Die
Hybnd,
Battenekapazi-
tat mit 1 8 kWh ist für einen rein elektnschen Betneb bei stadtischen Ver¬
kehrsverhaltnissen viel
Geschwindigkeiten
<
zu
klein
20 km/h
Dementsprechend
rein
elektnsch
wird der Pnus
nur
bei
betneben, sofern dies der
Ladezustand der Battene erlaubt Die Battene wird ausschliesslich über die
oder den Generator
Bremsenergierekuperation
über
ein
geladen
verfugt
und
nicht
Netzladegerat
Generator
Dl-Ottomotor
S
Planetengetriebe
Elektromotor/
oooo
-generator
Rad
Batterie
Bild 12 4
Schema des
Toyota
ESORO Twin-Trak: Der Twin-Trak
zept, das sich nicht unbedingt
ordnen lasst Der
selben Welle
eine
Zweizylinder
Motors
erlaubt diese
Geschwindigkeiten
stungsbereich
Durch die
Dem
an
ist ein weiteres
Motoren sind mit dem
zu
Fahrzeug
Fahrzeug
über
ist nur mittels Elek¬
bewegen (das Anfahrdrehmoment des
über 60 km/h
Der
Verbrennungsmotor
zugeschaltet
wird
erst
E-
ab
und kann den oberen Lei¬
abdecken Bild 1 2 5
mangelnde Startmoglichkeit
widerspncht
in
mit dem
in einem
Verbrennungsmotor
die Klasse der senellen
aber die direkte mechanische
Reduktionsgetnebe
somit nur
einzu¬
Ottomotor ist mit dem Elektromotor auf der¬
Strategie)
geneigt, den Antneb
das
paralleles Hybndkon¬
das übliche Klassifikationsschema
in
angeordnet [40] Beide
dem Stillstand
Hybridkonzeptes
ius
einzige Reduktionsstufe verbunden Das
tromotor aus
man
Pi
Die
begrenzten
Konfiguration
Betnebsfenster
Hybnde
Anbindung
eines
gegeben
ist
einzureihen
beider Motoren
Parallelhybndes
ist
im
Hybridantriebstechnik
1.2 Stand der
11
Personenwagenbereich
2-Zyl. Ottomotor
Reduktions-
qetriebe
Elektro¬
oo
motor
A
Rad
\J
Bild 1.2.5: Schema des ESORO Twin Trak
Alle hier
lichkeit einer
Strom führt
Für die
ten
Einhaltung
Energien
bestehender Emissionsvorschriften. Die
Verbrauchsverschiebung
zur
Frage
der
Bewertung
des
Gesamtbeurteilung
[15]
von
fossilen Treibstoffen hin
der unterschiedlichen
Energieverbrauchs
werden. Weitere
zu
muss
zu
Energieformen.
bei allen verwende¬
ausgeführte
Varianten
von
Parallelhybri¬
finden.
In den letzten Jahren wurde
parallelen Hybridkonzepten
an
der ETH Zürich neben den beschriebenen
innerhalb eines
Parallelhybridantriebskonzept
-
interdisziplinären Projektes
ETH-Hybrid
der
wesentlicher Teil dieser Arbeit wird in den
onsweise des
Mög¬
Energiekette inklusive der vorgelagerten Prozessstufen
die
mitberücksichtigt
den sind in
zielen auf die Reduktion des Treibstoff¬
vorgestellten Konzepte
verbrauches bei
Parallelhybridantriebes.
III Antrieb
realisiert. Als
folgenden Kapiteln
und die damit erzielbare
gewählten Konzeptes
-
ein
die Funkti¬
Steigerung
des
Antriebswirkungsgrades aufgezeigt.
Serielle
Hybridkonzepte
An die
mögliche Auftrennung
zwischen
Leistungserzeugung
und Lei¬
stungsbedarf bei seriellen Hybridkonzepten werden vor allem die Erwartung
geknüpft.
eines tiefen Emissionsniveaus
getrennt
vom
Leistungsbedarf
des
und/oder verbrauchsoptimierten
elektrischer
den Einsatz
Speicher
von
zur
Fahrzeuges
Bedingungen
Verfügung
Antriebskonzepten,
Personenwagen gescheitert
Der
Verbrennungsmotor
-
sind (z.B.
-
bei emissionsminimierten
betrieben
steht. Diese
die bis anhin
kann
werden, sofern ein
Entflechtung ermöglicht
am
Ansprech verhalten
für
Gasturbine) [79, 80]. Serielle Hybrid-
konzepte
sind vielfach mit
einer
eine
grossere Reichweite bei
mit
längeren Zyklenzelten
ermöglichen
auch die
einer
Battenekapazitat ausgerüstet,
elektnschem Betneb
rein
Hybridkonzepte
mit
Aggregate
zu
aber Zusatzmasse und
dieser
Strategie sind
bis
erfolglos geblieben
zentralen elektnschen Antnebsmaschine
Möglichkeit,
entscheidet über
um
garantieren oder
zu
effizienten Betneb der
Battenekapazitat verursacht
Diese
heute kommerziell
Anstelle
grossen
einen
allenfalls Mehrkosten Senelle
es
Einfuhrung
1
12
mit
Getnebe
gibt
Radnabenmotoren einzusetzen Die Motorenwahl
allfalhg notwendige Reduziergetriebe (z
ist im FREE-
B
DOM-Konzept von General Motors [79] diese Idee verwirklicht) Als Nach¬
Anordnung
teil dieser dezentralen
ist
die
der
Erhöhung
ungefederten
Mas¬
sen zu nennen
Range-Extender:
beinhaltet
mit einem
eine
Das
von
mm
')gekoppelt
schnelldrehenden Generator als thermischen Antneb
Asynchronmotor (mit
ein
Spitzenleistung),
gekoppelt
Hybndkonzept
senelle
vorgestellte
Gasturbine (40 kW Nennleistung bei 90000
Abtnebsseite wird
70 kW
Volvo
welcher mit
ist, eingesetzt [80] Als
einem
45 kW
Auf der
Nennleistung und
Zwei-Gang-Automatikgetnebe
Energiespeicher
wird
NiCd-Battene
eine
(120 V und 16 8 kWh) verwendet (Bild 1 2 6) Die Laufzeit der Gasturbine
wird mit
Einbezug
des
Batterieladewirkungsgrades optimiert
Batterie
Gasturbine und
hochdrehender
Generator
Starter
Asynchron
Erreger
motor
Bild 12 6 Schema des seriellen
Hybridkonzeptes
2-Gang
Automatik
getnebe
von
Volvo für den Environmental Con
cept Car
Kleinspeicherhybrid:
einen
Ottomotor
Abtnebsseite
tor
und
klein
einem
gewählt
Vakuum
(100
erfolgt
Em serielles
kW
die
Konzept
Nennleistung)
Mercedes kombiniert
mit einem Generator
Leistungsweitergabe
Schaltgetnebe
von
Der elektnsche
mittels
einem
brennungsmotor
werden [27] Die
dem
Betnebsstrategie hat
Leistungsbedarf
des
Asynchronmo¬
Zwischenspeicher wird relativ
und kann als Battene oder hochdrehendes
gewählt
Auf der
Fahrzeuges
Schwungrad
zum
im
Ziel, den Ver¬
derart nachzufuhren,
1 3
der
Zielsetzung
dass die
13
vorliegenden Arbeit
Abweichungen
von einem
stochiometnschen
haltnis minimiert werden und somit die
Katalysators optimal bleibt
des
Betriebspunktes
Verbrennungsluftver-
Konvertierungsrate
Durch die bedarfsonentierte
Verbrennungsmotors
wird die
des
Drei-Wegedes
Nachfuhrung
aus einem
Speicher
zu
deckende Energie deutlich reduziert Eine erhebliche Verbrauchsverbesse¬
rung
im
Stadtverkehr ist erzielbar (ca
hohem kontinuierlichem
wandlung gegenüber
Leistungsbedarf
17%
verursacht die
Referenzkonzept
dem
ECE-Stadtzyklus)
im
einen
doppelte Energie¬
Mehrverbrauch Bei kon¬
stant 120 km/h belauft sich der Mehrverbrauch auf ca 15% Über den
Europaischen Fahrzyklus (NEFZ) gemittelt
besserung
1.3
Zielsetzung
der
Hybndantnebe bieten
Erhöhung
der
die
der
eine
neuen
Verbrauchsver¬
vorliegenden Arbeit
eine
Möglichkeit
Dabei darf nicht
Komplexität
Verwendung
Frage
verbleibt
unterhalb 5%
von
kungsgrades
Bei
von
zur
acht
ausser
nach den relevanten
des Antnebswir-
gelassen werden,
auch die Masse des
Elektnzitat neben
Steigerung
einem
dass mit der
Antriebsstranges steigt
flussigen
Vergleichsgrossen
Mit
Treibstoff stellt sich
der unterschiedlichen
Energieformen
In verschiedenen Arbeiten wurden die einzelnen
Hybnd
III entwickelt und
Benzinmotors
motor
Komponenten
des ETH-
optimiert Dies gilt für die Motorsteuerung des
[53], die Kombination
von
Schwungrad
und
Verbrennungs¬
[19], die Konstruktion des stufenlosen Weitbereichsgetnebes und der
Regelung
des Kettenwandlers mit den Klauen- und
Reibkupplungen [73],
des Elektromotors [49, 87] und nicht zuletzt für den Warmekreislauf Bei
der
Auslegung
mit
Schwerpunkt
der
Fahrstrategie
auf dem
miert und venfiziert
[91]
wurden die verschiedenen Betnebsarten
verbrennungsmotonschen
Betneb simuliert, opti¬
14
1
Einheit
Eigenschaft
Klassihzieiung
Leermasse Ver-
Audi
Toyota
Ford-
duo
Pnus
IKA
P, PA
-
P.A
Esoro
ETH-
Twin-
Hybnd
Trak
III
P D
P,
P, PA
1165
660bl
1015
Einfuhrung
Volvo-
Mercedes
ECC
S
S
kg
1245
kg
1710
1240
1230
+50
+350
1580
1758
kg
320
75
140
230
145
350
255
-
1350
-
gleichstahrzeug
Zusatzmasse/
Leermasse
Battenegewicht
VM
Motortyp
Leistung
VM
Tutortyp
EM
Leistung
EM
-
kW
-
kW-Peak/
Diesel
Otto
Otto
Otto
Otto
Gastur¬
Otto
TDI
GDI
2-Takt
4-Takt
4-Takt
bine
4-Takt
66
43
50
20
45
40
65
PSC|
PS
Asyndl
Asyn
Asyn
Asyn
PS
32/21
10/30
40/20
34/34
6/6
70/45
75/2x35
Blei-
NiMH
NiCd
NiCd
Blei-
NiCd
NiMH
kW-Dauer
Battetieait
-
Vhes
Nennspannung
Batle
kapazitat
Reichweite el
Vhes
V
264
288
144
120
234
kWh
10
1 8
56
9
4
168
89
km je
50 ECE
30 ECE
70-100
24 ECE
85 FTP
24 ECE
14 ECE
128
158
-
180
120
-
Zyklus
kWh/
162
100km
ECE
Verbrauch
I/I00km
54D
Tieibstott
im
Verbi auch el
-
-
ECE
74
~~
89B
-
NEFZ
-
90B
ECE
(Reteienz)
Verbrauch
1/100km
gemischt
+
kWh/
100km
Beschleunigung
s/km/h
36
36B
42B
22
4 77B
60D
D+8 1
10-
8
+4 7
ECE
FTP+H
NEFZ
l5mode
ECE-
ECE-
mix
mix
I5s,0-
9s, 0-80
16s, 0100
17s, 0-
100°
+
100
7 8-8 8B
DSC)
17s,
13s,
14s,
0-100='
0-100
0-100
d)P Parallelhybrid, S serieller Hybrid, A autarker Hybrid, D Dual-Mode, PA Power-Assist
b)AK Elektrofdhrzeug
c)permanent erregter Synchronmotor
d)Asynchronmdschine
e)dusgeglichene Ladungsbilanz
dei Batterie
t)simuliert
gfsimuliert
Tabelle 1.3.1. Übersicht der
In der
vorliegenden Arbeit
trieb einander
Hauptdaten
verschiedener
Hybridkonzepte.
werden der Benzinbetrieb und der Elektrobe¬
gegenübergestellt.
Es wird der
Frage nachgegangen,
unter
1 4
15
Eigene Beitrage
welchen
Dabei sind die
Beurteilung
den
welche
Betnebsbedmgungen
Randbedingungen
des
Kapitel
in
wie
ben
Kap
gleich
in ein
die
abgeleitet
eine
wer¬
Die
der
mit
die Modelle
III
zur
Energieverbrauchs des Antnebsstranges
4
folgen
Realisierung
werden
Messergebnisse
Messergebnisse
ETH-Hybnd
Kapitel
Versuchsfahrzeug
ergetische Bewertung
in
die Simulationen
den
des Antriebes und dessen
Kapitel
finden In
zu
in
5
dargestellt
Kapitel
6
Im sel¬
folgt ein Ver¬
den Verbrauchssimulationen Die gesamten¬
Energieverbrauche
wird
Kapitel 7
in
beschneben
Eigene Beiträge
1.4
Als
ment
Voraussetzung für
erfolgte
Hybnd
dem
des
3 erläutert In
sind auch die
der
beeinflussen Davon
des
Konzept
verschiedenen Betnebsarten
Integration
gewichten,
die vorhandenen Starken des realisierten
Beschreibung der Dynamik und
werden
zu
werden soll
weiterentwickelt werden konnten
2 enthalt das
Kapitel
untersuchen und
zu
Gesamtantnebstranges
Wege aufgezeichnet,
Hybndantnebes
Energieform bevorzugt
III
Nach der
zwischen Simulation und
Realisierung
des
erfolgreichen Überprüfung
Prufstand
Versuchstrager
wurde die
Vergleich
die Koordination der
dynamischen
einen
einen
erfolgte
Verbunden mit
Fahrstrategie
die
des
Anpassung
für den Elektrobetneb
Antnebsstranges
des
Für die
flüsse der
vorgelagerten
Hybnd
Antnebsstranges
Antnebsstranges
Modell entwickelt
energetische Gesamtbeurteilung
Prozessketten der
chen Bauteile mit reduzierter
III
ein
in
implementiert
Aufbauend auf den vorhanden Simulationsmodellen des
wurde für die Blei-Vlies Battene
ETH-
des Benzinbetnebes auf
Integration
einer
Expen-
Antnebsystems
der
Energieträger
Nutzungsdauer
Antriebsstranges angepasst und
Betnebsphase wurde die
Ein¬
und der wesentli¬
auf die Verhaltnisse des ETH-
bewertet
2
Konzept des ETH-Hybrid III
Antriebsstranges
Kapitel werden
In diesem
zept des
die
Forschungsantriebes ETH-Hybrid
den einzelnen
Komponenten wird die
erläutert. Zusammen mit dem
arten
zu
diskutiert, die
die
Zielsetzung,
III
Hauptideen
und das Kon¬
dargestellt. Ausgehend
Struktur des
von
Gesamtantriebsystems
Konzept werden die verschiedenen Betriebs¬
notwendig sind,
um
einen verbrauchseffizienten Betrieb
erzielen.
2.1
Zielsetzung
Bei der
der
Konzeption
und
des
Technik das
heutigen
loten und darzustellen.
Rahmenbedingungen
ETH-Hybrid
III wird der Gedanke
Wirkungsgradpotential
Gleichzeitig
sollte die
der Antriebstechnik
Möglichkeit
mit beschränkter Reichweite lokal emissionsfrei fahren
tige Komponenten
sind
verbesserungspotential
zubinden,
so
zu
entwickeln,
zu
zu
an
mit
auszu¬
vorhanden sein,
können. Neuar¬
realisieren und deren Verbrauchs¬
abzuschätzen. Studenten sind nach
dass sie ihr Wissen
verfolgt,
Möglichkeit
Fragestellun¬
aktuellen und relevanten
gen anzuwenden lernen. Die ETH bildet für dieses
Rahmen, sind doch die meisten erforderlichen
einen idealen
Projekt
Disziplinen
an
ein¬
verschiedenen
Lehrstühlen vertreten.
Untersuchungen
Erste
dung
eines
glieder
der
interdisziplinären Projektteams
von
des Laboratoriums für
nungstechnik
nahmen die
an
die 1989
zur
Bil¬
der ETH Zürich führten. Mit¬
Verbrennungsmotoren
Realisierung
Stand des Wissens und das
erstmals in
durchgeführt,
sieben Instituten der ETH Zürich und der TU München unter
Leitung
Angriff.
wurden ab 1986
des
ETH-Hybrid
Grundprinzip
[37] und [36] beschrieben.
Das
und Verbren¬
III Antriebes in
dieses Antriebes werden
Antriebskonzept
ist für einen
2.2
17
Hauptideen
Personenwagen
Kompaktklasse ausgelegt (z.B. Volkswagen
der
der fünf Personen Platz bietet und ein
2.2
a)
darstellt.
Hauptideen
werden im
Drei
Hauptideen
um
die effiziente
Nutzung
und c) die
Nebenaggregate
Die effiziente
Betriebspunkt
Freiheitsgrad
einen
Antriebskonzept umgesetzt.
Erzeugung
Minimierung
Erzeugung
des
Energie,
mechanischer
von
Betriebszustand des
den
um
wirkungsgradgünstigeren
zu
der
Energie, b)
deren
optimale
die für den Betrieb der
erfüllen, bedarf
Fahrzeuges
zu
führt
zur
Idee, den
oder der Elektromaschine
Betriebspunkt
Bereich
zu
entkoppeln.
Der
des VM oder der EM in
verschieben. Um diese Forde¬
eines stufenlosen Elementes zwischen den
es
Antriebsquellen.
fenloses Getriebe
Energie
Verbrennungsmotors (VM)
vom
wird genutzt,
Rädern und den
mechanischer
Es handelt sich
des Antriebes erforderlich sind.
(EM) weitgehend
rung
vollwertiges Fahrzeug
Golf III),
ausgebildet
Dieses Element kann mechanisch als stu¬
sein oder elektrisch über eine
Energiewand¬
lung erfolgen.
Um die erzeugte mechanische
sche
Energie
des
Fahrzeuges
Energie optimal
beim Abbremsen
allem bei städtischer Fahrweise mit hohen
rungsanteilen
nutzen, wird die kineti¬
rekuperiert.
Beschleunigungs-
Dies ist
und
vor
Verzöge¬
sinnvoll. Da über die Hälfte aller Fahrten kürzer als 30 km
sind, ist dieses Potential nicht
Der
zu
Leistungsbedarf
Schwachlastbetrieb
den
der
zu
unterschätzen.
Nebenaggregate beeinflusst
Verbrauch
erheblich.
Durch
besonders
eine
im
konsequent
bedarfsorientierte Auslegung sowie Steuerung, bzw. Regelung der Hilfsan¬
triebe wird versucht, den
im
Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges gezielt
Niedrigleistungsbereich
zu
erhöhen.
18
2
Konzept
2.3
Aufbau des Antriebes
2.3.1
Anordnung
der
des ETH
Hauptantneb
det den
leistung
welle
wie er im
abgegeben
16 kW
Schwungrad
bedarf
als
Vergleichsfahrzeug
von
drei
um
Reibkupplungen (Kl)
ans
Fahrzeug abgeben
Reibkupplung
Schwungrad
Getnebe (1 -CVT) mit
werden
einer
kann
zwischen
nutzen zu
Kupplung
Fahrzeug
bis
zu
K2 mit
20 5 gestattet
von
und
kön¬
stufenlose
vorgesehene
Bremsenergierekuperation
dre¬
Umgebungsluft
in
Kurzzeitspeicher
Das
Leistung
mit der Zwischenwelle ver¬
Weitbereichsspreizung
weitgehende Drehzahlentkoppelung
eine
als
eine
Leistungswiderstand
stufenlosen Getnebes, das über die
verbunden
ermöglicht
die Zwischen¬
an
kann Alternativ kann die
K3 kann das
Kurzzeitenergiespeicher
Um das
es eines
dem Antrieb
und
Es handelt sich
Betneb das Bordnetz versorgen oder
Über die
bunden werden
nen,
bil¬
eingesetzt wird Die Motor¬
die Battene und auf den ohmschen
in
zuruckspeisen
hende
Leistung
generatorischen
bis
Nennleistung
Fest verbunden mit dieser Zwischenwelle ist die EM, die
6 kW motonsche
im
Antriebsstranges
Bild 2 3 1 ersichtlich Der
parallelen Hybridantriebes
des
wird über die erste
EM
aus
Ottomotor mit 1 3 Liter Hubraum und 53 kW
denselben Motor
III
Antriebskomponenten
Der schematische Aufbau des Antnebes ist
4-Zyhnder
Hybrid
i2-
eine
Antriebsstrang
niedrigen
Geschwin¬
digkeiten
Die
Hybndeinheit
umfasst die
Reibkupplungen
Kl
-
K3, die Zwischen¬
welle, die EM und das Schwungrad Mit den Reibkupplungen können die
Energieflusse
zwischen den mechanischen
Leistungsquellen, Energiespei¬
chern und Senken beeinflusst werden
Die EM wird über
Fahrbattene ist für
was
[70]
für die
einen
eine
Wechselrichter angesteuert und
elektnsche Reichweite
Durchquerung
einer
europaischen
von
25
-
geregelt
30 km
Die
ausgelegt,
Innenstadt ausreichend ist
19
2 3 Aufbau des Antriebes
Mit dem
Katalysator
oberhalb
Betriebspunkt
Aktivierungstemperatur
seiner
seits die Kreislaufe für
vom
wird einerseits versucht, den
Warmemanagement
zu
Olkreislauf
optimieren Als Abwarmequellen werden der VM, die
verwendet
zur
(in Bild
Abgaswarmetauscher 1
Abgaswarmetauscher 2
AW2
zur
G
HW
Speicher
Stufenloses Getnebe
Anschluss Wagenheizung
Fahrbatterie (ausbaubar)
KP
Warme
Drosse
KS
LE
Dreiwegkatalysator
Leistungse ekron k
LW
Luftwasserkuh
klappe
Elektromotor Gene ator
Elektr Wasserpumpe
EWP
Bild2 3 1
einer
Hilfsenergie
Kuppungen
und Larmkapsel
Schema des ETH
Funktionsoptimierung
Dies
zu minimieren
im
eingesetzt
die
Systemgrenze
Aspekte
den Rahmen dieses
Mit
einer
minimiert,
Latentwarmespe che
Verbrennungsmotor
Ant ebsrade
SL
W
bei
Der
zweite
Katalysators
Schwungrad
dampfer
Schal
Wasser
Luftf te
Zw schenwe le
er
H\bndIIIAntnebsstranges
der
Hilfsaggregate
gilt für
die
Antriebsstrang
ist
die erforderliche
hydraulischen Hilfsaggregate,
wie
auch für die elektnschen
mit seinen
der weiteren Hilfsantriebe
im
In dieser Arbeit
erforderlichen Hilfs¬
Fahrzeug übersteigen
Projektes
Schallkapselung
als
(Taktbetrieb
beim
des
R
Verbraucher des Antriebes (Aktuatoren, Luftermotor etc )
antrieben Die
Latent-
Kuhlwasser- und
LWS
M
S
die für den Betrieb des CVT erforderlich sind,
hegt
zwei
Weg-Katalysators implizit dargestellt)
B2
DK
K
werden
verzögerten Auskuhlung
Bordnetzbatter
e
wird
Warmlaufzeiten
B1
E
Mit
der
dient
2 3 1 als Teil des Drei
AW1
Warmespeicherung
Der erste
Reduktion
Latentwarmespeicher
Drei-Wege-
halten und anderer¬
Kuhlwasser, Motorenöl und Hydrauhkol abhangig
EM und das Getnebe genutzt Zur
warmespeicher
zu
des VM können sowohl die Aufwarmzeiten
auch die Schallemission
Vollast) gedampft
werden
der
ungewohnten
Betriebsweise
20
2
Konzept
des
ETH-Hybnd
III
Antriebsstranges
2.3.2 Zielwerte
Die berechneten Zielwerte dieses
zeug
aufbauend(Volkswagen Golf III),
sind
in
Tabelle 2 3 1
Fahrzeug
Luftwiderstand
(cw*A)
Rollwiderstand
(cr)
m2
kg
Leergewicht
Battenemasse
(25-30km Reichweite)
dargestellt
VW Golf III
Hybrid
07
07
0 01
001
1030
1360
III
80 (NiMH)
kg
Benzin/Elektromotor
Nennleistung
auf dem Basisfahr-
Antriebsstranges
kW/kW
55/-
53/6
1/100 km
89
43
Verbrauch
VM)
ECE R15/04 (nur
ECE-R15/04(nurEM)
kWh/100 km
Konstantfahrt 90 km/h
1/100 km
55
5 1
Konstantfahrt 120 km/h
1/100 km
73
68
Tabelle 2 3 1
Zielwerte für den ETH
Hybrid III
in einem
wird, gestutzt auf
Als vereinfachende Annahme
18
-
Personenwagen
eine
des
unveränderte Fahr¬
Rollreibungskoeffizi-
zeugkontur
und
enten,
unveränderten Roll- und Luftwiderstandsbeiwerten für beide
von
Fahrzeuge
tion
eine
geringe
ausgegangen
des Elektroteils
Massenabhangigkeit
Das erhöhte
(Battene
und
infolge
punkt
angestrebt
sowie
des
wird durch die
Schwungrades
Integra¬
verursacht
des Benzinverbrauches
im
Eine leicht reduzierte
Höchstgeschwindigkeit
ist
Wirkungsgrades
des
EM)
und des
Halbierung
Trotz dieser Zusatzmasse wird
Stadtverkehr
Leergewicht
eine
des stufenlosen Getnebes
Mehrgewichtes
nicht
zu
im
Nennleistungs-
vermeiden
2.3.3 Betriebsarten
Die drei
denen der
Reibkupplungen
Leistungsfluss
sind
wie
oben erwähnt die Stellelemente, mit
zwischen dem VM, der EM, den
Energiespeichern
21
2.3 Aufbau des Antriebes
(Schwungrad
Batterie) sowie dem Fahrzeug vorgegeben werden kann.
und
Diese mechanische
für
Betriebsarten
die
der
Konfiguration
des
Komponenten
Im
Antriebsstranges.
bildet die
Grundlage
Taktbetrieb
und
im
Überlandbetrieb wird das Fahrzeug mit Benzin betrieben. Im Elektrobetrieb
liefert die Batterie die
Bremsleistung
kann maximal die
zurückgespeist
gemittelte Antriebsleistung.
werden.
Eine
Rekuperationsbetrieb
Im
entweder elektrisch oder mechanisch
Analyse
detaillierte
Darstellung
und
Überlandbetrieb ist in [91]
Betriebsarten für den Takt- und
der
finden.
zu
2.3.3.1 Taktbetrieb
eine
ermöglicht
Der Taktbetrieb
des VM bei kleiner
Leistungsanforderung gegenüber
Solange der Leistungswunsch
deutlich unterhalb der
bei seiner minimalen Betriebsdrehzahl
Betriebsweise des Motors eine
des Betriebes
Wirkungsgradsteigerung
liegt,
dem Drosselbetrieb.
Völlastleistung des VM
kann mit einer
getakteten
gemittelte Betriebspunktverlagerung
werden. Dieses Verfahren arbeitet
analog
erzielt
der in der Elektrotechnik weit
ver¬
breiteten Puls-Breiten-Modulation und nutzt die Tatsache, dass der beste
Wirkungsgrad
des
Ottomotors
seiner Vollast
an
stöchiometrischem Gemisch und ohne
Aufladung
liegt
-
sofern
er
bei
betrieben wird (minimale
Drosselverluste). Das Schwungrad wird im Taktbetrieb als Kurzzeitenergie¬
speicher genutzt.
zu
Der VM wird mit Vollast
laden; während der
Entladung
Im Taktbetrieb ist das
betrieben,
um
Schwungrad
das
steht der VM still.
Schwungrad
über die
Reibkupplung
K3 mit der
Zwischenwelle stets verbunden (Bild 2.3.2). Für die Lade- und Entlade¬
phase
des
Schwungrades
treten zwei
unterschiedliche
Konfigurationen
des
Antriebes auf:
-
-
Fahrzeug
mit Antrieb verbunden
Fahrzeug
mit Antrieb nicht verbunden
Bei
geschlossener Reibkupplung
über die
Kupplung
Völlastleistung
für das
Kl mit dem
(Reibkupplung
zu)
(Reibkupplung
K2
offen)
K2 ist der VM während der
Antriebsstrang
des VM liefert einerseits die
Fahrzeug,
K2
verbunden
Ladephase
(Bild 2.3.2). Die
gewünschte Antriebsleistung
andererseits wird sie, falls erforderlich,
zur
Speisung
des
Konzept des ETH-Hybrid
2
22
Antriebsstranges
das
beschleunigt
Uberschussleistung
Die
bereitgestellt.
Bordnetzes
III
Schwungrad.
Bei
geöffneter Reibkupplung
heiten, nicht aber die prinzipielle
K2 verändern sich die involvierten
Funktionsweise. Die Taktdauer
Träg¬
verlängert
Taktes
sich und das Verhältnis zwischen Ladezeit und Entladezeit eines
schiebt sich deutlich, da
ste der
da die
nur
noch die
Hybrideinheit gedeckt
Generatorleistung
werden müssen. Die
Motorleistung vorwiegend
zur
Ladephase
Beschleunigung
ver¬
und die Reibverlu¬
des
verkürzt sich,
Schwungrades
verwendet werden kann.
Batterie
Verbrennungsmotor
Schwungrad
Bild 2.3.2:
Rad
während der Lade¬
Leistungsfluss durch den Antriebsstrang im Taktbetrieb
phase des Schwungrades (Fahrzeug und Antrieb verbunden).
Batterie
Schwungrad
Bild 2.3.3:
Ein
der
Generator
CVT
Rad
Antriebsstrang im Taktbetrieb wahrend der Entla¬
Leistungsfluss
dung des Schwungrades (Fahrzeug und Antrieb verbunden).
Leistungsfluss
durch den
von
Schwungraddrehzahl
zeigt (2.3.1).
und
zu
zum
Schwungrad
ist
nur
über eine
erzielen, wie der Drallsatz für das
Änderung
Schwungrad
23
2 3 Aufbau des Antriebes
P
Folglich
ist
bei
2.3.3.2
üfa>5
(Ös
immer
Leistungstransfer
den
(2
Jt
Schwungrad
einem
setzungskomponente für
-6s
=
Fahrzeug
zum
1)
Uber-
erforderlich
Überlandbetrieb
der Fahrer
Verlangt
Leistung
eine
drehzahl
so
bei
Völlastleistung
oberhalb der
maler Betriebsdrehzahl des VM (14 kW bei 1800
Diese
stufenlose
eine
3
min
'),
mini¬
wird die Motor¬
angepasst, dass der VM die Anforderung bei Vollast erfüllt
Leistungsregelung
durch
stellt den sogenannten
Drehzahlanpassung
Uberlandbetneb dar
Schwungrad
Im Uberlandbetneb w-ird das
kuppelt (K3 geöffnet) (Bild
entspricht
kauflichen
möglich
mit Ausnahme
2 3
der
als parasitäre
4) Die direkte Kupplung
der
Getriebespreizung
dend
(vgl Kap
2 3 4
1) Auf
eine
muss
der VM
in
heute
Der VM wird falls
bestmöglichen Wirkungsgrad
bei Vollast und somit bei
An der Grenze des Verstellbereiches des CVT und beim
Taktbetrieb und Uberlandbetneb
VM und CVT
Anordnung
mit stufenlosen Getrieben
Personenwagen
Trägheit abge
von
betrieben
Übergang zwischen
gedrosselt
betrieben
wer
Drehmomentenreserve wird verzichtet
Verbrennungsmotor
oooo
K2
K1
CVT
Rad
Bild 2 3 4
Uberlandbetneb
mit
abgekoppeltem Schwungrad
2.3.3.3 Elektrobetrieb
Die EM ist
in
diesem
innerstadtischen Betneb
mittleren
Leistung
Konzept
(bis
ca
betneben
mit
einer
65 km/h)
Die
Nennleistung
ausgelegt
Aufgabe
des
6 kW für
einen
Die EM wird bei
einer
von
Schwungrades
ist
die
Konzept des ETH Hybrid
2
24
Übernahme
figuration
auftreten
geforderten Leistungsspitzen
sowohl
(Bild
Leistungen
6 kW)
stungsangebotes (<
Geschwindigkeiten
Fahrzeuges
4 2
(vgl Kap
Em Betrieb der EM ohne
wie
in
auch
dieser Kon¬
von
Schwungrad
nur
für
und des
m
Abhän¬
Antriebsstranges
ist
aufgrund
des beschrankten Lei¬
Manovenerbewegungen und langsame
Handling
des
Energieverbrauch
der
sinnvoll Diese Betriebsart unterstutzt das
des
ihm weg
2)
besitzt aber keinen Einfluss
Transportleistung
hm
Antnebsstranges
5) Die abzugebende mittlere Leistung der EM
2 3
formuliert werden
Fahrzeuges,
Somit können
Schwungrad
zum
des Betriebszustandes des
gigkeit
muss
von
III
auf den
Deshalb wird diese Betriebsart
Personenwagens
im
Rahmen dieser Arbeit nicht weiter untersucht
Bild 2 3 5
Mögliche Leistungsflusse
des als
keiten
a)
Rekuperation
an
(Bild
2 3
der kinetischen
chennoghchkeit gewahrt
Wiederverwendung
der
Wirkungsgradkette der
r)s(t)
ersetzt werden
die mechanischer
unter
Energie
der
drei
Bremsenergie
Voraussetzung
den vorteilhaftesten
elektrischen
Aufgiund
des ist bei dei letzten
im
Fahrenergie bieten sich
Möglich¬
6)
Schwungrad speichert
Das
die
Verwendung des Schwungra¬
Rekuperation
2.3.3.4
7mx
Elektrobetrieb bei
im
Kurzzeitenergiespeichei
der
Rekuperation (2
einer
ein
Schwungrad gespeicherte Energie
Spei-
unmittelbaren
Wirkungsgrad
3
2) kann dabei
unmöglichen Vorhersage
Rekuperation
Diese
Die
mit
des Fahrten¬
Verlust unvermeidlich
Obwohl
beim Abschalten des Antriebes
25
Aufbau des Antnebes
2 3
über den Generatorbetrieb
eine
direkte
Rekuperation
^LE ^EGen
die Batterie transferiert werden kann,
in
in
die Batterie
über den Generator
Energiespeicher
gespeichert
Erwärmung
auf
zugeführt werden,
Betnebstemperatur
zu
Antnebsenergie
ver¬
(Batterie
Leistungswiderstand
halten oder als Warme
im
gespeichert
Luftkuhler
ist
zulassigen
allenfalls die anderen
Letztendhch kann die Uberschusswarme
abgegeben
wird
rekupeneren
der Batterie
im
um
^ 3 2>
Bremsleistung
der Battene beschrankt den
strom), kann die Uberschussleistung
wasserkreislauf
16 kW
zu
eingeschränkter Aufnahmeleistung
Bei
voll oder die
Die
und kann wieder als
wendet werden Der Generator kann bis
c)
Fahrtende vorzuziehen
^EMot ^LE
^Battl ^Batte
Die Batterie dient als zweiten
b)
am
wäre
an
die
bereits
Lade¬
dem Kuhl¬
Aggregate
zu
werden
Umgebung
werden
Leistungswiderstand
CVT
Schwungrad
Bild 2 3 6
2.3.4
Die
zur
nährend dem
pa(j
Rekupeiationsbetileb
Fahrstrategien
Fahrstrategien
Abdeckung
unter
zu minimieren
durch die
gungen
So
Forderung
(vgl
bilden
ein
Ensemble
des Zustandsraumes des
Energieverbrauch
gen
Leistungsflusse
Generator
Einhaltung
ergeben
sich
nach maximaler
die detaillierte
Erörterung
verschiedenen Betriebsarten
Antnebsstranges
Das Ziel ist, den
unterschiedlichen
von
aus
von
der
Vorgabe
der
Antriebsleistung
in
[91])
Randbedingun¬
Energieform
oder
solche Randbedin¬
26
Konzept
2
2.3.4.1
gieträger Bei
einem
V basiert auf Benzin als
Fahrleistungsbedarf
Betneb des VM nicht
Leistungsbereich
zum
Fahrleistungsbedarf
gewählt
14 kW wird
>
des Taktbetriebes
im
alleinig
infolge
-
2.3.4.2
eines
[91, 19])
Bei
Uberlandbetneb
gefahren
Im Grenz¬
14
kW) reduziert sich der Wirkungs¬
Energie
die verschiedenen
E fordert
Fahrstrategie
einen rein
lokal emissionsfreien Betriebes
des VM nach dem
Auskuppeln
gedrosselte,
eine
Optionen
gemäss
perma¬
2 3 3 4
Kap
Nenndrehzahl
(< 6000
l)
mm
vaniert
(vgl Kap
minl)
(1800
zur
in
4 2
nach
kann die Drehzahl
begrenzt
aufgrund
Ist die Wahl der
Funktion
Im
EM ist durch die
Betnebsbereich
der gewünschten Beschleuni¬
Strategie
der
Rekuperation
ist
für die
(hybride) Fahrstrategie H
Fahrstrategie
E
in
der
durch
Regel
eine
Gesetzgebung
emissionsfreier Mobilität motiviert (Zero-Emission-Vehicle-
Standard), stehen bei der Strategie H Ziele
Energie, Erziehung
von
in
minimalen Beschleu¬
2) Die Drehzahl der
unten
wird
mit dem
E und V identisch
2.3.4.3 Kombinierte
lokal
einer
Erzielung
zur
zusammen
Schwungrades
Sicherstellung
gungsreserve bestimmt werden Die
Fahrstrategie
elektrischen Antrieb
Die EM wird
Die Solldrehzahl des
Fahrzeuggeschwindigkeit
rung
einem
Fahrstrategie E
nigungsleistung
nach
diesem
Schwungrad-Batterie-Wanne genutzt
Schwungrad genutzt
der
in
Betnebsweise effizienter wird als der Taktbetrieb Bei der
Rekuperation werden
der Priorität
Daher wird
4 13 und
(offnen der Reibkupplung Kl) fuhren dazu, dass
gefeuerte
einzusetzender Ener¬
der kurzen Taktzeiten deutlich Die Verluste
des Motorstarts und die kinetische
Die
Antriebsstranges
Die Grenzdrehzahlen des Taktbe¬
gewählt (vgl Kap
bereich der beiden Betnebsarten (12
nent
III
12 kW fuhrt der kontinuierliche
<
optimalen Wirkungsgrad
der Taktbetneb
triebes werden konstant
grad
ETH-Hybnd
Fahrstrategie V
Fahrstrategie
Die
des
eines
Fahrkomfort
minimalen
wie
Substitution
Pnmarenergieverbrauches
(Ansprechverhalten)
oder
Fahrleistung
von
fossiler
oder
Steige¬
im
Vorder-
27
2.3 Aufbau des Antriebes
grund.
Beim Einsatz der
strategie
H
gespeicherten Batterieenergie
gerechnet werden,
damit
muss
emissionsfreien Betrieb, zumindest
Überbrückung Drosselbetrieb:
reich des Drosselbetriebes
für Ziele einer Fahr¬
dass die Reichweite für lokal
vorübergehend
Die EM kann
reduziert werden kann.
mithelfen, den Leistungsbe¬
überbrücken. Durch eine elektrische
zu
Einspei¬
sung auf die Zwischenwelle kann die Periodendauer des Taktbetriebes
längert werden,
wodurch die
Startfrequenz
Einzelverluste vermindert werden
Teillastoptimierung:
schen oder fossilen
In
in einem
Betriebspunkt
führt
des Verbrauches
zu
der
Steigerung
Überbrückung
einer
geht
des elektri¬
wird die Ener¬
vernachlässigen sind allfällige Fahrbarkeits-
Fahrleistung
können die Lei¬
Strategie
ist in der Umset¬
VM und EM addiert werden. Diese
zung verwandt mit der
steigerung
zu
Wirkungsgrades
des
Antriebsquelle (vgl. Kap. 7.4.1).
Zur
Leistungssteigerung:
von
Abhängigkeit
Nicht
kriterien beim Wechsel der
stungen
(vgl. Kap. 4.3.1).
Energiestromes
gieform umgeschaltet.
ver¬
des VM reduziert und somit die
des Drosselbetriebes. Die
Verbesserung
des
Leistungs¬
die zulasten
Fahrzeugverhaltens,
und hier nicht weiter untersucht werden soll.
Leistungsanpassung Überlandbetrieb: Im Überlandbetrieb arbeitet der
VM
an
der Vollastlinie ohne Drehmomentreserve. Eine
Anpassung
der Lei¬
stung erfolgt durch die Adaption der Drehzahl des VM. Die EM kann
Beschleunigung/Verzögerung
um
die
Beschleunigungs-
abzweigen
zu
müssen
oder
der rotierenden Massen verwendet
Verzögerungsleistung
diese
Strategie
eine Alternative
die
Ladung
zur
im
zur
Vergrösserung
vom
werden,
Fahrwunsch
[74] (vgl. Kap. 4.3.2).
Autarker Ladebetrieb: Der VM treibt
als Generator
nicht
zur
der Batterie
gleichzeitig
an.
Je nach
zum
Fahrzeug
die EM
Batterieladeleistung
ist
Überland- wie auch im Taktbetrieb möglich und stellt
Ladung
ab Steckdose dar. Eine
der elektrischen Reichweite
typische Anwendung
(vgl. Kap. 4.3.3).
ist
3
Modellierung
des
Antriebsstranges
Simulation der verschiedenen
Zur
Fahrzeug
mit dem
abgebildet.
Dabei
Hybridantrieb
wird
der
Betriebszustand
Grundmodell simuliert. Den einzelnen
die
Antriebskonfigurationen
erarbeitet
(vgl. Kap. 5).
für Mess- und
von
der ETH
Projektes,
mit
dellen für die
jeweiligen
Erfordernisse
und
mechanischen
werden für
und Verlustmodelle
Prüfstandsergebnissen
Regeltechnik
Steuerung
einem
und
des
in [91], mit
nachgebildet, das
gehend entspricht
und mit dem
Institut
Wirkungsgradmo¬
ergänzt worden.
Antriebsstranges
und Steuermodell
am
(IMRT) entwickelt [77] und ist im
Schwergewicht
Regelung
hinterlegt.
Modellrechnungen
Das mechanische Grundmodell wurde
Verlaufe des
Die
mit
Komponentenmodellen
Verbrauchsermittlung Wirkungsgrad-
Diese wurden auf Grund
wird das
nichtlineares, dynamisches Modell
als
wird in einem
Regier¬
der Struktur des realen Antriebes weit¬
Spezifikationswerkzeug
CIP erstellt wurde
[22]. Das dynamische Antriebsmodell wird in der Simulationsumgebung
Steuerung und Regelung verknüpft,
Simulink mit der Struktur der
so
dass
mit einem Fahrermodell der Gesamtantrieb simuliert werden kann. Detail¬
liert ist dieses
lich auf
[77].
Vorgehen
In diesem
[91] und [93] beschrieben und basiert ursprüng¬
in
Kapitel
die verwendeten Modelle
zur
wird
ein
neues
aus
Verdeutlichung
ein
Überblick über
Beschreibung der Fahrzeugdynamik
Wirkungsgradberechnung gegeben.
wurde das Batteriemodell
zur
[91]
Zur
Beurteilung
und der
des Elektrobetriebes
verfeinert und für die Blei-Vliesbatterie
Batteriemodell erstellt.
3.1 Mechanisches Grundmodell
Der
Antriebsstrang
kupplungen
wird durch 4
Trägheiten modelliert,
und eine starr modellierte
die über Reib¬
Getriebeübersetzung
miteinander
3.1
29
Mechanisches Grundmodell
verbunden werden können (Bild 3.1.1). Die Elastizität zwischen den
Trägheiten
heit
0Fz,
werden
die
Im einzelnen sind dies die
vernachlässigt.
Zwischenwellenträgheit 0W,
heit des VM
0vm-
die rotierenden
Die
das
bildet die
Fahrzeugträgheit 0Fz
bis
Fahrzeugteile
zum
Schwungrad 9S
Fahrzeugträg¬
und die
Träg¬
Fahrzeugmasse
sowie
fahrzeugseitigen Getriebeeingang
ab
(3.1.1). Die Fahrzeugmasse sowie der dynamische Radradius rR wird für die
Simulation gemäss Tabelle 5.4.1 angenommen.
QFz
(3.1.1)
(mFz + mr0t)
rR
=
ü)S
IX]
|(oz
MVM
<^
5T%3
9VM
'VLa
Mvses
^MVG
'G
M'
9W
toR
»Fz
Bild 3.1.1: Mechanisches Grundmodell des
heiten VM,
Schwungrad,
ETH-Hybrid III Antriebes
Zwischenwelle mit Rotor der EM und
mit den
Fahrzeug,
Träg¬
die starr
ver¬
bunden sind.
Die
Zwischenwellenträgheit 0W
len zwischen
Getriebeeingang
K2 und des Rotors der EM
Schwungrades
Trägheit
=
0.302
Wegfall
deutlich kleiner als beim Serienmotor
Bild
je
nach
5.1.17)
zur
=
des
(0vm
=
Gang
direkt oder
Der
1.07
der Getriebewel¬
Kupplungsteile
abkoppelbare
kgm2
von
Teil des
dargestellt.
Die
motoreigenen Schwungrades
003
Getriebeübersetzung iG wird
Drehzahlen der Zwischenwelle und des
verläuft
kgm2).
Trägheit 0S
des VM wird durch den
Die stufenlose
Trägheiten
und Kettenwandler, der
(0W
wird durch die
umfasst die
kgm2).
durch das Verhältnis der
Radausganges gebildet (3.1.2).
umgekehrt proportional (Bild
Übersetzung iCVx der Komponente des
Sie
5.1.16 und
Kettenwandlers.
30
Modellierung
3
des
Antnebsstranges
C07
ir
=
Cr
(3 12)
—
fli
Der Fahrwiderstand wirkt als Kraft
Rad und erzeugt auf der Abtnebs-
am
welle das Fahrwiderstandsmoment (3 1 3)
<3 * 3>
ML=rR (FRoll+FLuft+FSteig)
Der Rollwiderstand wird mit der Normalkraft der
dem Rollwiderstandsbeiwert unter
a
der Fahrbahn
gebildet (3
1
Berücksichtigung
Fahrzeugmasse
des
und
Neigungswinkels
4)
FRoll
CR
=
(3 14)
cos«
S
mFz
Die Luftdichte wird als konstant angenommen
1 16
(pL=
kg/m3)
Somit
wird der Luftwiderstand
FLuft
Der
05
=
Steigungswiderstand ergibt
FSte,g
Das Moment
ment
MVM
des VM
Antnebsmoment Das Moment
=
in
des
Reaktionsmoment der
der
8
(3
1
6)
beim Motorstart dem
Betriebsphase
Schleppmo¬
dem netto
als auch negative
am
gelieferten
Fall
Fall des genera¬
(im
die
Schwungrad (Mvs)
Schwungrades
Reibkupplung
Reibkupplungen
(3 l 6)
SmCX
Luftreibung
auf der Zwischenwelle
K3 auf (3
1
8)
ergibt sich das resultierende Verlustmoment MVLa
der 3
<315)
Alternatorbetnebes) Werte annehmen
Als Verlustmomente treten
Lagerreibung
mFz
vFz2
PL
MEM der EM kann sowohl positive (im
Anlasserfunktion)
torischen Bremsens oder des
die
sich nach
entspncht
(negatives Vorzeichen) und
der Motor- oder
A
cw
sowie
und
das
An der Zwischenwelle
aus
und dem Stutzmoment der
den
Lageneibungen
Schwungradlagerung
(3 1 9) Das Verlustmoment des Getnebes (MVg) besteht
aus
den Reibmo-
3.2
Wirkungsgradmodelle
31
der Komponenten
menten des Kettenwandlers
Dieses
mechanische
Schwungrades
chungen
ein
reines
längsdynamisches
Querbeschleunigungen
und die
Kreiselwirkung des
Grundmodell
ergeben
sich die
Bewegungsglei¬
Trägheiten:
*VM
0S
Qw
®w
=
'
•
®VM
(0S
MK1
QFz-mR
3.2
ist
nicht ab. Mit dem Drallsatz
für die
Lagerungen
hydraulischen Pumpen (3.1.10).
sowie den Antriebsleistungen der beiden
Modell und bildet somit
und
Zahnradpaarungen
und der
=
+
=
(3-L7)
MVM~MK\
=
(3'1'8)
~MVS~MK2
MK3
MEM
+
-
MK2
-
MVLa
(3.1.9)
(3.1.10)
(MK2-MVG)iG-ML
Wirkungsgradmodelle der Komponenten
3.2.1
Verbrennungsmotor
Der Motorbetrieb wird in einen
gefeuerten
und einen
geschleppten
Betrieb unterteilt.
Im
ven
gefeuerten
Betrieb kann das Moment des VM einen
beliebigen positi¬
Wert kleiner als das Vollastmoment annehmen. Das Vollastmoment wird
mit einem
Polynom
2. Grades der Motordrehzahl
angenähert.
2
MVMV„n„u(a>VM)
1
Im
ungefeuerten
Betrieb wird das
druck und dem Verlust
aus
=
0
Schleppmoment
der Gaswechsel- und der
schleife
gebildet.
PmGW
"0-2 bar als konstant angenommen.
=
(3.2.1)
^cVMl-(oVM'
=
aus
dem Reibmittel¬
negativen
Hochdruck¬
Dabei wird der Mitteldruck der Hochdruckschleife mit
32
3
Die
Verbrauchsbestimmung erfolgt
2
Wilhamsgeraden (3
m
und pme0
Antriebsstranges
nach
(dies
ist ein
der
negati¬
Die Werte der Koeffizienten werden
ver
Wert)
aus
dem gemessenen Kennfeld (Bild 5 1 1) bestimmt
vanieren
des
Modellierung
der
mit
2) Die Koeffizienten
über der Drehzahl
Modellierung
+ m
Pme= PmeO
<3 2 2>
PmBr
mit
mRr
PmBr
Hu
2
(3 2 3)
=
y
VH
n
nVM
pmBr kann als Brennstoffrnitteldruck interpretiert werden (3 2 3), d h als
gemittelte Brennstoffleistung
(3 2 4) definiert,
Der
Wirkungsgrad
des VM wird gemäss
womit auch der Verbrauch bestimmt werden kann
(3 24)
%,~
PmBr
Für jeden Start des VM wird
ein
Mehrverbrauch
berücksichtigt,
der durch
Verbrennungsaussetzer infolge Wandfilmaufbaus und ungenügendem Luftverhaltnis auftntt
Die
der
Abkühlung
Reibleistung
gefeuerten
des VM
wird
in
den Stillstandszeiten und damit die
berücksichtigt
Betnebs werden bis maximal 4 4% Mehrverbrauch berücksich¬
Der Verbrauchsfaktor ist
tigt
Erhöhung
Wahrend den ersten 3 Sekunden des
eine
lineare Funktion der
Stillstandszeit,
wobei nach 30 Sekunden Motorstillstand der maximale Mehrverbrauch
erreicht wird
3.2.2 Elektromaschine
Die
VM,
Modellierung
des
Wirkungsgrades erfolgt analog dem Vorgehen beim
mit einem linearen Ansatz
zahlabhangig
elektronik modelliert Die
nen
über der Last, wobei die Parameter dreh-
sind Die EM wird als Einheit
zusammen mit
Parameterbestimmung
der
Leistungs¬
basiert auf den gemesse¬
Kennfeldern der EM für die Betnebsarten, motonscher Antrieb, genera-
3 2
Wirkungsgradmodelle
torischer Betrieb
PEM0 +
=
m
P
'
ab Zwischenwelle
Speiseleistung
ab Batterie
(3.2.5)
EM ein
Rekuperationsbetrieb stellt
Eingangsleistung
dies die elektrische
Rekuperationsbrem-
5.1.8).
PEMaus
stung die
des Bordnetzes sowie
Speisung
Beim Generator- und
33
Komponenten
Bild 5.1.7 und Bild
(vgl.
sung
zur
der
da.,
die mechanische Lei¬
Beim Motorbetrieb ist
(3.2.5).
3.2.3 Traktionsbatterie Blei-Vlies Batterie
Im
ETH-Hybrid
HAGEN
drysafe)
III
wird eine Blei-Vlies Batterie
Fahrzeug
mit 120 V
Nennspannung
Ah verwendet. Diese Batterie besteht
mit
je
12 V
Nennspannung
ten Batterie sind im
mulation
integriert.
und 14.5
Vergleich
wurde in dieser Arbeit ein
und einer
aus
kg
angeordneten
10 seriell
dargestellt.
von
38
Einheiten
Masse. Die Kenndaten der
in Tabelle 3.2.1
neues
(vom Typ
C5 -Kapazität1
gewähl¬
Für diese Batterie
Modelle entwickelt und in die Gesamtsi¬
Für Bleibatterien bestehen verschiedene
Modelle, die in
[68] und [55] zusammengefasst sind. Die hier gewählte Modellierung zielt
vor
allem auf die
nung und
Energiewirkungsgrad
Parameter sind
qe
>
0.8
Modellierung
Festlegung
peratur
<
Co
realistisch
66
abgebildet
der Parameter stammen Daten auch
werden nicht
Heizleistung
den aber
Werte für die
gemittelte
Feldversuches für Elektromobile
ab. Die
werden. Die
denjenigen
in
>
Entladung
Folge
[68, 52, 30, 28].
Es wird eine Normaltem¬
wird für die
Ermittlung
für die Batterie modelliert. In
der Ver¬
Kap.
7
wer¬
Batterieheizung gemäss Ergebnissen des
von
Rügen [34] gesondert berücksichtigt.
einer Battene angegeben Es handelt sich dabei um
Strombetrag, der nach einer 5-stundigen Entladung zu einer entladenen
Batterie fuhrt Analog ist C| für eine 1-stundige Entladung definiert
2 Der Entladegrad ist bei vollständig geladener Batterie qe
0 und bei entladener Battene qe
1
Der Ladegrad ist dementsprechend bei leerer Batterie qi
1
0 und bei voller Battene qi
C5
wird
aus
berücksichtigt.
25 °C angenommen. Als
brauchswerte keine
1 Mit
möglichst geringer Komplexität
[66], die Ladung aufbauend auf [28] modelliert. Zur
Temperatureffekte
von
Ladezustand, Batterieklemmenspan¬
wählen, dass der Ladezustand für Entladegrade 0.1
so zu
und Ströme
wird basierend auf
von
bei
[A] die relative Belastung
konstanten
=
=
=
=
34
Modellierung
3
Im weiteren werden
Langzeiteffekte (Selbstentladung
Eine
zeit, Alterungseffekte) vernachlässigt.
Eigenschaften
während einer Stand¬
Streuung
der
80380
drysafe
[64]
Batteriespannung [V]
120 (10 Module)
264
Kapazität [Ah]
38
38
63
75
Energiedichte [Wh/kg]
31
30
Energiedichte [Wh/1]
72
a)Bei
einer
Tabelle 3.2 1.
[W/kg]a)
Strombelastung
elektrischen
Batteneuberbhck '97
[30]
Leistungsdichte
Antriebsstranges
vernachlässigt.
der einzelnen Module wird
HAGEN
des
-
5*CS
von
Leistungsdaten der gewählten
Bleibattene
im
Vergleich
Bleibattenen
zu
verschiedener Grosse und Hersteller Stand 1997.
Im
folgenden
3.2.3.1
Die
werden die
Eigenschaften
eines 12 V-Moduls beschrieben.
Entladung
Entladung wird
mit einer
Kapazität CR
als
Energiespeicher
drei variablen Widerständen für den ohmschen Widerstand
trittswiderstand
3.2.1. Die
ten
R(j
und den Konzentrationswiderstand
Ruhespannung UR
Gleichgewichtszustand (I
Funktion des
Ladegrades
stellt die
=
Entladegrades
qe modelliert
(
=
r
V
ers
(n-EQ)-
)
V
Gleichgewichtspotentialdifferenz Eq
n
=
Ersatzkapazität
a
(3.2.6).
\
Cers)
1.931 V einer Pb-Batterie
=
6 als der Anzahl Einzelzellen pro Batte¬
riemodul, dem Säurekonzentrationskoeffizient k
ven
modelliert Bild
der Batterie im unbelaste¬
Spannung
k
Mit der
den Durch¬
Rv
0) dar. Sie wird nach [6] als eine lineare
q{ oder des
mit 1-molarer Schwefelsäure,
R^,
und mit
cers der Batterie
(cers
=
=
1.095 und mit der relati¬
12.5 [-]), resultiert für ein 12 V-
Batteriemodul eine maximale Ruhespannung
von
UR
=
12.69 V
3.2
Wtrkungsgradmodelle
35
der Komponenten
U,
Bild 3.2.1: Ersatzschaltbild für die
Da die Batterie
bis
nur
Batteriekapazität CR
zur
Spannung UR(qe
Ladung in
die
Daraus
folgt,
dass die modellierte
werden
muss
(3.2.7).
C
Bei einer
U
sich eine
Spannungshub freisetzen.
Ö Bau
0)-UR(qe=
=
38 Ah bei
(3.2.7)
1)
C5 (entspricht
Modellkapazität CR
147.59
=
4.56 kWh Ener¬
*103
F.
sich mit dem ohmschen Gesetz:
U=UR-I(Rk+Rd+Ri)
Der Konzentrationswiderstand
Leitfähigkeit
des
Elektrolyten
ab und wird mit einem
die
muss
Kapazität wesentlich grösser spezifiziert
UR{q
Batteriespannung ergibt
der Bleibatterie.
1) entladen wird,
=
einem kleinen
ö-
Batteriekapazität von
gieinhalt) ergibt
Die
-
R
Entladung
Rk
(3.2.8) bildet den Unterschied der
in
Änderung
der Säurekonzentration
zweiten Grades im
Entladegrad approximi¬
durch die
Polynom
(3.2.8)
ert.
Rk
=
Die Koeffizienten lauten: q2
Der
do
=
Durchtrittswiderstand
Übergangswiderstand
enten
a2<le
=
0.02 O, d,
+
a\ae
0.24 Q, q{
=
-
in
Rd
zwischen Elektrode und
=
0.25 [-] und
d2
=
0.2
+
(3.2.9)
%
0.07 Q und q0
=
0.012 Q..
den
(3.2.8)
beschreibt
Elektrolyt
mit den Koeffizi¬
[-] in (3.2.10).
3
36
i
Rd
1
dQ-
=
d2
-
Modellierung
des
Antriebsstranges
\
i
mit
e
(3.2.10)
=
5CC
Der relative Strom i stellt das Verhältnis des Klemmenstroms I
fachen Strom einer
C5 Entladung
dar. Der Verlauf
des Batteriestromes ist in Bild 3.2.2
20
einer
Die
ohmschen Widerstand
gemäss [68]
Rj
Die Koeffizienten in
=
(3.2.8).
u\
K3
Elektrolyten bilden
Dabei ist der Einfluss des
den
Elektrolyten
(3.2.11)
lauten r0
=
0.056 £2, rt
=
2.02 mQ,
k2
=
0.98
10.80 V.
Der Einfluss
3.2.3
in Funktion des Klemmenstromes.
dominant.
K2
[-] und k3
[A]
der Platten und des
in
Abhängigkeit
40
30
DurchtrittswiderstandRd
Leitungswiderstände
in
12V Batterieeinheit
Batteneklemmenstrom
Bild 3.2.2:
Rd
5-
dargestellt.
Durchtnttswiderstand
10
von
zum
von
aufgetragen.
Entladegrad
qe und Klemmenstrom I auf
Der Entladeschluss wird
vorwiegend
durch
Rj
R;
ist in Bild
bestimmt.
3.2
Wirkungsgradmodelle
der
37
Komponenten
Ohmscher Widerstand in Funktion
0.5
I
von
I
I
Entladegrad
I
und Strom
1
1=19A
0.45
-
0.4
l=38A
l=57A
§0.35
I
0.3
-
-
?0.25
|
0.2
jj j
-
O
0.15
0.1
l=3.8A
,
,
0.05
I=7.6A
-~~^^^~
-
0.1
0.2
,
0.4
0.3
0.5
Entladegrad
0.6
qe
Bild 3.2.3: Ohmscher Widerstand in Funktion des
stromstärke
0.8
0.7
0.9
1
[-]
Entladegrades
qe und der Klemmen¬
1(7.5*C5, 5*C5, 2.5*C5, C5, 0.5*C5).
Entladeschlussbedingung
Als Entladeschluss wird die
unter die
Beginn
Entladeschlussspannung UeEnde
Klemmenspannung
der
bezeichnet. Nach [30] ist der
des Tiefentladebereiches eine lineare Funktion des Stromes
10.32 V-(0.01579
UeEnde=
Unabhängig
Fälle
Unterschreitung
zu
vom
geforderten
Strom sind
vermeiden. Die nutzbare
Funktion der
geforderten Leistung
Energie
•/)
(3.2.12).
(3.2.12)
Entladegrade
qe
>
0.8 auf alle
ist in einem weiten Bereich eine
und ist in Bild 3.2.4
dargestellt.
Energetischer Entladewirkungsgrad
Der
nis der
energetische Entladewirkungsgrad wird durch
Ruhespannung
und der
das
Spannungsverhält¬
Klemmenspannung gebildet (3.2.13).
U
^BatteWh' JJ
(3.2.13)
38
Modellierung
3
Entladegradbegrenzung
1
1
durch das
Begrenzung
100
150
200
250
1
zur
1
1
Vermeidung von
300
Konstantleistung
Antriebsstranges
Entladeschluss-Spannungsknterium
1
1
des
350
einer
400
12V
—
1
I
Tiefpntladung
450
Einheit
500
550
800
[W]
Bild 3.2.4 Entladeende der Batterie bei konstanter
Entladeleistung.
Ladezustand
Der Ladezustand der Batterie wird anhand der Strombilanz berechnet.
Als Mass des Ladezustandes dient der
Ladegrad
qi oder der
Entladegrad
qe
(3.2.14).
ird-qe)
3.2.3.2
Der
pazität
VerfuegbareLadung(Ah)
Nennkapazitaet
(3.2.14)
Ladung
Ladevorgang
und
CA
wird mit den beiden
für die Batterieka¬
für die Summe der Polarisation und der
sowie den vier variablen Widerständen
derstand rd,
Kapazitäten CR
Umwandlungswiderstand
(Innenwiderstand
ru und
Arbeitskapazität
rv Durchtrittswi¬
Gasungswiderstand rg) gemäss
dem Schema in Bild 3.2.5 modelliert.
Bei der
Rückspeisung
aus
zurückzuspeisende Leistung.
dem
Fahrzeug
Bei der
bestimmt der Fahrerwunsch die
Netzladung
wird das IUI-Ladeverfah-
Wirkungsgradmodelle
3.2
ren1 angewendet.
umax
=
der
Ladevorgang
Der
39
Komponenten
wird bei einer
Ladespannung
von
16-26 v beendet.
ZS
Bild 3.2.5: Ersatzschaltbild für die
Die
Modellierung
Batteriekapazität
zur
Batteriekapazität CR
der
erfolgt gemäss (3.2.7).
Die
Arbeitskapazität CA
1.0-10
3
CR=
Der ohmsche Widerstand r, wird
Bild 3.2.7. Für
und
Entladung
(3.2.15)
147.59F
mit einer
ladezustandsabhängigen
(3.2.16)
r.n= 7.895mQ
Spannungen unterhalb
14.34 V einen Strom. Ist die
=
vgl.
rie
Ladung
verhindert faktisch bei
Gasungswiderstand rg
Gasungsspannung Ug
Ug, verlangsamt,
nur
mit
riq
Der
oberhalb
für
wird nach [28] im Verhältnis
und Bild 3.2.6 angepasst.
riq gemäss (3.2.16)
rr riO
der
der Bleibatterie.
(3.2.15) definiert.
in
CA=
Korrektur
Ladung
der
Gasungswiderstand rg
Spannungen
U
>
die
Ladespannung
Ladung
der Batte¬
16.26 V fliesst die gesamte Ladelei¬
stung über rg. Die Batterieerwärmung durch die Gasung wird nicht model¬
liert.
Der
Umwandlungswiderstand
passt. Die Faktoren
stellt
(ruq in Bild
r
=
u
ru wird mit zwei Korrekturfaktoren ange¬
(3.2.17) sind in den folgenden zwei Bildern darge¬
von
3.2.8 und rui in Bild
r
*
«0
r
•
r
ui
uq
1 Das IUI-Ladeverfahren speist die Battene
Geht bei einer definierten
bestimmten Zeit
mit
in
einer ersten
rM= 22.11mö
Phase mit
einem
Konstantspannungshaltung über
reduzierten Konstantstromphase ab
Spannung
mit einer zweiten
3.2.9).
in
(3.2.17)
konstanten Strom
und schhesst nach
einer
40
3
Ladezustandsabhangiger
0
01
03
02
04
Modellierung des Antriebsstranges
Korrekturfaktor für
05
06
07
n
08
09
Ladegrad ql [-]
Bild 3.2.6:
Ladezustandsabhangiger Korrekturfaktor rlq (qt).
Verlauf des
142
Gasungswiderstandes
143
144
als Funktion der
145
Spannung
146
Gasungsspannung Ug [V]
Bild 3.2.7:
Verlauf des Gasungswiderstandes rg(Ug).
1
3.2
Wirkungsgradmodelle
der
Korrekturfaktor in Funktion
0.1
l
0.2
41
Komponenten
0.3
0.4
von
ql des Umwandlungswiderstandes
0.5
0.7
0.6
0.8
0.!
Ladegrad ql [-]
Bild 3.2.8:
Ladezustandsabhängiger Korrekturfaktor
Korrekturfaktor in Funktion des Stromes des
10
20
30
Bild 3.2.9:
uq-
Umwandlungswiderstandes
40
Ladestrom nach der
r.
50
60
Gasung [A]
Ladestromabhängiger Korrekturfaktor rui.
Der Diffusionswiderstand rd wird mit zwei Korrekturfaktoren angepasst
(3.2.18).
3.2.11
Der Verlauf der Faktoren ist für
zu
finden.
rdq
in Bild 3.2.10 und für rd; in Bild
3
ra~ rdO
'
'
Korrekturfaktor
Bild 3.2.10:
mit
rdq rdi
in
Funktion
von
Modellierung
des
Antriebsstranges
rdQ= 6.316/nil
ql des Diffusionswiderstandes
Ladezustandabhängiger Korrekturfaktor r^q.
Korrekturfaktor
in
Funktion des Stromes I des Diffusionswiderstandes
30
40
Ladestrom [A]
Bild 3.2.11:
Ladestromabhängiger Korrekturfaktor
r^,.
(3.2.18)
Wirkungsgradmodelle
3 2
3.2.4 Traktionsbatterie
Nickel-Metallhydridbatterie (NiMH)
Eine NiMH-Battene stellt
Energiebedurfmsse
eines
43
Komponenten
der
für die
Losung
neuere
eine
Hybndfahrzeuges
Leistungs- und
(die Leistungsdaten sind
dar
Tabelle 3 2 2 ersichtlich) Deshalb soll diese Battene hier ebenfalls
stellt werden, obwohl
einen
Einsatz
aus
Kosten- und
ETH-Hybnd III Projekt
im
Verfugbarkeitsgrunden
OVONICS
Zellen [88]
360
13
Kapazität [Ah]
11
25/50
175
175
Energiedichte [Wh/kg]
46
80
Energiedichte [Wh/1]
100
215
a)Bei
einer
Strombelastung
Tabelle 3 2 2
sie
für
-
Werkangaben [62]
Batteriespannung [V]
[W/kg]a)
darge¬
auf
verzichtet worden ist
DAUG-auf Basis X
Leistungsdichte
aus
5*C5
von
Leistungsdaten
von
Ni-MH Batterien verschiedener Grosse und
Hersteller Stand 1995
Die
potentielle
Für den
Battene hat
Kapazitatsbereich
eine
mit
Kapazität
Ladegrad
von
qj
beschnebene Modell verwendet Dieses wird
dungsbereich
verfeinert
Zustandsgrossen des
-
-
Zur
der
Ladegrad qj
spezifische Strombelastung
einstundigen
-
0 9 wird das
in
[91]
Selbstentladung
und
durch
Modells der NiMH- Battene sind
die
ausgehend
0 1
dieser Arbeit für den Volla-
berücksichtigt
der
Bestimmung
stung C
in
Temperatureinflusse
Standverluste werden nicht
Die
=
45 Ah bei 120 V
der
Battenespannung
von
der
C
wird
eine
Battenenennspannung
Entladerate Cr verwendet
C=
Nenn
von
UNenn
=
Strombela¬
120 V und
(3 2 19)
Elektrisch]
U
geschätzte
c,
(3 2 19)
44
3
3.2.4.1
von
Für qj
qi
Batteriespannung
Für q>
0.9 differenziert
=
(al+
=
a,
42.62 V, a2
=
U0eo
11.75 V und
erfolgt
+
(b{+ b2-
=
+
U0eu
anhand
C) q[+ c2-
27.46 V, b,
=
=
blu
des
3.2.4.2
Ladegrades
b2
C
+
UQeo (3.2.20)
(3.2.21)
28.78 V, c2
=
19.19 V,
=
115.85 V für (3.2.21). Die
Herstellerangaben
von
57.54 V,
b2u
=
-56.24 V
4.06 V, c2u
=
Bestimmung
=
-
der Parameter
Literaturangaben [62] [44] [6]
und
[67] [45]. Somit kann die Belastung C, die
Anpassung
oberhalb und unter¬
b2u.t).ql+c2u.t+U0eu
46.83 V für (3.2.20) und
=
Ladegrade
gilt:
0.9
<
wird für
approximiert.
qf2
a2- C)-
V-(blu
und
Antriebsstranges
gilt:
0.9
>
U
Mit
des
Entladung
Die effektive
halb
Modellierung
entnommene
Energie
und die
bestimmt werden.
Ladung
Ladespannung
Beim Laden wird die
durch zwei linearisierte Bereiche
angenähert.
Für qj
>
0.75
gilt:
U=(bu + b2lC)-ql
und für qi
<
0.75
+
(3.2.22)
c2rC+UQl0
gilt:
(3.2.23)
U=b[2-ql + cl2-C+UQlu
Mit
b,,
=
17.0 V,
(3.2.22) und b12
Mit der
so
=
b21
=
19.0 V, c21
6.67 V, cI2
bestimmten
=
-10.25 und
=
4.0 V und
U01u
Batteriespannung
sende Strom und somit die der Batterie
berechnet werden.
=
U01o
=
141.2 V für
kann
nun
133.45 V für
(3.2.23).
wiederum der flies¬
zugeführte/entnommene Energie
3 2
Wirkungsgradmodelle
der
45
Komponenten
Der Ladezustand der Battene wird durch die
Integration
des Klemmen¬
stromes bestimmt Beim Laden der Battene treten gegen Ende des Ladevor¬
(qj
ganges
>
kungsgrades
0
75) Gasungsverluste auf, die mittels
der
Ladung
^Ladestrom= (a
Mit
(3 2 24) wird die Ladebilanz
_
Entladevorgang
verzichtet, da
nisse
modellierten Wir¬
~
„*
>
<3
2
24>
(3 2 25)
^Ladestrom
l
wird auf
(* (fc-075))
e
zu
dq{
~Jt
Beim
eines
erfasst werden (3 2 24)
reduzierenden
einen
Stromwirkungsgrad
vorwiegend dynamische Betnebsergeb-
mit diesem Modell
betrachtet werden
3.2.5 Getriebe
Das Getnebe besteht
Differential und den
in
Kettenwandler, den Zahnradstufen, dem
zur
Hydraulikhilfsaggregaten
wird, kann sich der Leistungsfluss
Betnebsart umkehren Für die
Ubersetzungsstufe
wird
dem
Getnebe integnerten
5 14 beschneben
Kap
jeder
im
aus
Wirkungsgradberechnung
Gangstufen
für drei
Wirkungsgradbestimmung
im
zu
untersuchen Die
stets auf die
Wie
Getnebe
ist somit
in
jede
Verlustleistung
Eingangsleistung bezogen
(3 2 26)
Paus
Mit der Definition des
grad
für die
=
M„,„
ein
Pein
~
i
kann der
Wirkungs¬
-^
(3 2 27)
formuliert werden
M„„-Mv.rt
em
@ 2 26^
PVerlust
Übersetzungsverhältnisses
Ubersetzungsstufen
—aus_
i
=
Verlust
=
——
,
sowie i
=
m
aus
46
3
Übersetzungsverhältnis
Das
Modellierung
der einzelnen
des
kann mit der vanablen
Gange
des Kettenwandlers iKW gemäss Tabelle 3 2 3
Übersetzung
Antriebsstranges
angegeben
wer¬
den
Kriechgang
K
'°
Langsamgang
L
68
57
24
24
38
69
'c
Schnellgang
69
~
-
24
S
'KW
58
'c
=
39
J"
Tabelle 3 2 3
Übersetzungsverhältnis
der drei
54
57
42
38
i S
1
r~
Ikw
Gange des
i
CVT
3.2.5.1 Der Kettenwandler
Übersetzung
Die
der beiden
ist
Pulleys
für beide
Gange
des Kraftflusses die
Tabelle
3 2
3)
des Kettenwandlers wird durch das Drehzahlverhaltms
definiert
Auswirkung
Die
relative
13) Das Übersetzungsverhältnis iKW
definiert,
auf die
wird durch diese Umkehr
so
Getnebeubersetzung invertiert (vgl
Verstellgeschwmdigkeit VGKW
ist durch den Olstrom zwischen den
bestimmt und ist somit
zu
5 1
L und S identisch
setzungsverhältnisses
[76]
(Bild
hydraulisch
des
Über¬
Halbkegelschalen
limitiert (3 2 28) Die
Herleitung
ist in
finden
VG
diKW/dt
—
KW
lKW
_,
mit
\VGKWmax\
Das Verlustmoment des Kettenwandlers
Kette und der
Hilfsenergie,
Lagerung
der
Pulleys,
MVkw
nicht aber
die separat modelliert wird Die
setzungsabhangigkeit
des Verlustmomentes ist
=
Is
umfasst die Verluste der
dasjenige
der
Drehzahl-,
aus
(3 2 28)
hydraulischen
Last- und Uber-
Bild 5 1 14 ersichtlich
3.2
47
Wirkungsgradmodelle der Komponenten
Modelliert wird das Verlustmoment mit einem
doppelt quadratischen Ansatz
(3.2.29).
MVKW
M\wein
a
=
+
b
'
MKWein
.2
mit
a=aj
•
iKW
+
iRW
a2
+
a3
b,c analoger Ansatz in
und
ax
a2, a3,
Die
+
«12
Zahnradstufen
einzelnen
Verlustmomente der
Zug-
Vorgehen
und
des
Ketten¬
Gangstufen
[91] beschrieben.
ist in
die
umfasst die beiden
und die
Kettenwandlerverstellung
der
Reibkupplungen
Modellierung
Hydraulikpumpen
Die Werte basieren
auf
Füllungsgrad
eigenen
bestimmt.
jeweils
modelliert und
zur
zur
des
Gang¬
Hybrideinheit.
Das
beschrieben.
bei der
Anpassung
Verlustmomentenanteil modelliert.
Versuchen
[16].
Der
Gegendruck
komprimierte Stickstoffvolumen
Mitberücksichtigt
komprimierten
benötigten Ölvolumina
gung werden
Hauptverbrau¬
Schmierölversorgung
in der
den
werden wie der VM und die EM mit einem kon¬
wird durch das
zwischen Öl und
[72]
lastproportionalen
stanten und einem
Hydrospeicher
sind in
Die
Klauenkupplungen
Betätigung
wahl im Getriebe und der
Schema und die
Zahnradpumpen,
hydraulischen Aktuatoren.
Getriebes. Dazu kommen die
Die
«13
oder den Schubbetrieb in allen
hydraulische Hilfssystem
cher sind die
vom
+
Hydraulisches Hilfssystem
Hochdruckspeicher und
Die
a>KWem
bi, b2,... analoger Ansatz in co^wem-
ermittelt. Das detaillierte
Das
iKW
®KWein
an
=
wandlers werden für den
3.2.5.2
^22^
+ c
wird der
im
und somit
Wärmeübergang
Stickstoff.
für die Klauen- und
Betätigung
des
Reibkupplungsbetäti¬
als diskret auftretende
Speicherdruckes
verwendet.
Ereignisse
48
Modellierung
3
Der
Ölstrom
gegen eine Drossel
Der
Schmierölversorgung
zur
Gegendruck
gefördert.
von
der
Antriebsstranges
grösseren Pumpe
Der Maximaldruck wird auf 5 bar
kann über die Bernoullische
Pumpe
zur
wird
des
eingestellt.
Druckgleichung
formuliert werden (3.2.30).
"
PSchmier
~
,-J-
Schmiermax
,~
VSchmier
~
~
Qm
(3./.30)
'Schmiermax
Das
Öl für den Betrieb des Kettenwandlers wird durch die kleinere
Pumpe gefördert.
ren
zur
des Kettenwandlers,
abgestützt
auf
Bei Bedarf unterstützt die
Gegendruck
gung. Der
wird. Die
Messungen
über dem
zu
Im
das
zu
Ölversor¬
die
übertragende mechanische
Druckmodellierung
Moment
in den Momentensensoren basiert
Kettenwandler und wird mit zwei Geradenabschnitten
am
übertragenden Eingangsmoment approximiert.
Übersetzung berücksichtigt (vgl. [91]
Einfluss der aktuellen
3.2.6
Förderpumpe
wo
grössere Pumpe
bildet sich in den Momentensenso¬
Dabei wird der
oder
[76]).
Reibkupplungen
geschlossenen
Zustand werden die
Reibkupplungen
elemente modelliert. Das Reibmoment der
Haft-/Gleitreibungsverhalten
idealisiert,
dius und
Fa
so
dass das
als axialer
Kupplungen
Anpressdruck
Anpresskraft
analog
zum
eines auf einer
Unterlage bewegten Körpers
Gleitreibungsmoment
mit rm als mittlerem Reibra¬
Anpresskraft dargestellt
werden kann
MKGleit=^<öK)rm-Fa
Der
als steife Feder¬
wird
stellt die freiwählbare
uK wie nach
Steuergrösse
(3.2.31).
(3.2.31)
dar. Die relative
(3.2.32) definiert.
uK
=
F
—2-
(3.2.32)
amax
Das
übertragbare
Gleitmoment
tMKGlea
=
ergibt
UK
sich
aus
(3.2.33).
MKGleitmax(A^
(3233)
Wirkungsgradmodelle
3 2
der
49
Komponenten
mit dem maximalen Gleitmoment
von
lACO*.
M
Dabei werden die konstanten
MG
sign(A(üK)
MG-{MG-MH)e
KGleitmax
als Funktion der relativen
beschrieben, wobei cou
Rutschgrenzen MH
(3.2.34)
und die Gleitmomente
Drehgeschwindigkeit
über der
Kupplung
Skalierung der Reibungszahländerung dient
zur
(Bild 3.2.12).
Die
Diese
Haftreibung wird
Modellierung
Dabei wird die
ist
als massenloses, steifes Federelement modelliert.
für die Stabilität der Simulation
nur
Steifigkeit kr
und die
MKH„j,
=
k,
M
Bild 3.2.12: Maximale
Der
Übergang
gemäss
vom
Haften
Bild 3.2.12, sobald die
Dämpfung ß angenommen.
\mKdt
+
(3.2.35)
ß Aco„
4 MKGIeltmax
Reibkupplungsmomentencharakteristik.
zum
Gleiten
erfolgt entlang der Haftgrenze
Haftbedingung (3.2.36)
verletzt wird.
\MKH\<uK-MH
Der
von
Übergang
AcoK
und der
vom
Gleiten
Einhaltung
notwendig.
zum
der
Haften
erfolgt
(3.2.36)
bei einem
Haftbedingung (3.2.36).
Nulldurchgang
50
3
Schwungrad
3.2.7
Schwungrades
setzen sich aus den
lusten zwischen Gehäuse und rotierendem
Schwungrad
reibverlusten zwischen dem
(d
Antriebsstranges
Luftreibungsver¬
sowie
den
und der Zwischenwelle
Lagerzusam¬
abgekoppeltem Schwungrad
geöffneter Reibkupplung K3)
Der Verlauf wurde anhand der
Polynom
die
Schwungrad
Dieser zweite Verlustanteil wirkt erst bei
h bei
des
und Zwischenwelle
Die Reibverluste des
men
Modellierung
2
Grades für die
Lageneibung
Messergebnisse
Luftreibung
(vgl
modelliert
und
aus
einem
auch mit
[19] mittels
einem
separaten Polynom für
[91]) Die Lageneibung der
Zwischenwelle wird auf dieselbe Art modelliert, wobei die zusatzlichen
Massen des Rotors der EM und der Zwischenwelle
3.2.8
Vereinfachungen
Der
Antriebsstrang
wird
Warmlaufphase
lässigt
Mehrverbrauch
Der
GemischbildungsDagegen
rend den
Der
und
im
durch
3 2 3 und
erhöhte
Kap
Reibung
ist
Startanreicherung
und
nicht
und
verminderte
berücksichtigt
Auskuhlung
wah¬
Taktbetneb modelliert
wird als steife Einheit
Vereinfachungen
Die
VM, EM und Getriebe werden vernach¬
Verbrennungsvorgange
Stillstandsphasen
Antnebsstrang
Kap
von
sind die Einflüsse durch
Reifendynamik vernachlässigt
Die
betriebswarmem Zustand modelliert
in
Kaltstart- und
den
berücksichtigt werden
modelliert, wobei ebenfalls die
wird
bei der
Modellierung
3 2 4 beschrieben
der Batterien sind direkt
m
Verbrauchssimulation
4
Die Simulationen dienen
Betrieb des
des
Bestimmung
zur
Ermittlung
Energieverbrauchs
des
in den verschiedenen Betriebsweisen.
Antriebsstranges
Grundlage
zur
Fahrzeuges.
gesamtenergetischen
Es interessieren
vor
allem
des
Sie dienen als
Aufwandes beim
diejenigen Betriebszu-
stände, die durch zwei unterschiedliche Antriebskonfigurationen erreicht
werden können, z.B. im Elektro- und im Benzinbetrieb. Durch die Nennlei¬
stung des Elektromotors
den
von
6 kW ist das
Geschwindigkeitsbereich
von
0
-
ca.
Betriebsgebiet demzufolge auf
65
km/h
bei
ebener
beschränkt. Zusätzlich werden jene Bereiche betrachtet, die für die
Fahrstrategie
für das
von
Interesse sind. Die
Zielfahrzeug
folgenden Berechnungen
der Golfklasse mit einem
Testgewicht
Fahrt
hybride
wurden alle
von
1500
kg
durchgeführt.
4.1 Benzinbetrieb
Im
trieb
angesprochenen Leistungsbereich
gefahren (vgl. Kap. 2.3.4.1).
Antriebsstrang
<
Zu
6 kW wird mit Benzin im Taktbe¬
Vergleichszwecken
wird derselbe
im Drosselbetrieb simuliert. Dies bedeutet einen Motorbe¬
trieb bei konstant 1800 min
,
wobei die
Geschwindigkeitsanforderungen
durch das CVT erfüllt werden. Beide Simulationen
gehen
sung des Bordnetzes durch die Fahrbatterie aus,
dass die EM nicht im
generatorischen
4.1.1
so
Betrieb arbeitet und unbelastet mitdreht
von
einer
Spei¬
(vgl. Kap. 2.3.3.1).
Konstantleistung im Taktbetrieb
Ultimativ wird der Taktbetrieb
des VM
-
-
eine
mit dem elektrischen Betrieb
im Taktbetrieb ist in Bild 4.1.1
Teillastverbesserungsmassnahme
verglichen.
dargestellt.
Der ermittelte Verbrauch
Der Einfluss der Teillastverbesse-
4 Verbrauchssimulation
52
rungsmassnahme
Durch
kann
den Taktbetrieb
brauchserhöhung gegenüber
ist eine Stärke der
stieg
bei kleinen
Geschwindigkeiten
kleinen
wird
allem durch den reduzierten
vor
und die stärker ins Gewicht fallende
d.h. der Raddrehzahl
der Ebene als die übliche
Voraussetzung
zur
Schwungradrei-
Leistung
aufgetragen.
Antriebswirkungsgrades
des
Ver¬
des VM. Der Verbrauchsan¬
verursacht. In Bild 4.1.1 ist der Verbrauch über der
Lastabhängigkeit
eine
dem Minimum deutlich reduziert werden. Dies
Geschwindigkeiten
Fahrzeuggeschwindigkeit,
die
bei
Betriebspunktverschiebung
Getriebewirkungsgrad
bung
absoluten Verbrauchsniveaus erkennbar.
ist anhand des
und der
Dadurch wird
erkennbar. Die Fahrt
Verbrauchsermittlung
ist
in
als
Trajektorie gekennzeichnet.
Verbrauch des ETH
Hybrid
III
im
Taktbetrieb
Leistung
Bild 4 11
Benzinverbrauch
im
am
Rad
[l/100km]
bei variabler
Steigung
[kW]
Taktbetrieb bei variabler
Steigung und Speisung des
12V-Bordnetzes ab Fahrbatterie.
4.1.2
Konstantleistung
im Drosselbetrieb
Im Drosselbetrieb wird der VM mittels dem stufenlosen Getriebe stets bei
einer Motordrehzahl
Vollastbetrieb
von
1800
entspricht.
min"' gehalten,
Der
minimale
was
der Minimaldrehzahl für
Verbrauch
wird
bei
höheren
4.1
53
Benzinbetrieb
Geschwindigkeiten
liegt
einem
4.1.2).
als beim Taktbetrieb erreicht
grösseren
Gradienten
bei
kleinen
(60
70 km/h) und unter¬
Geschwindigkeiten (Bild
Der Verbrauch im Drosselbetrieb ist unterhalb
höher als beim Taktbetrieb. Zu höheren
-
Leistungen
von
50 km/h über 25%
nimmt der Verbrauchs¬
vorteil wie erwartet ab.
Benzinverbrauch
im
Drosselbetrieb
n=1800rpm [l/100km]
Leistung
am
Rad
bei variabler
[kW]
Bild 4.1.2: Benzinverbrauch im Drosselbetrieb und bei variabler
bei 1800 min
4.1.3
betrieben. Die
Steigung
Bordnetzspeisung erfolgt
Steigung.
Der VM wird
ab Fahrbatterie.
Europäischer Stadtzyklus ECE-R15/04
Die in
[91] durchgeführte Optimierung der
Ein- und Ausschaltdrehzahl
des
Schwungrades
von
5% für eine konstante Ein- und Ausschaltdrehzahl bei 1800
3600
im Taktbetrieb
min"1 gegenüber
konstante
den
einen
Verbrauchsanstieg
leistungsabhängigen
Schaltdrehzahlen
Steuerung ermöglichen,
ergab
eine
wesentlich
wurde diese Variante
Der simulierte Verbrauch
unter
unterhalb
min1
und
variablen Drehzahlen. Da
einfachere
und
schnellere
bevorzugt (vgl. Kap. 2.3.4.1).
Berücksichtigung
12 V-Bordnetzes ab Fahrbatterie ist in Tabelle 4.1.1
der
Versorgung
angegeben.
des
Der Verlauf
54
der
4 Verbrauchssimulation
Fahrgeschwindigkeit,
Fall des Taktbetriebes
der
aus
Schwungrad-
Bild 4.1.3
und Motordrehzahl ist für den
entnehmen.
zu
Testzyklus
ECE R15/04 mit konstanten Ein- und Aus¬
schaltdrehzahlen des
ECE R15/04 mit
Verbrauch
Einheit
1/100km
4.53
l/100km
9.94
1/100km
6.10
Schwungrades
gedrosseltem
trieb des VM bei 1800
min"'
Permanentbe¬
ohne
Rekupera¬
tion
ECE R15/04 mit
VM bei 1800
der
gedrosseltem
min"1
Schwungnutz-
Betrieb des
und unter
und
Ausnutzung
Rekuperation
Tabelle 4.1.1: ECE-R15/04 Zyklusverbrauch mit
12V-Speisung
Erster Teil des ECE-R15/04 Zyklus
im
ab Fahrbatterie
(Sim.).
VM-Betneb
Schwungrad
Fahrgeschwind.
Zwischenwelle
VM
80
100
Zeit
Bild 4.1.3: Ausschnitt
aus
dem ECE-R15/04
120
160
180
200
[s]
Zyklus
im Benzinbetrieb.
Darstellung von
gefahren
Drehzahlen und Geschwindigkeit wobei bei kleinen Leistungen im Taktbetrieb
wird.
Vergleicht
man
im selben
fendem VM und ohne
sichtigung
einer
Fahrzeug
den Drosselbetrieb mit
Rekuperation gegenüber
Rekuperation
von
50%
ständig
lau¬
dem Betrieb mit Berück¬
Wirkungsgrad
und
Schwungnut-
55
4.2 Elektrobetrieb
(d.h. der VM wird bei Verzögerung und bei Stillstand abgeschaltet),
zung
gedrosselter Fahrweise, resultiert
aber immer noch bei
sparung
um
von
39%. Mit dem Einsatz des Taktbetriebes kann der Verbrauch
weitere 16% reduziert werden. Dabei ist in
alle drei Fälle das
selbetrieb ohne
des
eine Verbrauchsein¬
Erinnerung
zu
rufen, dass für
gleiche Fahrzeuggewicht
verwendet wurde. Für den Dros¬
Rekuperation
könnte durch den den Verzicht
Nutzung
der
Schwungrades eine Gewichtsreduktion erzielt werden.
4.2 Elektrobetrieb
4.2.1 Konstantfahrt
die Batterie
aufgeteilt werden.
ter, der den
Wirkungsgrad
flusst.
Vernachlässigt
der
Wirkungsgrad
Der
des
Schwungrad
erzielt. Der
im
d.h.
am
man
hier
i2-CVT
Rande des
an
der
abgeschwächter
Berücksichtigt
vom
Batterieverhalten.
bei
abgekoppeltem
aufgetragen.
Der
werden durch die erhöhten
Synchronpunktes
Übersetzungsbereiches
bestimmt.
des
Kettenwandlers,
Gleichzeitig
Modellbeschreibung (Wechsel
was
stösst
zwischen zwei
ebenfalls in Bild 4.2.3
in Bild 4.2.5 erkennbar ist.
man
das
Schwungrad
so
Schwungrades,
wobei
vor
allem die
als
Beschleunigungsreserve (vgl.
um
die Verluste des
Luftreibungsleistung
ins Gewicht fällt.
reduziert sich der
Kap. 2.3.4.2),
Die erforderliche
der Batterie beein-
Leistungselektronik,wird
wird
Wirkungsgradkennfeldern für die beiden Gänge),
und
aus
ist in Bild 4.2.1
Wirkungsgrades
in der Nähe des
die Grenzen der
und
ladezustandsbedingten Span¬
Elektrobetrieb
Wirkungsgrad
Verlauf der Linien konstanten
Verluste im
Wirkungsgrad
Antriebsstranges unabhängig
Wirkungsgrad
beste
Leistungsentnahme
den Einfluss der
man
Antriebsstrang
Der Ladezustand der Batterie ist ein Parame¬
der
auf den
nungsschwankungen
in den
Wirkungsgradkette
Im Elektrobetrieb kann die
Wirkungsgrad
Schwungraddrehzahl
ist
ebener Fahrt ist der Einfluss in Bild 4.2.3
aus
Bild 4.2.4 ersichtlich. Bei
aufgezeigt.
Der
Umschaltpunkt
56
4 Verbrauchssimulation
der beiden
drehzahl
Getriebegänge
zu
einer höheren
verschiebt sich
Geschwindigkeit.
somit für beide Fälle die
Schwungrad¬
der höheren
Oberhalb 50 km/h treten diesel¬
Schwungrad
da das
Wirkungsgrades auf,
ben Werte des
infolge
gleichen Drehzahlverhältnisse
entladen ist und
herrschen
(vgl. Kap.
4.2.2).
Wirkungsgrad Hybndlll
E-Betneb (ohne Batterie) [-]
im
Leistung
am Rad
[kW]
Wirkungsgrad des Antriebes im elektrischen Betrieb ab Batterie mit abgekop¬
peltem Schwungrad und im Fahrbetrieb. Die Batterie und Bordnetzspeisung werden hier
Bild 4.2.1:
nicht
4.2.2
mitberücksichtigt.
.
Beschleunigungsreserve
Die elektrische
Leistung
10 Sekunden
von
Schwungrades
ist
leistung
von
6 kW reicht nicht aus,
10-50 km/h
so zu
für die erforderliche Zeit
eine
Beschleunigung
Beschleunigungszeit
durch die
zu
beschleunigen.
wählen, dass die Energie
gang auszuklammern, wird die
wird
Die EM dreht bei konstant 1800 min
für eine
zur
Verfügung
Zeitmessung
bei
konstanter
das
und erforderliche
Radleistung
Fahrzeug
in
Die Drehzahl des
Abdeckung
der Zusatz¬
steht. Um den Anfahrvor¬
bei 10 km/h gestartet. Weiter
Leistung
angenommen.
beliebige Startgeschwindigkeit
Beschleunigungsleistung gegeben.
nigungszeit
zur
um
Der
<
Zusammenhang
ist in Bild 4.2.2
Die
50 km/h ist
Beschleu¬
aufgetragen.
57
4.2 Elektrobetrieb
Abgeleitet
eine
davon resultiert für eine
Beschleunigungsleistung
neben der maximalen
werden
Beschleunigungszeit
von
Leistung
von
10 Sekunden
10.5 kW, die durch das
Schwungrad
der EM
von
6 kW
zur
Verfügung gestellt
muss.
Zeit für
Beschleunigung
Antnebsleistung
am
Bild 4.2.2:
von
10km/h
50 km/h
Getriebeausgang [kW]
Beschleunigungszeiten von
erforderlichen
Antriebsleistung für eine Beschleunigung bei konstanter Leistung.
10-50 km/h in Funktion der
Ausgehend
riCVT
grad
=
konstanter
(4.2.1)
einem
mittleren
sich eine erforderliche
ergibt
0.8
nach
von
für eine
Energie
Beschleunigungszeit
von
von
von
131 kJ im Schwun¬
10 Sekunden und bei
Beschleunigungsleistung.
ZKin~
Mit einer minimalen
dargestellt,
nicht unerhebliche
Luftreibung
werden
ist in Bild 4.2.5
in Bild 4.2.3
zu
sehen.
\dt
(4.2.1)
n CVTJ
von
1800 min"
und einem
bis 50 km/h resultiert ein Solldrehzahl¬
in Funktion der
Wie in Bild 5.1.11
gedeckt
Ra
Schwungraddrehzahl
Schwungrades
durch die EM
1
J
zügigen Beschleunigungsvermögen
verlauf des
Leistung
Übertragungswirkungsgrad
Geschwindigkeit (Bild 4.2.4).
tritt bei den erforderlichen Drehzahlen eine
am
Schwungrad auf,
muss.
dargestellt.
Der
Vergleich
die bei Konstantfahrt
der
Der Einfluss auf den
aufzubringenden
Wirkungsgrad
ist
4 Verbrauchssimulation
58
Wirkungsgradvergleich
mit
03-
im
E-Betneb mit/ohne
Schwungrad
Schwungrad n_max_Schwungrad
4700 rpm
/
02l
10
1
1
15
20
1
1
1
1
1
25
30
35
40
45
50
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Bild 4 2 3
Wirkungsgradvergleich
Generatorbetrieb. Die Drehzahl des
keit Der
Die
Wirkungsgradsprung
Einhaltung
durch eine
gie
zur
zu
Elektrobetrieb
Schwungrades
dieser Solldrehzahl
einem
des
muss nur
Schwungrades
Leistungsregler
Definition der mittleren
Durch die Wahl der
mit
Funktion der
Geschwindig¬
spiegelt eine Modellungenauig-
bei deren
Unterschreitung
durch die EM
konigiert
wer¬
für die EM. Dieser stellt die Strate¬
Leistung
Regelparameter
und ohne Schwungrad ohne
ist eine
bei 18 km/h resp 35 km/h
keit wider
Beschleunigung
den. Dies führt
im
des EM
kann die
(vgl. Kap. 2.3.3.3)
Anpassung
der
dar.
Leistung der
EM, gekoppelt mit der tolerierbaren Abweichung des Schwungrades,
von
der Solldrehzahl beeinflusst werden.
Eine simulierte
gestellt.
von
10 auf 50 km/h ist in Bild 4.2.6 dar¬
Die Schaltpunkte des Getriebes (K
durch die
bruchs.
Beschleunigung
kurzzeitige
Zurücknahme der
->
L und L
->
S) sind erkennbar
Leistung infolge Zugkraftunter¬
59
4.2 Elektrobetrieb
Solldrehzahl
Schwungrad
Beschleunigungenergiereserve
als
5000
25
35
30
40
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Bild 4.2.4: Solldrehzahlverlauf des Schwungrades zur Gewährleistung einer minimalen
Beschleunigung im Elektrobetrieb bei einer Fahrzeugmasse von 1500 kg und einem nutz¬
baren
Trägheitsmoment
von
6
Vergleich Leistungsbedarf
=
im
1.372
kgm
.
E-Betneb
¥3000
mit
Schwungrad, nmax_Schwungraa
ohne
15
20
25
4700 rpm
Schwungrad, n_EM=1800 rpm
30
35
40
45
50
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Schwungradreibung zur Erhaltung der Beschleunigungsre¬
auf den Leistungsbedarf der EM bei Konstantfahrt.
Bild 4.2.5: Auswirkung der
serve
60
4 Verbrauchssimulation
im E-Betneb mit
Beschleunigung
10
0
30
20
Schwungrad
50
40
70
60
Zeil [s]
Bild 4.2.6:
Beschleunigung
(ca. 10.5 kW). Bis
Zwischen Sek. 50
4.2.3 Verbrauch im
im Elektrobetrieb unter der Ausnutzung des
zur
-
Zeit
von
40 Sek. wird das
60 findet die
Beschleunigung auf 50 km/h
europäischen Stadtzyklus
Im elektrischen Betrieb
erfolgt
Schwungrades
Schwungrad geladen.
Speisung
die
statt.
ECE R15/04
des Bordnetzes ab Fahrbatte¬
rie, da die elektrische Maschine zumindest in den Phasen der positiven Lei¬
stungsabgabe
nicht
ist in Tabelle 4.2.1
generatorisch
arbeiten kann. Der Verbrauch ab Batterie
dargestellt.
Testzyklus
ECE R15/04 mit
Einheit
Beschleunigungsreserve
im
Schwungrad
Verbrauch
kWh/lOOkm
11.65a)
a)Der Verbrauch beläuft sich auf 12.77 kWh/lOOkm falls die anfängliche Beschleunigung des
Schwungrades
vom
Stillstand auf 4700 min
dem
Zyklus
belastet wird.
Tabelle 4.2.1: Stromverbrauch ab Batterie ohne
In Bild 4.2.7 ist der erste Teil eines
Sekunden werden
zahl
zu
benötigt,
beschleunigen,
um
d.h. die
das
Speisung
des Bordnetzes.
ECE-Zyklus dargestellt.
Schwungrad
Die ersten 40
auf die erforderliche Dreh¬
Beschleunigungsreserve
aufzubauen. Es ist
erkennbar, dass während des ECE-Zyklus nicht in die Batterie, sondern in
61
4.2 Elektrobetrieb
das
Schwungrad rekuperiert wird. Zudem sind
der
Batterieleistung erkennbar.
Gangwechsel
die
In den Schaltzeiten wird die
am
Verlauf
Leistung infolge
Zugskraftunterbruchs zurückgenommen.
Erster Teil des ECE-R15/04
Zeit
spricht
dem
4.2.4 Einfluss des
Der
Zyklus
im
E-Betneb
150
100
Bild 4.2.7: Teil eines ECE -R15/04
Zyklus
[s]
im Elektrobetrieb. Die
Leistungsbedarffür den Antrieb
Batterieladegrades
Ladungszustand
des
Batterieleistung
Fahrzeuges.
ent¬
auf den Verbrauch
der Batterie ist unter anderen eine verbrauchsbeein¬
flussende Grösse. Da aber der Ladezustand auch
abhängig
ist und nicht alleine
wird die
Ermittlung
des
an
Energiebedarfs
des
von
der
Vorgeschichte
Fahrzeugs gekoppelt ist,
die Fahrweise des
Fahrzeugs
im Elektrobetrieb
aufgeteilt.
4.2.4.1 Bleibatterie
Die Bleibatterie
stung
von
-
modelliert
gemäss Kap. 3.2.3
6 kW mit Strömen bis
energetische Entladewirkungsgrad
berücksichtigen,
giekapazität
dass bei hoher
zu
-
einer C-Rate
ist in Bild 4.2.8
wird für eine Nettolei¬
von
C0 66
belastet. Der
dargestellt, dabei
Batteriebelastung nicht die gesamte
der Batterie genutzt werden kann
(vgl.
Bild
3.2.4).
ist
zu
Ener¬
62
4 Verbrauchssimulation
Beim
Ladungsvorgang
bei
treten
neben den Verlusten durch hohe
kurzzeitiger Rekuperation (<
Leistungen
gerte Ladungsannahme der Battene auf Die
sind
aus
Battene
gewinnt
die
Netzladungen
Ladewirkungsgrad
ladung
über
ein
einen
Die
Rekuperation
Schwungrad
ins
von >
mit
6 Stunden für
des über die Dauer
vom
der
eine
Volladung
werden
der
sehr guter
ist ein
im
Falle der Netz¬
von
T|Ladegerat
eines
=
0 85
Erfolgt
die
Energiebedarf im ECE-Zyklus
ein
in
vom
Netz
ener¬
Bild 4 2 10
Entladewirkungsgrad
Batterieladung
aus
verfugt
ECE-Zyklus integnerten
Ladezustand der Battene ist
erkennbar Für die Battene kann somit
angegeben
Energieaufnahme
neben dem Aufbau der
integnertem AC/DC Wandler vorgeschaltet, das
energetischen Wirkungsgrad
Abhängigkeit
von
0 85
1kW,
<
Tabelle 4 2 2 entnommen werden
Bleibattene
NiMH-Battene
Fahrzeugmasse
kg
1500
1445
Verbrauch ab Battene
[kWh/100km]
1165
1138
[-]
0 85-091
0 7
Ladewirkungsgrad (>6 Stunden)
[-]
0 94
0 77
Wirkungsgrad Ladegerat
H
0 85
0 85
Energiebedarf ab Netz
[kWh/lOOkm]
16 02
Tabelle 4 2 2
Battene
Verbrauch
Bleibattene und
im
Elektrobetrieb
einer
im
17 15
0 85
20 70
-
24 84
Zyklus mit einer
6-stundiger Ladung
ECE-R15/04-
NiMH-Battene bei
-
-
kann
Einheit
Entladewirkungsgrad
s)
Ladewirkungsgrade
der Batterie erzielbar Der Battene ist
Ladegerat
30
eine verzö¬
Bedeutung
an
getischen Wirkungsgrades
0 91
stationären
Bild 4 2 9 erkennbar Durch die verzögerte
Beschleunigungsreserve
Bei
auch Verluste durch
4.2 Elektrobetrieb
Entladewirkungsgrad
der Bietbatterie
6000
\o.88
5500-
3 5000
\o.8~
\o.86
V
-
vO.9
\
E4500
=-—
'3000
.^92
\
-
-
,094
B2500
-
na*
\
-
\
-
,0.96
1000
-
\\
^.97
Relativer Entladegrad
Bild 4.2.8:
Wirkungsgradkennfeld
ge/qe_max [-]
der Bleibatterie bei konstanter
Entladeleistung, auf
tragen über dem relativen Entladegrad.
Ladewirkungsgrad
der Bleibatterie
06
04
0 5
0 3
Relativer Entladegrad qe/qe__max [-]
Bild 4.2.9:
07
Ladewirkungsgrad der Bleibatterie mit dem Konstantstrom-Konstantspannung-Konstantstrom-IUI-Ladeverfahren.
64
4 Verbrauchssimulation
Entladewirkungsgrad der Bleibatterie für
einen
ECE-R15/04 Zyklus
0.98
0.96
3
0.94
Startentladegrad qe=0.1
io.88
o
CO
§0.86
Startentladegrad qe=0.4
0.84
200
100
0
300
400
600
500
700
900
800
Zeit [s]
Bild 4.2.10:
Integraler energetischer Entladewirkungsgrad der Bleibatterie
schiedlich stark entladener Batterie. Der
Zyklus dauert 820
bei unter¬
s.
4.2.4.2 NiMH Batterie
Literaturangaben
Nach
kungsgrade
von
0.7
-
0.85. Die
vorgänge erreichen Werte
Durch das
Kapazität
rung
von
resultieren bei der NiMH-Batterie Entladewir¬
geringere
um
Bleibatterie
Zyklus
Tabelle
eine
Verbrauchserhöhung
kg
bei
gleicher
Verbrauchseinspa¬
von
11.376 kWh/lOOkm ab Batte¬
von
2.4%
gegenüber
von
TJEntiade
=
®^
der
reduzierten
Gewicht. Zusammen
ms
Ladewirkungsgrad
resultiert
29%. Die NiMH-Batterie stellt somit
von
allem für den Benzinbetrieb
Fahrzeuges
90
der Bleibatterievariante erzielbar.
einer Reduktion
gegenüber der Bleibatterie
-
Lade¬
4.2.2). Bei der NiMH fällt aber ein integraler ener¬
getischer Entladewirkungsgrad
mit dem
Leistung
entspricht
von
im Taktbetrieb eine
(4.25 1/lOOkm) gegenüber
(vgl.
mehrstündige
0.77 [44] und [45].
Im elektrischen Betrieb ist eine
rie erforderlich. Dies
für
Gewicht der NiMH-Batterie
ist im ECE-R 15/04
6.2%
Ladewirkungsgrade
-
durch die
eine Alternative dar.
mögliche
vor
Massenreduktion des
4 3
65
Hybride Fahrstrategien
4.2.5
Verbrauchsvergleich
des Benzin- und Eiektrobetnebs
In der Tabelle 4.2.3 ist der Verbrauch der verschiedenen Betriebsarten
dargestellt.
Das
Fahrzeuggewicht
wird mit 1500
kg
angenommen.
sind die Simulationen mit NiMH-Batterien (1410
nommen
Referenzfahrzeug,
das über
Einheit
Betnebsart
Referenzfz
(Handschaltung)
Taktbetrieb mit Bleibatt
Taktbetneb
mit
NiMH-Batt
Drosselbetrieb
Elektro ohne
ein
Schwungrad
ab
Prüfgewicht
von
1170
das
kg verfügt.
Konstant
Konstant
Konstant
30 km/h
50 km/h
70 km/h
ECE
ECE
Zyklus
Zyklus
mit
ohne
Rekup
Rekup
1/100 km
_a)
1/100 km
3 35
3 47
40
4 53
1/100 km
3 33
3 39
3 91
4 25
1/100 km
61
4 75
47
6 10
kWh/
79
84
_ö
91
84
-
Ausge¬
kg) und
-
89
-
J>1
-
9 94
-
-
100km
Bleibatt
Elektro mit
Schwungrad
ab
kWh/
-
100km
Bleibatt
Elektro mit
Schwungrad
ab
kWh/
12 5-
100km
13
kWh/
16 5 19 8
Netz mit Bleibatt
Elektro mit
Schwungrad
ab
Netz mit NiMH-Batt
117d»
(12
116-12 4
-
8)e)
16 0-17 2
-
4"
15 3-18 3
-
20 7-24 8
-
100km
a)Vom Referenzfahrzeug sind keine Konstantfahrverbrauchswerte bekannt
b)Im Taktbetneb wird das Schwungrad stets benotigt, somit kann die Rekuperation genutzt werden
c)Elektrobetneb ohne Schwungrad kein ECE Zyklus fahrbar Maximalgeschwindigkeit 60 km/h
d)Wird das Schwungrad im Elektrobetneb eingestzt, wird es auch als Rekuperationsspeicher genutzt
e)Dieser Verbrauch beinhaltet die anfängliche Beschleunigung des Schwungrades auf 4700
mm
'
f)Der Bereich des Energieverbrauchs wird durch den Ladezustand abhangigen Wirkungsgrad der
Battene verursacht
Tabelle 42 3
jeweils
4.3
im Fahrzeug für die verschiedenen Betriebsarten bei
Verwendung von Benzin oder Strom. Die Versorgung des
Bordnetzes wurde hier nicht berücksichtigt
Energieverbrauch
ausschliesslicher
Hybride Fahrstrategien
Mit den Simulationen soll
strategie
zur
Steigerung
des
abgeschätzt werden,
wann
eine
hybride
Fahr¬
Gesamtwirkungsgrads eingesetzt werden kann.
66
4 Verbrauchssimulation
4.3.1
Anpassung
der
Taktfrequenz und
Durch die Kombination
bereich
von
EM und VM können sowohl der
Leistungs¬
auch der einzelne Taktverlauf des Taktbetnebes beeinflusst
wie
den Durch die Kombination der
kann die
des Drosselbetriebs
Zyklusdauer
des Taktbetriebes bei
gabe verlängert werden
oder die
dauer gesteigert werden, d h
substituieren oder
im
Dadurch kann das
Leistung
dem
aus
Schwungrad
gleichbleibender Leistungsab¬
Leistungsabgabe
die EM kann
kann bei
Teil der
ein
zweiten Fall werden die beiden
Betnebsgebiet
gleicher
Leistung
Takt¬
des VM
Leistungen
addiert
erweitert
werden,
Taktbetriebes
des
wer¬
und der EM
wodurch der Einsatzbereich des Drosselbetnebes reduziert oder sogar auf¬
gehoben
werden kann
Der Verbrauch für Takt- und Drosselbetneb ist
am
Lastschnitt bei 50 km/h
Verbrauchsvorteil
PGrenz=
betragt
12 37 kW Die
am
Bild 4 3 1
Schnellgang dargestellt
bis
Völlastleistung
zu
der zunehmenden
beispielhaft
Man erkennt den
Leistung
einer
des VM bei nVMmin
Rad 13 54 kW Im Taktbetneb ist der
gender Leistung, aufgrund
im
im
Taktbetrieb
im
in
=
von
1800
min
Verbrauchsanstieg bei
Start-Stop-Verluste,
'
stei¬
hoher als
Drosselbetrieb
Der Drosselbetneb hat gemäss
Bedeutung,
weil
im
unteren
des VM unterhalb der
Drosselbetneb
zu
einem
kurzzeitig
grenze beim
addition
Der
im
Langsamgang
Geschwindigkeitsbereich
was ein
keine
die
im
Gang
befahren
L wird
nur
Völlastleistung
Der obere
unter unublichen Randbedin¬
(Schwungraddrehzahlen
Taktbetneb) Deshalb kann auf
praktische
Umschalten auf den
reduzierten Verbrauch fuhren wurde
eine
oberhalb der Lade¬
Beurteilung
der
Leistungs¬
Langsamgang verzichtet werden
Gesamtwirkungsgrad
im
Taktbetneb kann mit der EM verbessert
werden, falls die elektrische Leistung
Steigung
im
Leistung Pcrenze heg1»
Geschwindigkeitsbereich
gungen und
[91]
der
Verbrauchsgerade
die Vanation des
im
Wirkungsgrades
Grenzwirkungsgrad
über der
einen
besseren
Taktbetneb
in
Wirkungsgrad
als die
Bild 4 3 1 aufweist Durch
des Getnebes und des VM vaniert dieser
Geschwindigkeit,
wie in
Bild 4 3 2 ersichtlich
67
Hybride Fahrstrategien
4.3
ist. Für den
Langsamgang liegen
0.295
kg/kWh
-
0.305
die Grenzverbräuche im Bereich
und somit etwas höher als im
Verbrauchsvergleich
Takt-
Leistung
Bild 4.3.1: Berechnete und
interpolierte
zu
am
von
Schnellgang.
Drosselbetrieb bei 50 km/h
Rad
[kW]
Verbrauchswerte mit
Bordnetzspeisung ab Bat¬
Schnellgang.
terie im Taktbetrieb (-X-) und im Drosselbetrieb (-*-) bei 50 km/h im
Der
Wirkungsgrad
des elektrischen Pfades variiert einerseits über der
Drehzahl und andererseits in der
zu
die
steigenden Wirkungsgrades
gegenläufigen
eines
fallenden
Effekte eines
substituierenden
Batteriewirkungsgrades
Leistung.
zusammen.
ersichtlich, kann im Bereich 2-3 kW die EM den
sonst
Wie
Hier treffen
der EM und
in
Bild 4.3.3
überwiegenden
Bat¬
teriewirkungsgrad kompensieren.
Im Taktbetrieb variiert die
EM
je
nach
gemittelte Drehzahl
abgegebener Leistung
Der Grenzverbrauch in Bild 4.3.2 stellt
Betrachtung
der gesamten
des
im Bereich 2400
Energiekette
-
Schwungrades
2650 min"1.
denjenigen Verbrauch dar,
durch den Elektrobetrieb
bieten ist, sollte mittels Elektrotraktion der
Wirkungsgrad
des elektrischen
Leistungspfades
bei
Netzaufladung
zu
der bei
unter¬
des Taktbetriebes
oder des Drosselbetriebes verbessert werden. Der erforderliche
grad
und der
Wirkungs¬
für eine Substitu-
68
4 Verbrauchssimulation
tion des Drosselbetrieb
nach Bild 4.3.2
muss
um
18
-
22% höher sein, als
für eine Substitution im Taktbetrieb.
Grenzverbrauch
im
Takt- und Drosselbetrieb
0.29
„0 28
.c
£.0.27
o
£0.26
o
>
N
<D
G0.25
n
0)
<%.24
Drosselbetrieb
0 23
20
25
30
40
35
50
45
55
60
65
70
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Bild 4.3.2: Grenzverbräuche im Takt- und Drosselbetrieb.
Wirkungsgrad der
EM bei 50 km/h
zur
Taktbetriebsunterstützung
0.655
2000
2500
3000
Zwischenwellendrehzahl [min-1]
Bild 4.3.3:
Lade- und
Wirkungsgrad der EM
vom
Netz bis
Berücksichtigung des
Ladegerätes bei einem mitt¬
Strasse unter
zur
Entladewirkungsgrades der Bleibatterie
leren Ladegrad von
und des
50%.
4.3
69
Hybride Fahrstrategien
Bei einem Heizwert
wirkungsgrad
0.292.
grad
von
43.0
MJ/kg
für den Taktbetrieb nach Bild 4.3.2 zwischen r|tn
mit den
Gekoppelt
vorgelagerten
Ketten ist dieser
der elektrischen Kette basierend auf Bild 4.3.3
Der Drosselbereich zwischen Taktbetrieb und
nach
Geschwindigkeit
Leistungsniveau
4.3.2
ergibt sich der
Benzin
eine
Leistungsspanne
des Drosselbetriebes
Leistungsanpassung
0.283
-
Grenzwirkungs¬
gegenüberzustellen.
Völlastleistung umfasst je
0
von
-
2 kW. Das absolute
sich zwischen 12-14 kW.
Überlandbetrieb
im
Durch den Verzicht auf eine
VM entsteht im
bewegt
=
Grenz¬
Beschleunigungsreserve
beim Betrieb des
Überlandbetrieb beim Wunsch nach schnellen Leistungs¬
sprüngen die Ambivalenz zwischen stetiger Erhöhung der Abtriebsleistung
und dem
Leistunsgbedarf
minimalphasigkeit
des
Drehzahlanpassung
des VM, d.h. eine Nicht-
Systems. Dieses Verhalten
ist mit dem Rückschalt¬
zur
handgeschalteten
vorgang bei
Getrieben
vergleichbar.
Die EM kann dazu
genutzt werden, die Verstellgeschwindigkeit im Überlandbetrieb bei einer
Übersetzungsanpassung
zu
erhöhen. Wie in [74] und [26] aber eindrücklich
gezeigt wird, reicht die Leistung der EM bei weitem nicht
ten
innerhalb
von
0.2 Sekunden
so zu
erfüllt werden kann. Bei extremen
der
Überwindung
tenwandlers
zu
der
Trägheiten
beschleunigen,
aus,
die
Leistungswunschänderungen
auch die
Träghei¬
dass jeder Fahrwunsch
kann neben
Verstellgeschwindigkeit des
Ket¬
einem limitierenden Faktor werden.
4.3.3 Autarker Ladebetrieb
Der Ladebetrieb der Batterie während des Taktbetriebes stellt den umge¬
kehrten Fall einer
Taktdauerverlängerung
dar. Die EM wird als Generator
betrieben. Um dieses Ladeverfahren mit der
können, reicht
es aus,
Batterieklemmen
gig
von
der
zu
den
Wirkungsgrad
berechnen. Der
Quelle der Ladeleistung.
Netzspeisung vergleichen
der
Stromerzeugung
bis
Wirkungsgrad der Batterie ist
zu
zu
den
unabhän¬
70
4 Verbrauchssimulation
Im Taktbetrieb wird die zusätzlich erforderliche mechanische
analog Kap.
aber der
4.3.1 mit dem
Grenzwirkungsgrad
Grenzwirkungsgrad
des VM anzuwenden, da diese
Leistung
zusätzlich über das Getriebe fliesst, sondern direkt in der EM
wird. Die zusätzliche
Reibleistung
der
Lager
Leistung
erzeugt. In diesem Fall ist
nicht
umgewandelt
der Zwischenwelle werden
vernachlässigt (4.3.1).
Am
Der
EL
Benzin'
Grenzwirkungsgrad
geraden (vgl. Kap.
(4.3.1)
%/ m«oVM) Hu
•
des VM
entspricht der Steigung
3.2.1). Sie wird mit einer
m
parabolischen
der Williams¬
Funktion nach
[91] approximiert (4.3.2).
m(a>VM)=
-5.357
In Bild 4.3.4 ist der
Batterie
•
10~7
•
to^M
+
Wirkungsgrad
4.263
•
10"4
aVM
+
0.3178
(4.3.2)
des elektrischen Antriebes T|Ej bis
zur
dargestellt.
Wirkungsgrad
der EM
im
Generatorbetrieb
2500
3000
Zwischenwellendrehzahl [mm-1]
Wirkungsgrade der EM im autarken Ladebetrieb bei verschiedenen mechani¬
Antriebsleistungen. Der Antrieb befindet sich im Schnellgang und treibt das Fahr¬
Bild 4.3.4:
schen
zeug mit 50 km/h in der Ebene
an.
4 4
Erzeugung
der
Dem gezeigten Kennfeld
von
50 km/h
Stromerzeugung
von
0 30
Fahrzeug geschieht
vergleichbaren Netzladung
kungsgrad
T|lG
von
an
=
0 85
hybnden Fahrstrategie
Pfaden der
Verlängerung
den
Wirkungsgrad
des
Gesamtwirkungsgrad
berücksichtigen
Betrieb3'
a)Wirkungsgrad
Wirkungsgrad
Tabelle 4 3 1
mit einem
Vergleich
in
Wir¬
Tabelle
durchgeführt
dass der Einsatz
Wirkungsgrade
m
den vorge¬
Wirkungsgrad
Wirkungsgrad
elektrisch ab Netz
0 292
0 655
0 361-0 367
0 655
-
einer
beemflusst wird
Benzinbetrieb ab Tank
0 30
von
Der
festgehalten werden,
0 283
Taktintervall
Ladegerate
ist nur das
Energiebereitstellung
Substitution Drosselbetneb
0 33
-
0 67
0 67
0 85
Tank bis Battene oder Netz bis Battene exklusiv r)i der Battene
Wirkungsgradvergleich im Fahrzeug zur Evaluation
hybriden Fahrstrategie
einer
möglichen
Erzeugung der Bordnetzspannung
Im
ETH-Hybnd
III
Fahrzeug
kann das 12 V-Bordnetz
gespiesen werden Einerseits kann die EM
netz
Fahrzeuggeschwindigkeit
somit mit einem
entscheidend durch die
Hybridstrategie
4.4
zu
den Batteneklemmen
Zusammenfassend kann
Autarker
konstante
0 33
-
Bei der
lagerten
eine
dementsprechend auch
Getnebes beemflusst und
im
liegt
da die Abtnebsdrehzahl den
zugrunde,
Die
4 3 1 wird
71
Bordnetzspannung
versorgen Andererseits kann die 12
DC Wandler
sich die
von
Frage,
Fahrbattene
im
aus zwei
V-Speiseleistung
über
der 120 V-Fahrbattene entnommen werden
wann
der
energetisch
generatonsche
Betneb
gegenüber
effizienter ist Als Sonderfall
sche Antnebsbetneb betrachtete
werden,
Quellen
Generatorbetneb das Bord¬
muss
der
einen
DC/
Somit stellt
Speisung
ab
hier der elektri¬
da die EM motonsch betneben
72
4 Verbrauchssimulation
wird, und damit eine gleichzeitige Speisung
nicht
möglich
Wird der
gemittelte
Betrieb des
des Bordnetzes durch die EM
ist.
elektrische
Antriebsstranges
Leistungsbedarf
im
von
250 W für den
generatorischen Betrieb bereitgestellt,
resultiert im Taktbetrieb das Verbrauchskennfeld gemäss Bild 4.4.1.
Verbrauchskennfeld des Hybrid III
65
im
VM-Betneb (250W
+2
.
^
t25
*35
60
55
I
Generatorleistung) (1/100km]
.1
1
/
yS
Fahrwiderstand in der Ebene
50
53
S.45
T>
c
I
40
V
0)
cn
?35
5
+5
«30
25
•
/
8
10
^
20
15
12
3
4
Leistung
Bild 4.4.1:
sche
Voraussetzung
6
7
[kW]
eines mittleren
des Mehrverbrauchs
Beurteilung
Speisung
gebnisse
5
Rad
Verbrauchskennfeld im Taktbetrieb bei variabler Steigung
scher Speisung des 12 V-Bordnetzes ab Generator.
Unter der
wird die
am
auf einer zeitlichen Basis
gleichbleibenden
an
hin. Dies ist
der EM stets auf der
durchgeführt.
plausibel, bewegt
generatori¬
Die Simulationser-
Abhängigkeit
sich doch der
gleichen Betriebspunktlinie
tenkennfeld. Was sich
Strombedarfs
Benzin durch die
in Bild 4.4.2 weisen auf eine schwache
Antriebsleistung
mit 250 W elektri¬
von
der
Betriebspunkt
im Drehzahl-Drehmomen-
ändert, ist die Geschwindigkeit, mit der die einzelnen
Punkte durchfahren werden und somit die mittlere Drehzahl der EM.
Im elektrischen Betrieb wird das Bordnetz wie oben erwähnt
Fahrbatterie
gespiesen.
Da diese
Speisung
eine
Zusatzbelastung
von
der
der Fahr-
4.4
Erzeugung
der
73
Bordnetzspannung
batterie darstellt, wird der
Spitzenstrom erhöht,
energetischen Wirkungsgrades
was zu
der Batterie führt.
Benzinverbrauch mit Generator für Bordnetz
§
einer Reduktion des
[l/h]
0.13
v_Fz=40km/h
v_Fz=30km/h
3
4
Leistung
5
am Rad
[kW]
Bild 4.4.2: Zusatzverbrauch im Taktbetrieb durch die
netzes mit 250W
generatorische Speisung
Dauerleistung.
Grenzwirkungsgrad zur Erzeugung
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Antriebsleistung
von
250W
4000
ab Batterie
des Bord¬
Bordnetzspeisung
4500
5000
5500
6000
[W]
Wirkungsgrad der Bordnetzspeisung ab Fahrbatterie im Elektrobetrieb. Die
Verschlechterung des Batteriewirkungsgrades infolge Leistungserhöhung wird vollum¬
fänglich der Bordnetzspeisung zugeschlagen.
Bild 4.4.3:
74
4 Verbrauchssimulation
Deshalb ist die
grad
zu
der
Erhöhung
nach
Verschlechterung
Speiseleistung
und
geforderter Antnebsleistung
Entladewirkungsgrad
Der
Vergleich
gendes
Bild
der Batterie
(Tabelle
Elekt
mit
in
dieser
Leistung zugeschla¬
Bild 4 4 3
Entladegrad der
im
Grenzwirkungs¬
Entladewirkungsgrades
Bereich
von
aufgetragen
Je
Battene schwankt
0 7
-
0 95
Bordnetzversorgung ergibt
fol¬
4 4 1)
Leistung ab
Batterie
scher
des
nur
sind
der beiden Vananten der
Betriebsart
Taktbetneb
wird
Wirkungsgrade
Die resultierenden
gen
der
die
bewerten, dh
durch die
des Bordnetzstromes mit dem
Erzeugung
generaton
Elekt
Netz
[W]
-
Leistung ab
Benzinver¬
[W]
brauch
[1/h]
0118
-
Speisung
Taktbetneb
mit
Speisung
ab
294
379
PAntneb+294
387
383
-
Fahrbattene
Elektrischer Fahrbetrieb
Tabelle 4 4 1
Vergleich
dei \eischiedenen
Bleibattene bei
Der Treibstoffbedarf für die
ein
trischen Betrieb
Battene wird
men
von
im
0 7
Ebenfalls wird der
beide Falle
netz im
0 95
Taktbetneb
gleichgesetzt
Elektrobetrieb
gieformen bezogen
1 kW mit nt
=
-
Lade gerat r\LG
(vgl
wie
Bordnetzspeisung
0 96
-
0 97
Bild 4 4
(vgl
0 85
Bild 4 4 2
ist aus
ergibt
ab Fahrbattene
Bild 4 2
8) und
im
elek¬
3) Der Ladewirkungsgrad der
beim Elektrobetrieb mit 0 94 angenom¬
Wirkungsgrad
des
Ladegerätes
Als Referenz ist der
angefugt
=
0 94
generatorische Speisung
Entladewirkungsgrad von
-
526
Bordnetzspeisungen
Pt<
ersichtlich Für den Taktbetneb mit
sich
-
Die
mit
Energiebedarf
Gegenüberstellung
auf die einzusetzende
tiLG
=
0 85 für
für das Bord¬
der beiden Ener¬
Pnmarenergie folgt
in
Kapitel
7
des Antriebes
Realisierung
5
In diesem
dessen
von
Kapitel
wird die
Realisierung
konzeptioneller Aufbau
den
in
2
Kap.
des
Antriebsstranges dargestellt,
Komponenten und den Messergebnissen,
Komponentenprüfständen
ermittelt
wurden,
beschrieben. Anschliessend wird die
dargestellt.
prüfstand
Am Ende
und
von
worden ist.
vorgestellt
wird
Integration
folgen Messergebnisse
Ausgehend
die auf den verschiedenen
das
in ein
vom
Antriebssystem
Versuchsfahrzeug
dynamischen
Antriebs¬
Rollenprüfständen.
Bild 5.0.1. Ansicht des
ETH-Hybrid III Antriebsstranges. Im Vordergrund befindet sich
Schwungradgruppe mit der EM. In der linken Bildhälfte ist das über eine Kette ange¬
triebene stufenlose i2-Getriebe mit den Hydraulikaggregaten zu sehen. In der rechten
Büdhälfte ist der VM sichtbar.
die
5.1
Realisierung
Die
Realisierung
bestehenden
des
der
Antriebskomponenten
ETH-Hybrid
Komponenten
III
auf (VM,
Antriebsstranges
baut teilweise auf
Wärmemanagement), die
anwen-
76
Realisierung
5
dungsspezifisch
Schwungradeinheit
Steuerungssystem
kelt. Die
werden.
angepasst
inklusiv
Kupplungen,
in Hard- und
Realisierung
der
Andere
(Getriebe,
Komponenten
EM
Software),
des Antriebes
inklusiv
wurden
Komponenten erfolgte
Wechselrichter,
vollständig
neu
im Zeitraum 1991
Anschliessend wurde der Gesamtantrieb auf einem
dynamischen
entwik-
1996.
Prüfstand
getestet und für den Einbau in einem Versuchsfahrzeug angepasst, der 1997/
98 realisiert worden ist.
5.1.1
Verbrennungsmotor
Motorseitige Anpassungen
5.1.1.1
Als Basis wird ein
Hubvolumen
von
wurde,
was
und
2 Ventile pro
1.3 Litern,
Zylinder,
die Hardware betrifft,
Verbrennungstechnik
am
mit einem
mit 53 kW Nennlei¬
min"1 und Einzelzylindereinspritzung
stung bei 5500
ren
4-Zylinder-Ottomotor der Volkswagen AG
verwendet. Der VM
Laboratorium für
Verbrennungsmoto¬
LVV auf die Erfordernisse des Taktbetriebes
angepasst. Eine detaillierte Beschreibung ist in [19]
zu
finden. Die
Anpas¬
sungen umfassen:
Entfernung
des
originalen Schwungrades
Anpassung des Kurbelwellenendes (Abstützung der Zwischenwelle
in der
Kurbelwelle, Flansch als Halterung der Kupplungsscheibe der
Reibkupplung Kl)
Integration
eines
neuen
Schwingungstilgers
betätigte Drosselklappe
(normally open)
Elektrisch
offen
Verbesserte
Zündung
Anpassung
der Kurbelwinkel- und
mit 63
+
durch erhöhte
1 Zähnen, kombiniert
Winkelauflösung
Anpassung
des
von
Zündspannung
vor
mit
dem
doppelwandigen
ersetzt)
Rohren
zur
Katalysator
zwei Breitbandlambdasonden
Verzicht auf Lichtmaschine und Anlasser
der EM
Ruheposition vollständig
mit
Drehzahlmessung. Eine Scheibe
mit 2 Hall Sensoren ermöglicht eine
Auspuffkollektors
von
Kurbelwellenende
1.40 °Kurbelwinkel.
Reduktion der Aufheizzeit
Verwendung
am
(werden
durch Funktionen
5 1
der
Realisierung
Änderungen kombiniert mit
Zusätzlich werden diese
Drei-Wege-Katalysator mit
•
Anpassung
•
5.1.1.2
77
Antnebskomponenten
des
Sauerstoffspeicherung
verbesserter
Motormanagements
Katalysator
Der intermittierende Betrieb des VM im Taktbetrieb verursacht eine Luft¬
spülung
nichtgefeuerten Betrieb,
im
der
Drosselklappe reduziert,
die
Verwendung eines Katalysators
gen kann die
die durch eine angepasste
mit erhöhtem
Konvertierungsfähigkeit
bei
Katalysatoren
geführt. Dabei
am
wurde
Sauerstoffspeichervermö¬
kurzzeitigen Abweichungen
Luftverhältnisses aufrechterhalten werden. Die
wurde
Untersuchung verschiedener
aufgrund
der
Anforderungen
des Taktbetriebs ein Pt-
Eine umfassende
gewählten Pt-Rh/Ce02-Al203 Katalysators
und ein
Vorgabe
des
Technisch Chemischen Laboratorium TCL durch¬
Rh/Ce02-Al203 Katalysator ausgewählt.
ster als
Betätigung
aber nicht ganz verhindert werden kann. Durch
für die
Analyse des
optimiertes
Sauerstoffspeicherregelung
ist in
Betriebsmu¬
[63] und [81]
beschrieben.
5.1.1.3
Das
Motormanagement
software der
verfügt.
Die
mittels
und
Motorsteuerung
Applikation
die über eine
des
und wurde in der
Saugrohrdruck
und
wurde
am
aufbauend auf der
Institut
Original¬
Bankeinspritzung (Digifant)
ETH-Hybrid
einzuspritzende Treibstoffmasse
spritzmasse
Einspritzung
Regeltechnik (IMRT) ausgelegt,
Volkswagen AG,
derindividuelle
tiert. Die
Zündung
für
Motormanagement
für Mess- und
III Antriebes ist eine
Programmiersprache
zylin¬
C por-
wird anhand der Luftmasse, die
-temperatur ermittelt wird, bestimmt. Die Ein¬
wird vorausberechnet und über eine
Lambdaregelung korrigiert
[78, 53, 12, 60, 75]. Durch den Einsatz eines Katalysatormodells und der
beiden Breifbandlambdasonden kann der
tors
geregelt werden [75].
Die
Sauerstoffspeicher des Katalysa¬
notwendige Steuerungshardware
belwinkelsynchrone Betätigung
von
Zündung
und
Einspritzung
für die kurentstand in
Zusammenarbeit des IMRT und des Institutes für Technische Informatik
und Kommunikationsnetze
(TIK) [84] vgl. auch Kap. 5.1.6. Die Lagerege-
"5
78
für den elektnschen Aktuator der
lung
IMRT entwickelt und
im
einen
len
Anpassungen
um
Vollast
zu
den
war es,
neben der
im
Ermogltchung
(Bild
am
5
des Taktbetriebes,
gesamten Betriebskennfeld darzustel¬
für
jeweils optimalen Wirkungsgrad
erzielen
wurde ebenfalls
Verbrennungsmotors
stochiometrischen Betrieb
so
Drosselklappe
des Antriebes
Motormanagement integriert
5.1.1.4 Betriebsverhalten des
Ziel der
Realisierung
jede
Drehzahl
an
der
11)
Permanenter Motorbetrieb
Taktbetrieb
Veibiauchskennfeld
Bild S 1 I
ETH H\ bi id III Antriebes
Neben der
eine
Optimierung
Anpassung
Zündaussetzern
Taktbetneb
zur
der
des Ben inmotors angepasst
des
Dies führte
vor
einen
zur
allem bei den
häufigen
Beduifnisse des
1800
mm
[21]
geschlossen,
Die
um
Motorstarts
von
im
und Bild 5 1 2
Drosselklappenregelung
Takt des Taktbetriebes ersichtlich
rend dem Abschalten des VM
i
Verringerung der Gefahr
der HC-Emissionen
Das Verhalten der Lambda- und
für
die
kennfeldabhangigen Zundzeitpunktes erfolgt
Zündspannung
Begrenzung
an
Im Dros seibetrieb dicht der VM be
ist in Bild 5 1 3
Drosselklappe
wird wah
den Luftmassenstrom durch
5.1
Realisierung
der
den Motor in dieser Zeit
und die
Auskühlung
cherfähigkeit
tor
gut
zu
sator trotz
des
79
Antriebskomponenten
des
zu
minimieren. Somit kann die Sauerstoffzufuhr
Katalysators begrenzt werden.
Katalysators
Die
Sauerstoffspei¬
ist beim Lambdaverlauf hinter dem
erkennen. Die ersten 0.5
s
Katalysa¬
nach dem Motorstart erzielt der
fettem Gemisch ein hohe Konversionsrate
Kataly¬
[73].
HC-Kennfeld VW 1.31 GT "Digifant"
9i
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
HC-Kennfeld VW 1.31 GT "Digifant"
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Drehzahl
Bild 5.1.2:
Vergleich
4500
5000
5500
Originalzustand des
Zündspannung (unten).
der HC-Emissionen im
der erhöhten
4000
6000
[1/min]
Motors
(oben) und mit
80
'
r
'
'
'Hji<>iiiiiiiit»«i>ii«N*'*t»iii>i*<
z: 1
0.8
12
10
14
des Antriebes
Realisierung
5
f
/
16
20
18
Zeit [s]
Bild 5.1.3:
Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses vor und hinter dem Katalysator
sowie des Drosselklappenwinkels im Taktbetrieb.
5.1.2 Elektromaschine
An den Elektroantrieb werden vier
gaben
sind der elektromotorische
6 kW und die
von
nen.
Speisung
Weiter soll die EM
gierekuperation)
ment >
5
möglichen
mit einer
Bordnetzversorgung (bis
der
1
Hauptauf¬
Nennleistung
kW)
zu
bezeich¬
bis 16 kW aufnehmen (Bremsener¬
generatorisch
und als Starter verwendet werden können
von
diesen
wurde eine
Forderungen
Betriebes in einem
Maschinen IEM eine
und unter der
Fahrzeug
(Stillstandsmo¬
ausgebildet
lichkeit einer
und der Stator ist
Wicklungen
reduziert werden
Fahrzeugantrieb
der
am
benötigte
reduziert und
Im
erarbeitet. Dazu
Der Rotor ist als Kurzschlussläu¬
Es besteht die
Bordnetzgeneratorbetrieb
kann
Stromfluss
so
eines
Institut für Elektrische
10-polig gewickelt.
Wicklungsumschaltung.
Wicklungsstränge
wurde
Randbedingung
wirkungsgradgünstige Systemlösung
Asynchronmaschine gewählt.
elektromotorischen
der
Fahrzeugantrieb
Als
Nm).
Ausgehend
fer
Anforderungen gestellt.
durch die
gegenüber
die Verluste
vor
Mög¬
und im
Serieschaltung
der
der
Parallelschaltung
allem im Wechselrichter
(Schalt- und ohmsche Leitungsverluste) [49].
5.1
Realisierung
der
81
Antriebskomponenten
Die EM bildet eine funktionale Einheit mit der
zu
einer kurzen
Schwungradgruppe,
Wirklänge der Wicklung führt (Bild
Wie in Bild 5.1.4 ersichtlich ist, wird der Stator
5.1.4 und Bild
wassergekühlt.
und der Wechselrichter sind in den Kühlkreislauf des VM
was
5.1.9).
Der Stator
integriert.
Bild 5.1.4: Ansicht der elektnschen Maschine mit Stator und Rotor.
Der
am
gleichen
Institut
Ansteuerung und Regelung
stromquelle,
derjenige
einen
der Batterie dar
entwickelte Wechselrichter
der EM und stellt das
(Bild
Anteil der elektrischen
Leistungswiderstand
übernimmt
Bindeglied
zur
die
Gleich¬
5.1.5 und [87]). Zusätzlich wird mit ihm
Rekuperationsleistung bestimmt,
dem Kühlkreislauf
zugeführt
wird.
der über
82
Realisierung
5
Bild 5 15 Ansicht des Wechselrichters
in
lGBT-Bauweise
mit
des Antriebes
Kühlkörper (schwarzer
Unterteil)
Der auf der Basis
fügt
von
IGBT-Bausteinen1 aufgebaute
wie die EM über eine
Wasserkühlung,
die im
Wechselrichter
Kühlsystem
ver¬
des Antriebs¬
stranges integriert ist (vgl. Kap. 5.1 5). Die Struktur des elektrischen Netzes
ist
in
Bild 5.1.6
dargelegt.
Wicklungs
gmschaltung
-^
».
Bild 5 16- Schema des elektnschen Systems des ETH-H\bnd III.
Die beiden DC/DC-Wandler zwischen der 12 V Bordbatterie und der 120
V Fahrbatterie stellen einen Fahrbetrieb auch bei Ausfall der Fahrbatterie
sicher. In diesem Fall reduzieren sich die
1 1GBT sieht lui
lei
Sliome bei
Integidted
Spannungen
Gate
bis
Bipolai
7u
Aufgaben
Tiansistoien Sie sind
einigen hundeit Volts
des elektrische Kreises
geeignet
tut die
Schaltung giosse-
5 1
Realisieumg
dei
83
Antnebskomponenten
auf die Starterfunktion und auf die
Speisung
des Bordnetzes
auch, der Einsatz der Motorbremsersatzfunktion direkt
Denkbar
den
in
wäre
Leistungswi¬
derstand zuzulassen
Der
für den
aus
der EM ohne
Wirkungsgrad
Bordnetzspeisebetneb
Bild 5 1 8 ersichtlich
schen TJwechseinchtei
400
=
800
Der
0 92
-
Berücksichtigung
aus
Bild 5 1 7 und für den
Wirkungsgrad
1200
45
50
Fahrzeugantrieb
des Wechselrichters
liegt
zwi¬
0 96 als Funktion des Stromes [87]
1600
2000
Drehzahl
40
des Wechselrichters ist
55
60
65
2800
2400
3200
3600
[U/min]
70
75
80
85
90
Wirkungsgrad [%]
Bild5 1 7
Witkungsgiadclci
Als Batterie wurde
ursprunglich
cherkapazität vorgesehen,
stungsdichte verfugt
stand und für den
durch
eine
EM
im
eine
die über
Boidnctzspeisebetneb
NiMH-Battene
gute
eine
Blei-Vlies-Battene
Batterie wurde auf 120 V
aus
Kosten- und
(4 56 kWh)
festgelegt
managementsteuergerat und das
Das
ersetzt
zum
Ladegerat
kWh
Energiespeicher-
Sie wurde aber für den Betrieb
Fahrzeugeinbau
mit 5
am
dynamischen
Pruf¬
Verfugbarkeitsgtunden
Die
Betneb
wurden
Spei¬
und Lei¬
Nennspannung
notwendige
von
der
der
Battene-
Volkswagen
AG
5
84
zusammen
nach dem
mit den Batterien
zur
Realisierung des Antriebes
wird
Verfügung gestellt. Geladen
am
Netz
Konstantstrom-Konstantspannungs-IU-Verfahren.
Drehzahl
45
50
55
I
I
I
60
[U/mm]
75
70
65
6000
4000
3000
2000
8
90
85
~T
Wirkungsgrad [%]
Bild 5.1.8.
Wirkungsgradkennfeld
der EM
gemäss
5.1.3
Die
Hybrideinheit
stellt die Schaltstelle der
Schwungrad,
gen in einem Gehäuse
der Kurbelwelle
Speichern
die EM und die
gelagert.
Aluminiumgehäuse
angeflanscht
Energieflüsse
benötigten
Die
drei
zu
zu
den
mini¬
Reibkupplun¬
Hybrideinheit
ist direkt
und die Zwischenwelle ist
Der Stator der EM übernimmt eine
der
und
von
dar. Um den Raumbedarf
integriert (Bild 5.1.9).
den Motorblock des VM
5.1.3.1
und
Antriebsquellen
mieren, sind das
Ein
Motorbetrieb (ohne Wechselrichter)
Hybrideinheit
einzelnen
im
im
[49].
fliegend
tragende
an
in
Rolle
Hybrideinheit.
Schwungrad
Energiespeicher
ist die
Voraussetzung für die Realisierung des Takt¬
betriebes und wird auch für die
Rekuperation benötigt (vgl. Kap.
2.3 und
5.1
Realisierung
grundsätzlich
[36] und [37]). Die Wahl eines Schwungrades als Kurzzeit¬
in
energiespeicher
wurde in [19]
zusammengefasst
da die
untersucht und kann wie
Schwungrad
Energie
vorteilhaft.
in Form
begrenzte Drehzahlen,
Die berührende
gänglich ist,
mechanischer
von
des
Dichtung,
die durch die mechanische
erfodert im Vakuumbetrieb eine
die
das Vakuum
durch
Schwungrädern
ermöglicht
Leistungsflüsse
werden die
was
wieder eine
Rekuperation-
Koppelung
unum¬
die etwa die
Luftreibungsleistung
Bei
wird.
ins
sind.
gegeben
Vakuumpumpe,
die der Reduktion der
Energie
Schwungrades bedingt
die durch den Betriebsbereich des VM
Betriebsenergie benötigt,
transferiert,
direkter Antrieb
Ein
folgt
reduziert die erforderlichen
wird. Dies ist sowohl im Taktbetrieb wie auch im
gespeichert
spricht,
eingehend
werden. Das
Energieumwandlungen,
sbetrieb
85
Antriebskomponenten
der
ent¬
hochdrehenden
Vakuumgehäuse
elektrisch
zweimalige Energieumwandlung
mit sich
führt.
Die
gewählte
Form des
Schwungrades
der Ansicht in Bild 5.1.10
dargestellt.
form ist ebenfalls in [19] und [20]
ten
ist im Schnitt in Bild 5.1.9 und in
Die
Optimierung
hergeleitet,
Konstruktion im Hinblick auf die
musste
Integration
der
der
Schwungrad¬
aber in der
ausgeführ¬
Reibkupplungen
ange¬
passt werden.
Die
Auslegung erfolgte
aus ca.
70 km/h
mit der
rekuperieren
zu
Absicht, die Fahrenergie des Fahrzeuges
können. Das realisierte
Schwungrad verfügt
über die Eckdaten gemäss Tabelle 5.1.1.
Der
Wirkungsgrad
des
Schwungradspeichers
Grösse und wird durch
Dissipation
besteht
Luftreibung,
min"1
aus
vor
Lager-
allem die
Die erzeugte
zur
Kühlung
und
Luftreibung
in der
Reibkupplungen
eine
zeitabhängige
Hybrideinheit beeinträchtigt.
wobei im Drehzahlband 1800
ins Gewicht fällt
Luftbewegung durch
der
ist
-
Sie
6000
(Bild 5.1.11).
die Rotation des
Schwungrades
wird
und des Rotors der EM genutzt. Die zir¬
kulierende Luft wird durch kleine Durchtrittslöcher im Wassermantel des
Stators
gekühlt (vgl.
Bild
5.1.4).
86
5
zum
des Antriebes
G
„If Ilffl^
t
Bild 5 1 9
Realisierung
Schnitt durch die H\bi ich inhcit
mit
lungcnKl
Schwungrad
EM und den diei
Reibkupp
K2 Kl
Einheit
Eigenschaft
Masse des
...
48
kg
Schwungrades
Wert
42CrMo4
Material
Durchmesser
m
0 408
Breite
m
0 048
Trägheitsmoment Schwungrad
kgm2
Trägheitsmoment Schwungrad Rotor,
Zwischen wtlle
Nenndrehzahl
Nutzbare kinetische
1 372
kgm
6000
min
minimalt Betnebsdrehzahl
Energie
Tabelle 5 11
Eckdaten des Scim
min
1 039
'
kJ
imgradenei giespeichers
1800
246 2
5 1
Realisierung
dei
Bild 5 I 10 Ansicht der
winkelgeberscheibe
87
Antriebskomponenten
Sehwun^radgruppe mit den Teilen von icchts nach links Dreh
Schwungrad Schwingungsdampfer und Betatiqungsfe
dem der Reibkupplung K2
EM Rotor
Schwungraddrehzahl [/s]
Bild 5 1 11
Dissipation des Schwungrades Vergleich realisierte Konstruktion
Potential ohne Kupplungen und EM im Gehäuse mit idealer Form
^um
88
Realisierung
5
Reibkupplungen
5.1.3.2
Die
des Antriebes
Reibkupplungen
geschlossen
mit höherer
standig
unbetatigt offen,
wurden unter dem
Stellungen
Diese
erforderliche
Kl und K2 sind
Aktuatorenergie festgelegt, wobei
Pnontat
Gewicht fielen,
ins
aktiviert werden
so
in
der
bei K2
Kupplung geregelt
Augenmerk
der Zwischenwelle
dass das
lungen
zu
ben sind
in
[19]
der
Die
Regelung
aus
im
Betneb
Dort
der
über
wird
den
IMRT entwik-
am
Kupplungsscheiben
Relativbewegungen
mit
sichergestellt werden,
muss
Torsionswechselmoment
keinen
und
wurde
Bild 5 1 9 ersehen werden Ein
Verbindung
werden
geschenkt
zu
Sicherheitsaspekte
dass diese Kupplung
allem bei den
Kupp¬
fuhrt Detaillierte
Anga¬
vor
finden
zu
5.1.4 Stufenloses
i2-Getriebe
Platzgrunden
Aus
muss
übertragende
Kl und K3
mimmal
muss
kelt [90] und [73] Die Funktion kann
besonderes
unbetatigt
Gesichtspunkt
Betätigung erfolgt hydraulisch-mechanisch
Die
Öldruck
K3 ist
wird die
Getnebe verbunden Die
Lage
Hybrideinheit
dieser Kette kann
über
im
eine
Kette
dem
mit
Bild 5 0 1 erkannt
wer¬
den
Die
zwischen dem
Kraftübertragung
erfordert
im
betneb auch
Taktbetneb
im
eine
können,
lich Dieser
Ausserortsverkehr nutzen
zahl des
den
ist
ein
Spreizungsbereich
Konsequenzen
wie
tion
(Geschwindigkeiten
tiefen
Fahrzeug
Um den Takt¬
bis
ca
80
Geschwindigkeiten rekupen-
des Getnebes
von
20 5 erforder¬
kann durch die Vanation der Maximaldrehder
Berücksichtigung
veränderter
und der minimalen nutzbaren
ein
zu
Spreizungsbereich
Schwungrades (unter
und dem
stufenlose Getnebeeinheit
km/h) und die Fahrzeugenergie bis
eren zu
Antnebsstrang
der daraus entstehen¬
Speichennhalt, notwendige Festigkeit)
Fahrzeuggeschwindigkeit
für die
Rekupera¬
verändert werden Er kann aber nicht derart verkleinert werden, dass
einstufiger
Kettenwandler beim
heutigen
Stand der Technik genügt
Realisierung
5 1
der
89
Antriebskomponenten
5.1.4.1 Kettenwandler
Als stufenloses
Verstellorgan
wird ein Kettenwandler der Firma PI.V
Antrieb Werner Reimers GmbH & Co. KG verwendet
Wirkungsgradwerte
nahe
(vgl.
und ein grosser
Bild 5.1.14) und
Spreizungsbereich legen
i on
die
einem
notwendige
des Abflusses der
Position der variablen
Ubersetzungsbereich
und variabler
Kegel) übertragt
Stahlkette das Antriebsmoment
Durch die Momentenfühler I und II wird durch
gung erzeugt. Durch die
diese Bauart
5 5
Halbkegelpaaren (Fixkegel
hydraulisch angepresste
Drosselung
Beste
[61].
Bild 5 112 Ansicht des verwendeten Kettenwandlers mit
Auf den beiden
(Bild 5.1.12).
Verschiebung
(Bild 5.1.13).
momentenproportionale
Druck für die Momentenübertra¬
des 4-Kanten-Schiebers kann die
derart veränert werden, dass über die
Kegel
Gliederkette die erforderliche
sung der Laufradien der
stellt wird. Die mechanische und
Anpas¬
Übersetzung einge¬
hydraulische Modellierung
ist in
[76]
zu
finden.
Der
Wirkungsgrad
des Kettenwandlers wird
zungsverhältnis, der Last und
Werte sind bei Übersetzung i
vom
der Drehzahl beeinflusst
=
1 erzielbar.
gewählten
Überset¬
(Bild 5.1.14).
Wirkungsgrade
bis r|
bei tiefen Drehzahlen und hohen Momenten erreichbar. Die
=
Beste
0.97 sind
Wirkungsgrade
90
5
zeigen
Realisierung
des Antriebes
mit zunehmendem Drehzahlniveau eine abnehmende Tendenz. Die
Leerlaufleistung
nimmt mit zunehmender Drehzahl
I
Fixkegel
Momentenfühler I
Verschiebbarer
\
[29].
zu
Kegel
I
/
Moment,
Momentenfühler II
Verschiebbarer
Kegel
Moment2
II
- Abfluss
(2 bar)
4-Kanten-Schieber
Speisedruckregelung
Steuergerät
Vp
von
vol. fördernder
Bild 5.1.13: Funktionsschema des Kettenwandlers
5.1.4.2
Das
mit
dem
Steuergerät.
Getriebeauslegung
des stufenlosen Getriebes des
Konzept
Spreizungsbereich
und eine
von
ETH-Hybrid
III mit einem
über 20 beinhaltet einen stufenlosen Kettenwandler
Zwei-Gang Schaltung
zur
den Kettenwandler. Somit kann die
werden
Pumpe
(i -Anordnung).
Das
Umkehrung
Spreizung
Prinzip
des
Leistungsflusses
des Kettenwandlers
ist in Bild 5.1.15
dargestellt.
durch
quadriert
Das Kon¬
zept dieser Getriebeanordnung ist im Detail in [36] und [37] aber auch in
[61] beschrieben. Die konstruktive Auslegung
Zusammenarbeit mit der
TU München
Die
den
(FZG).
Forschungsstelle
Auf die
Zahnradübersetzungen
Kupplungen
Realisierung
ben
in
für Zahnräder und Getriebe der
wird in
la und 2a resp. lb und 2b
[19] eingegangen.
so
gewählt,
dass sie mit der
des Kettenwandlers übereinstimmen. Im
drehen theoretisch alle vier
Drehgeschwindigkeit.
Realisierung erfolgte
in Bild 5.1.16 sind zwischen den Wellen mit
gewünschten Synchronübersetzung
Umschaltpunkt
und
Klauenkupplungen
Im realen Betrieb können leichte
durch den im Kettenwandler auftretenden
Mikroschlupf
mit dersel¬
Abweichungen
entstehen.
5.1
Realisierung
der
91
Antriebskomponenten
Kettenwandlerwirkungsgrad
bei
n_Eingang=745
Übersetzungsverhältnis
Bild 5.1.14:
Wirkungsgradkennfelder des
Kettenwandlers bei
Eingangsdrehzahlen
im
von
ü
[-]
ETH-Hybrid III Antrieb
745 und 3000 min
Versuche wurden mit separat gespiesenem
Automatenöl bei 90 °C) bei
Bei
Lastschaltungen
Gefahr einer
ohne
verwendeten
Ölpumpe.
Die
Hydrauliksystem (4 6 Liter ATF Dexron
optimalem Anpressdruck durchgeführt.
ist diesem Umstand
Überbeanspruchung
1/min
-
Rechnung
und damit einer
zu
II
tragen, da die
Überlastung der Kette des
92
5
Kettenwandlers besteht. Bis heute wird im
Lastunterbruch
geschaltet,
Realisierung
ETH-Hybrid
dass dieser Problematik
so
des Antriebes
III Antrieb stets mit
ausgewichen
werden
kann.
Das
Getriebe
Positionierung
allem beim
zwei
eigentliche Fahrgänge (Langsam-
in denen stufenlos übersetzt werden kann
Schnellgang),
der
umfasst
und
(Bild 5.1.17). Bei
des Kettenwandlers innerhalb des Getriebes wurde
Schnellgang
vor
Übersetzungsstufen
auf eine minimale Anzahl
geachtet (Bild 5.1.16). Dies ermöglicht auch die Anordnung einer Redukti¬
onsstufe
vor
dem Kettenwandler im
Wirkungsgradverbesserung
bei erhöhtem
Langsamgang,
des Kettenwandlers
Übersetzung verfügen.
ungünstigen
der EM ohne
direkte
Der
tigt.
Der
Kriechgang
Bereich des Kettenwandlers
um
zu
dient
den
einer
zu
Drehzahl
die
je
über
Überbrückung
wirkungsgradmässig
der
Im Betrieb mit
Kriechgang
eine
Übersetzung.
Rückwärtsgang
wird beim Rückwärtsfahren ab
Vorstellbar ist auch, dass der Elektromotor im
was
stattdessen würde im
diesen zusätzlichen
Kriechgang
mit
im selben Gehäuse
integriert.
Fahrzeugräder
Minimierung
Kugellager
leistungen
verwendet. Der
des
4-Quadrantenbetrieb
Gang überflüssig machen würde,
ausgelegt wird,
die bei
den Kettenwandler
der
benö¬
ist das Differential
Zum Schutz des Kettenwandlers wird eine
Sicherheitsrutschkupplung eingebaut,
kann. Zur
Schwungrad
umgekehrter Drehrichtung gefahren.
Da das Getriebe für den Frontantrieb
der
zur
umgehen.
Schwungrad (manövrieren) ermöglicht
angesteuert wird,
ren
beiträgt (tiefere
Rückwärtsgang integriert,
des Kettenwandlers bei kleinsten Drehzahlen,
sehr
ebenfalls
Moment).
Im weitern sind ein Kriech- und ein
eine feste
was
Reibung
unvorhergesehenem
vor
der
Überlastung
Blockie¬
bewahren
wurden ausschliesslich Rollen- und
Getriebewirkungsgrad
hydraulischen Hilfssystems
wird durch die Antriebs¬
entscheidend beeinflusst.
5.1
Realisierung
der
93
Antriebskomponenten
Langsamgang
Schnellgang
Bild 5.1.15:
Prinzipschaltung
des r-Getnebes
und Sc
mit
Kettenwandler
Klaue
2a
durch den
Langsam-
Welle
vom
Motor
Klaue
vomMo
'T'
Welle A
Welle A
Klaubt
1b
1b
Klauest
Welle B
Kraftfluss
Kettenwandler
W
Welle
dem
hnellgang.
Klaue
1b
m
Klaue 1a
-
Rad
Q
\J
1
1
l~^-A
Differential
Langsamer Gang
Klaue 1a und 2b geschlossen
Bild 5. /. 16: Schema der Getriebewellen und
Hybrid
Rad
Rad
\J
Schneller
(V-^——r~H| Rad
\J
Differential
\]
Gang
Klaue 1b und 2a
geschlossen
Zahnradpaarungen des r-CVTdes
Rückwärtsgang).
III Antriebes (ohne Kriech- und
ETH-
94
5
Realisierung
des Antriebes
0)
'CVT
o
//
CO,
<CVT
zur Übersetzung des Kettenwan¬
Fahrstufen (langsam und schnell) Die Definition der Kettenwandlerubersetzung bleibt in beiden Fahrstufen dieselbe
Bild 5 1.17. Zusammenhang der Gesamtubersetzung
dlers
in
den beiden
Hydraulisches Hilfssystem
5.1.4.3
Das
hydraulische Hilfssystem versorgt
heit mit
Hydrauliköl
Folgende
Hybridein¬
hydraulischer Stellenergie.
Verbraucher sind
-
Um eine
und
das Getriebe und die
zu
versorgen:
Kettenwandlerverstellung
der
-
Betätigung
-
Schmierung
-
Kühlung
-
Betätigung
und -anpressung
Klauenkupplungen
der Zahnräder
des Kettenwandlers
bedarfsgerechte
der
Reibkupplungen
effiziente
Hydraulikversorgung
zu
ermöglichen,
werden drei Teilkreisläufe mit verschiedenen Druckniveaus betrieben, wel¬
che mit zwei
Zahnradpumpen versorgt
Darstellung des Ölkreislaufes ist
Die
Betätigung
Druckniveau.
auch in
der Reib- und
werden
[72]
zu
[26]
und Bild 5.1.18. Eine
finden.
Klauenkupplungen
erfordert das höchste
Aufgrund begrenzter Olmengen (die möglichen Leckagen
müssen durch konstruktive
Lösungen minimiert werden)
kann ein Druck-
95
Realisierung dei Antriebskomponenten
5 1
Speicher
Der
verwendet werden, der
Speicher
Bereich
im
von
wird durch die kleinere der beiden
60
-
90 bar betrieben wird.
Zahnradpumpen
bei Bedarf
nachgefüllt.
mit den beiden Hydrauhkpumpen und den VentilSpeisung der verschiedenen Druckniveaus. Unten ist der Hochdruckspeicher
Bild 5.1.18' Ansicht des r-Getriebe
blocken
zur
erkennbar.
Der Kettenwandler arbeitet auf einem mittleren variablen Druckniveau
(10
-
45
Deckung
bar) und wird in der Regel
eines
Ventile die
Die
grössere Pumpe
und
der
Schmierung erfordert
Das Druckniveau ist
ver¬
die
von
angetrieben werden,
Während dem Nachfüllen des
dieser Zeit
zur
Versorgung
(typischerweise
und die Wandlerkette nicht
<
grössten Volumenstrom. Die
ausgelegt.
spezieller Berücksichtigung
Hydropumpe
den
Die Wahl der zwei
ist für diesen Bedarf
einer Getriebewelle
Zur
die verwendeten
grösseren Hydropumpe.
hältnismässig tief (< 5 bar).
unter
Pumpe versorgt.
allfälligen Spitzenbedarfs, ermöglichen
Zuschaltung
Kühlung
mit der kleineren
des
ist das
Zahnradpumpen,
Ergebnis
einer
Evaluation
Teillastwirkungsgrades [16].
Hochdruckspeichers
muss
die
grössere
umgeschaltet
werden. In
10 s) werden die Zahnräder nicht
geschmiert
des Kettenwandlers
gekühlt.
96
Realisierung
5
Um einen Start nach
nere
Pumpe zusätzlich über
Speicher
wird
kupplungen
gefüllt,
zu
ermöglichen,
einen Elektromotor
kann die klei¬
angetrieben
werden. Der
ein einwandfreies Schalten der Reib- und Klauen¬
um
gewährleisten,
zu
Stillstand
längerem
des Antriebes
bevor sich andere Antriebsteile
zu
bewegen
beginnen.
Der Entwurf und die
Realisierung
Zusammenarbeit mit dem
dem LVV realisiert. Die
strategie
Ingenieurbüro Helbling
Umsetzung
5.1.4.4 Betriebsverhalten des
Die erzielten
Wirkungsgrade
i2-CVT
hydraulischen
samgang verwiesen,
wo
oberhalb
von
Leistungen
IMRT
Betriebs¬
[73].
Getriebes
des Getnebes sind gut. Stellvertretend sei in
Bild 5.1.19 auf die Bandbreite des
inklusive der
am
wurde in
Technik AG, Zürich und
wirkungsgradorientierten
der
Hydrauliksystem erfolgte
für das
Hydraulikkreislauf
des
Wirkungsgrades
des
Gesamtgetriebes,
Hilfsantriebe und des Differentials im
mit einem
4 kW
Wirkungsgrad
gerechnet
von
T|Getriebe
>
Lang¬
0.8 für
werden kann.
1.0
„0.8
£0.6
J<
p*"*"""
/
£0.4
/
|0.2 /
0
fl.8
"1.6
Sl.4
1
a
>»
(
"14
ö
*
i
Getriebeausgangsleistung [kW]
Bild 5 1.19 Wirkungsgrad der
eingangsdrehzahl von
A->
S
nem
=
i
1800
-Getriebes
min
setzungsvanatwn des Kettenwandlers
ratur
.
im
2
14
Langsamgang bei konstanter Getnebe-
Die Kurve zeigt
im
-
eine
Überlagerung
ganzen Betriebsbereich Die
betragt Tol
=
35-45 °C
einer
Uber-
Getriebeottempe-
5.1
Realisierung
Die
der
speicher
die
mögliche
Fahrzeug.
und
Hydraulikpumpen
transferierbare
Die
Begrenzung
beschrieben und in Bild 5.1.20
bei einer
Nullast. Die Verstellzeit
schnell ist
Tu
zur
zwischen
Leistung
kann entweder die
oder der durchsetzbare
Schwungrad¬
Ölzufuhr durch
Ölstrom durch den 4-Kanten-
Übersetzungsregelung
Schieber sein. Die Funktion der
Grosssignalverhalten
Randbedingung
des Kettenwandlers ist eine
Verstellgeschwindigkeit
für die maximal
97
Antriebskomponenten
ist in
[58] und [59]
exemplarisch abgebildet. Dargestellt ist
Eingangsdrehzahl von 2400 min"1 und
Durchquerung des Bereiches
länger als die Verstellzeit T,j
von
das
bei
langsam zu
in die entgegengesetzte
Richtung,
weil im ersten Fall der Widerstand der Rückstellfeder überwunden werden
Die maximale
muss.
erspannung
Us
Entwicklung
des Kettenwandlers erkennbar
Tu
resp.
dlers im Getriebe des
und
ist
an
den
Endlagen
der Steu¬
Im Rahmen der
(Bild 5.1.20).
Übersetzungsregelung ermittelte das IMRT die maximalen
der
Verstellzeiten
Verstellgeschwindigkeit
Td
und
Verstellgeschwindigkeiten
des Kettenwan¬
III Antriebes für verschiedene Lastfälle
ETH-Hybrid
Eingangsdrehzahlen (Bild 5.1.21).
Momentz=0 Nm, na=2400
»»ifin»
.
rpm,
Langsamgang
H i- IHi-IMi»
i
"»'<»
r>
3
g>2.5
i
§
°(0
2
1-5
"*n
1
o
0.5
a>
0
c5
~»ryt ~n.i'ir>i»iiil*n,~r
wA^^MrW^M!WV
8
1Q
12
Zeit [s]
14
16
18
20
Anpassung der Übersetzung i(t) mit maximaler Verstellgeschwindigkeit an
vorgegebene Sollübersetzung id. Der Bereich der Steuerspannung reicht von 0 3 V
Bild 5.1.20:
die
-
mit
Die
einer
Gleichgewichtslage je
Getriebeumschaltung
nach
Randbedingung zwischen
zwischen
Zugkraftunterbruch durchgeführt,
um
1.3 -1.5 V.
Langsam- und Schnellgang wird bei
einer
allfälligen Verspannung
des
98
5
Kettenwandlers
ert zwischen 50
250
-
500
vorzubeugen
-
150
ms wie in
Hydrauhkdruck,
ms
Betätigung
Dies fuhrt
zu einer
Klauen aufeinander treffen,
hat gezeigt, dass dies
ist
was zu einer
allem bei
Klauenkupplungen
von
etwa
vom
hydraulischen
zu
Wiederholung
niedrigen
dau¬
Die Schaltdauer wird
auch damit
Schaltvorgang verlängert
vor
des Antnebes
mittleren Schaltdauer
Olviskositat und dem
Klauenkupplungen
fuhren kann und den
einer
Bild 5 1 22 ersichtlich ist
der
beemflusst Bei den
Die
Realisierung
Die
Stellvolumen
rechnen, dass
des
zwei
Schaltvorganges
Erfahrung
am
Prufstand
Drehzahlen eintreffen kann
20 Nm
60 Nm
•
120 Nm
2000
2400
2800
Eingangsdrehzahl na
Bild 5 121
und
Tj
Last
und
(von schnell
zu
Dielizahleinftuss auf
langsam)
>i
sowie
3200
des CVT
3600
[min
1]
die Verstellzelten
maximale Vei
Tu (von lansam zu schnell)
stellgeschwindigkeiten des Ketten-
andlers des ETH Hybticl III Antriebes
CO
Rekuperation
<M
O)
c
Gangschaltung
J5
Q.
CL
TD
Q
I
135
Zeit
Bild 5 1 22 Zeitliche: Vei lauf einei
Getuebeumschaltunq
\om
Schnell-
in
den Lan<>sam-
eigentliche Umschaltung der vier Klauenkupplungen erfolgt innerhalb weni¬
als 300 ms Der Antrieb befindet sich w ahrend ca 700 ms im Betriebsmodus Getriebeumschaltung
gang Die
ger
15
[s]
5.1
Realisierung
der
99
Antriebskomponenten
Umschaltung
Die Zeitdauer der
die vorhandene Drehzahldifferenz
Drehzahldifferenz kann durch eine
im
der
am
Klauenkupplungen
Synchronkörper beeinflusst.
Antriebsstrang
während der
Laständerung
vorgerufen
werden. Erst nach dem Einlaufen der
Unter dem
Begriff Wärmemanagement
zusammengefasst,
ponenten auf ihre
Synchronringe
her¬
kann eine
erzielt werden.
-
optimale Betriebstemperatur
Abgasstrom
850 °C.
treten Wärmeströme
des VM
Demgegenüber
bewegt sich
abgeführt.
Die
Funktionen
bringen
auf zwei
oder dort
zu
hal¬
Temperaturniveaus
Temperaturbereich
von
werden die Wärmeverluste des Motorblocks,
von
gewählte Anordnung
Bild 5.1.23 ersichtlich. Die
zu
in einem
des Getriebes und der EM auf einem Niveau
wasser
diejenigen
werden all
die dem Zweck dienen, die verschiedenen Antriebskom¬
Antriebsstrang
Im
auf. Der
250
Klauenkupplungen
Umschaltung
Wärmemanagement
5.1.5
ten.
der
Diese
im Kettenwandler oder
Schlupfänderung
durch eine
optimale Betätigung
wird auch durch
zeitgerechte
60
-
100 °C über das Kühl¬
der Wärmekreisläufe ist
Zu- und
Abführung
von
aus
Wärme¬
erfordert einen flexiblen Kühl- und Heiz¬
mengen innerhalb des Antriebes
kreislauf.
Hauptkreislauf
Nebenkreislauf
{Aufwarmphase)
Nebenkreislauf (Betriebsphase;
Bild 5.1.23:
Warmekreislaiif mit dem Haupt-
und
Nebenkreislauf.
100
Wie
des Antriebes
Bild 5 1 23 auf der rechten Seite ersichtlich ist, wurde die Idee
in
verfolgt,
die Warme der
Abgase
Drei-Wege-Katalysator über
Betriebstemperatur
als Latentwarme
Zeit
eine
Betriebstemperatur
zu
zu
speichern,
60 h (ein
300 °C musste spater fallen
gelassen
Latentwarmespeichergefasses, infolge
Abgasstrang, erzeugten
mit
des
dem aggressiven
Beständigkeit
der
im
Katalysator
Labor erbracht
Drei-Wege-Katalysators
auf
Dichtigkeitsprobleme
des
Temperaturdifferenzen
im
werden
grosser
den
um
Wochenende) auf
einen
halten, konnte
Erhaltung der Temperatur
werden [47] Die
Gefahr für die
bis
von
zu
halten Der funktionelle Nachweis,
zu
über 40 Stunden auf
ca
Realisierung
5
Speichermatenal
Katalysatorwabe
NaOH
eine
und letztendlich für die
Umwelt
Der Kühlwasserkreislauf mit
teilt sich
in einen
benotigt wird,
einen
brennungsmotonschen
Der
der
Hauptkreislauf,
und
Hauptkreislauf
Betriebstemperatur
einer
im
gefährden
lauf liefert dem
(Temperaturregelung
Zylinderkopf
Abgase auf,
auf 600 °C
aus
über
eine
elektnsche
Um den VM
der
vor
im
die den
Kat)
Der
Katalysator
Hauptkreis¬
Lademodus Die Zirkula¬
Wasserpumpe
des VM
zu
Rekuperation
Leistungswiderstandes
sichergestellt
das
fuhrt der Nebenkreis¬
ab Der Nebenkreislauf
möglichst
schnell auf
Betriebstemperatur
genutzt, den VM
verkurzen [50] Bei
vorzuwärmen
zu
verfugt
Latentwannespeicher
pumpt das Kuhl-/Heizwasser
zum
VM
mechanischen Thermostaten
zum
Der
bnngen,
Kreislauf
ver¬
und den VM und
Fahrzeugluftkuhler
Kuhlkreislauf
wird
oder die Warm¬
entsprechend geschaltetem
bindet die elektnsche Pumpe den
einen
sowie
Zirkulationspumpe
Latentwarmespeicher
laufphase
ver-
BaOH, der den Phasenwechsel
Heizenergie
wird durch die
des Getnebes Bei starker
lauf die Warme des
im
und Motorenöl)
Der Nebenkreislauf kühlt die EM und den Wechselrichter
Hydrauhkol
80 °C
verbrennungsmotorischen Betneb
kühlt den VM (Block,
Latentwarmespeicher
Hauptkreislauf
-
oder elektrischen Betrieb aktiviert wird
bei 78 °C besitzt, die erforderliche
tion im
70
Nebenkreislauf, der je nach Kuhlbedarf
und nimmt die Uberschusswarme der
wurde
von
geschaltet
wird über
Realisierung
5.1
5.1.6
der
101
Antriebskomponenten
Steuerungssystem
Das
des
Steuerungssystem
ETH-Hybrid
III Antriebes
muss
folgenden
Anforderungen genügen:
Fahrzeugtauglichkeit
-
Konfiguration (unterschiedlichen
Flexibilität der
-
Aufbauten
den
an
Komponentenprüfständen)
Kompatibilität
-
Code
zu
Entwicklungswerkzeugen (automatisierte
Generierung)
Steuerungssystem gemäss
Am TIK wurde ein
derungen
modernen
entwickelt
[82]
und
den oben genannten Anfor¬
[83].
5.1.6.1 Hardware
Das
Steuerungssystem verfügt
einem Netzwerk
über eine zentrale Rechnerarchitektur mit
Transputern,
von
dessen
Rechenleistung
gen angepasst werden kann. Dabei wird mit einer
Messsignalaufbereitung,
nikation
nen
zum
Datenausgabe
Durch eine
integriert
Datenausgabe
den Prozess
die
Der Rechnerverbund ist über einen
verbunden. In einem
Trägerkarten
nen
(digital
zu
Alle weiteren
zur
VME-Bus1
potentialgetrennten
analog
mit der
übermittelt.
Prozessperipherie
Signalkonversio¬
umgekehrt) anwendungsorientiert
im Handel erhältlich. Für
spezielle Signale
ein
vorgenommen
sind diese sogenannten M-Module
wie die Drehwinkel- und Dreh¬
des Wechselrichters oder
1 Virtual Medsurement Extension-Bus Dies ist
werden.
Bereich können auf standardisier¬
Anwendungen
zahlaufbereitung, Ansteuerung
kön¬
d.h. sobald die Stell-
mit vorbereitetem VME-Businterface die
und
Transputer
Verfügung gestellt
Prozessperipherie
werden. Für verschiedene
transferrate
den Prozess und die Kommu¬
erfolgt asynchron,
an
die
können die aktuellen Messdaten bei
Transputern zeitgleich
an
Grundkonfiguration
werden.
spezielle Verteilschaltung
grössen ermittelt sind, werden sie
ten
an
Systembenützer sichergestellt.
modular in das Netzwerk
den erforderlichen
Die
die
den Anforderun¬
paralleler Datenbus
zur
kurbelwinkel-
mit einer hohen Daten-
102
5
synchronen Ansteuerung
innerhalb des
IMRT
Projektes
spezielle
Auf der
der
vom
und der
Zündung
Realisieruna des Antriebes
Einspritzung
TIK in Zusammenarbeit mit dem IEM und dem
M-Module entwickelt.
Instrumentierungsseite
werden die
Messsignale möglichst
Nähe der Sensoren in sogenannten Satelliten in normierte
und
zum
zentralen Rechner übermittelt.
den ebenfalls
delt. Diese
des VM wurden
Systemstruktur
von
in den
möglichst
in
gewan¬
einfache
Gesamtantriebsstrang.
Bild 5.1.24: Ansicht des M-Modules
tem
Stellsignale
Leistungssignale
bildet die Basis für eine
Teilsystemen
Signale gewandelt
werden die
Satelliten in
galvanisch getrennten
Zusammenführung
Analog
in der
zur Ansteuerung des Wechselrichters
Digitalem-Signal-Proze s.sor.
mit
integrier¬
5.1.6.2 Software
Da die einzelnen
Komponenten
an
kelt worden sind, ist klar, dass eine
Steuerungssystems notwendig
Die
dargestellt.
erfolgt
ausschliesslich über das
Schnittstellen
Spezifikation
erfolgt gemäss
Verbindung
der
der
des
am
modulare Struktur auch des
gewählte logische
Struktur ist in Bild
zwischen den einzelnen
Subsystem
Systemkomponenten
ereignisorientierten
Subsystemen
"Observation". So können die
modular strukturiert werden,
Funktionstüchtigkeit
Die
möglichst
ist. Die
5.1.25
unterschiedlichen Standorten entwik-
und
ist
eine
Überwachung
der
möglich.
Teils des
TIK entwickelten Methode
Antriebsmanagements
"Communicating
Inter-
5 2
Realisieiung
des
mit dem
acting Processes (CIP)" und
kontinuierlich arbeitenden
in
die ClP-Struktur
Jedes
wird,
stern besteht ein
-
-
-
-
das
Logische Stniktui
des
zeitsynchroner
als
Bereich betrachtet
der bei Bedarf durch zusätzliche
des
Steuerungss\stems, nach [83]
Antriebsystems erfolgte
entwickelt und
in
verschiedenen Schritten. In
Einzelkomponenten
und das
übergeordnete
erprobt.
[19, 21] (Entwicklung
i2-CVT
ANSI C
Antriebsystems
der ersten Phase wurden die
VM
und
in
zeitasynchroner Datenaustausch.
Der Aufbau des
-
geschrieben
werden
unterstützt werden kann. Zwischen den einzelnen Clu¬
Realisierung
-
Die
Transputer zugeordnet,
Bild 5 1 25-
System
gleichnamigen Werkzeug [22].
integriert.
Transputer (Slaves)
5.2
Regelkreise
Subsystem (Cluster),
ist einem
103
Antnebsystems
und
Anpassung
der
Regelung [78, 85])
Getriebe [76, 58, 59]
EM und Wechselrichter [87] und [49]
Steuerungssystem [83]
Komponenten- und Antriebsstrangmodellierung [73,
Fahrstrategiespezifikation [91]
75
-
77]
104
In
einer
einer
dritten Phase
und verbessert
erfolgte
strategien und Regelkonzepte
Das
System
menwirkung
einzelnen
ist vor
allem
die
am
der verschiedenen
[90, 65, 56, 57]
Überprüfung
der
Bedienungsseite
Komponenten
und
im
her und
mehr als
Deshalb werden diese
Komponenten
implementierten Fahr¬
Gesamtantriebsstrang
der
von
des Antriebes
Teilsystem VM-Schwungradeinheit-
zweiten Phase wurden das
Steuerungssystem erprobt
In
Realisierung
5
nur
Fahrzeug
der Zusam¬
in
die Summe der
Aspekte detaillierter
zwei
dargestellt
5.2.1 Mensch-Maschinen-Interface
Bedienung
Die manuelle
Fahrer bei der
Komplexität
Fahrer annähernd die
wagens
zum
der Gesamtheit aller
gleichen, gewohnten
Ausdruck
Bedienelemente
Fahrerwunsches
seines
wunsch wird dann durch das
die einzelnen
wurde den
Komponenten
des Antriebes überfordern Deshalb stehen dem
Steuerungssystem
Komponenten gegliedert
eines
Verfugung
zur
in eine
Personen¬
Der Fahr¬
Betriebsstrategie
für
und unter dessen autonomen Über¬
wachung umgesetzt
Dem Fahrer stehen
-
-
Fahrpedal
folgende
Der Winkel
Bedienelemente
entspricht dem
Verfugung
Gangwahlhebel
gramme P
Wie bei
(parken),
R
Antnebsstrang
Automatikgetrieben
Rad
am
Bremspedal Entspricht heutigem Senengebrauch, wirkt
die Radbremsen und wird durch den
-
zur
Wunschmoment
direkt auf
nicht beemflusst
können die
Fahrpro¬
(rückwärts), N (neutral), D (vorwärts) gewählt
werden
-
Rekuperationshebel
hebel
eine weitere
zelgange
des
mentenwunsch
bei
Schwungrad
Fahrprogramm
Automatikgetnebes
überstrichen werden
system
Im
am
D übernimmt der
Funktion Anstelle der üblichen
kann hier
Der Winkel
ein
entspricht
Gangwahl¬
Schaltung
der Ein¬
kontinuierlicher Winkel
dem
Rekuperaüonsmo-
Rad Der Winkelbereich wird durch das
Steuerungs¬
eingeschränkter Rekuperationsleistungsfahigkeit (z
bereits
gefüllt) begrenzt
B
5.2 Realisierung des
-
105
Antriebsystems
Fahrstrategiewahlschalter:
tro- oder
Wahl zwischen den
Fahrstrategien
Elek¬
Verbrennungsmotorbetrieb (eine hybride Fahrstrategie
wäre
möglich).
-
Zündschlüssel: Starten und Abschalten des
Dem Fahrer werden über ein
mationen über den Zustand des
telt. Die Grundanzeige
Drehzahlen
-
Fahrzeugs
vermit¬
Instrumente:
VM, EM, Schwungrad
von
Benzintank- und Batteriefüllstand
-
In textlicher
Darstellung
Gewählte
-
Eingelegter Gang
-
Zustandsmeldung
Warnungen
In Form
von
angezeigt:
des
des
Systems
Steuerungssystems
Warnleuchten wird dem Fahrer
Minimale
-
wird
Fahrstrategie
-
-
Batteriespannung
mitgeteilt:
unterschritten
Blinker
-
Fernlicht
-
Handbremse
betätigt
Systemfehler des Antriebssystems
-
Betätigung des
Auf den weiteren
verschiedenen
und
Not-Aus-Schalters
Anzeigeseiten
können
Temperatur-
Antriebskomponenten angezeigt
Abstimmung
Bildseiten durch das
effizient
und des
Infor¬
Übersetzungsverhältnis des Kettenwandlers
-
lung
Antriebsstranges
Anzeigeseiten
Fahrzeuggeschwindigkeit
-
-
auf mehreren
verfügt über:
Analog dargestellte
-
Display
Antriebsstranges
implementiert
von
am
werden. Für die Entwick¬
spezifischen Komponenten
TIK und
werden.
am
und Druckwerte der
können zusätzliche
LVV entwickelte
Werkzeug
zeit¬
106
5.2.2
nen
Komplexität
klare
Menge
untermauert
wo
der
Steuerung
Strukturierung
Aufgaben
tende
lich,
des Antriebes
Regelungskonzepte
Die
eine
Realisierung
5
Die
an
Die
und
Hierarchiebildung
notwendige Kaskadierung
gewählten Hierarchieebenen
System
System
Master
Logische
Struktur der
Betneb der einzelnen
Bild 5 2 1 ersicht¬
(Mechamcal)
zu
sehen ist
am
Beispiel des Clusters
M
zum
Verbrennungsluftverhaltnis, Zundzeitpunkt
und
Regelkreise aufgelistet,
sind
5 113)
Frequenz, Spannung und Wechselstrom der EM
[87] Die Regelungen sind lokal
erforderliche
aus
die
Drosselklappenposition (Kap
Elektromaschine
Geschwindigkeitsklassen
sind
Steuerung und Regelung
(Mechamcal)
Komponenten notwendig
Verbrennungsmotor
verarbei¬
zu
OBSERVATION
Zm Übersicht sind hier nochmals die
des
zwischen den verschiede¬
wird durch die
Struktur des Clusters M
Koordination
des Antnebes erfordert
Regelung
Informationen unterschiedlicher
beispielhaft die
Bild 5 21
und
im
Regelgeschwindigkeit
Wechselrichter integriert, da die
von
10 kHz die
Möglichkeiten
Steuerungssystems übersteigt
Hybrideinheit Anpressdruck
der
Reibkupplungen (Kap
5 13 2)
107
Reahsieiung des Versuchsfahrzeuges
5 3
Kettenwandlerubersetzung (Kap
-CVT-Getnebe
i
Hydraulikversorgung
Kaskadenregler oberhalb
Als
dei
des Fahrwunsches als Kraftwunsch
Regelungsaufgabe
am
Rad
zu
Fahrstrategien
zu
über die erforderliche
der
Regler
Umschalten
zum
Momentenwunschregelung
Sollubersetzung Unterlegt
Übersetzung des Kettenwandlers [26]
5 2 2 und
für diese
Der Wechsel
zwi¬
fuhren, d h die Fahrstiategie entscheidet
Reglern
aktivierenden
3)
Regelung
Typisch
betrachten
zwischen den verschiedenen Betriebsarten kann auch
über die
1)
5 14
ist die
Komponentenreglei
ist die Interaktion mit den
schen unterschiedlichen
5 14
Hybrideinheit (Kap
für CVT und
ist
als
und somit
Lageregelung
Der schematische Aufbau ist
in
die
Bild
[73] ersichtlich
Fahrpedal
-v'«4«
Sollwert
rt
umwandier
R Wunsch
fvd(t)
Integration
Übersetzung
Ubersetzungs
*^ll|p
regets) stein
fv(t)
'(t)f
ETH
Hybrid
Rad
III
MRtt)
Antrieb
Bild 5 2 2
5.3
nac
h [73]
Realisierung des Versuchsfahrzeuges
Das
Zielfahrzeug
wechsel wahrend der
ten
Sil uktur der Ki aftn unscln egelung
war ein
in
der VW-Golf Klasse
Projektdauer führte
Die Eckdaten des
(Golf III) sind
Fahrzeug
ursprunglichen
Tabelle 5 3 1
zu neuen
Masse- und
Golf II und des
dargestellt
Ein Modell-
Leistungsda¬
neuen
Fahrzeuges
108
5
Eigenschaft
VW Golf III
VW Golf II
Fahrzeugmasse (leer)
kg
900
Äquivalente trage
kg
50
60
07
07
0.012
0.01
1.3/53
1.6/55
Luftwiderstand
Masse
9
cw*A
irr
Rollwiderstandbeiwert c,
Motor
Hauptgrossen
5.3.1 Hauptdaten des
Der
-
(Hubvol./Leistung)
Tabelle 5.3 1:
dmVkW
1015
ursprünglichen Zielfahrzeuges
Golf-Klasse im Jahre 1996.
des
Gesamtanordnung
und des Vertreters der
Versuchsfahrzeuges
wurde für Fahrversuche in einen
Antriebsstrang
eingebaut (Bild 5.3.1).
die
Basisauslegung
Einheit
des Antriebes
Realisierung
Diese Plattform wurde
an
aus
Volkswagen
Sharan
Platzgründen gewählt,
verschiedenen Teilen
Sicherheitszugaben
da
auf¬
weist, bauraumtechnisch nicht optimiert ist und eine erhebliche Anzahl Sen¬
und Aktuatoren im Antrieb
soren
zeuges sind in Tabelle 5.3.2
chen
integriert
sind. Die
zusammengefasst. Gegenüber
des verwendeten Sharan
Seriengewicht
suchsfahrzeug zusätzliche 435 kg vorhanden.
ter aus
Stahl
gefertigt,
des Fahr¬
Hauptdaten
dem
Basisfahrzeuges
ursprüngli¬
sind im Ver¬
Dabei sind verschiedene Hal¬
die in einem weiteren Schritt durchaus durch Leicht¬
metalle ersetzt und in ihrer
Tragfunktion
verbessert werden können. Zusätz¬
lich ist in diesem Gewicht ein Datenerfassungsrechner inklusive einem 21"
Monitor
von
Mehrgewicht
stisch
25
kg
enthalten.
für den Aufbau
abgeschätzt
Folglich
am
können die
dynamischen
des Antriebes auf das
Fahrzeug
vor
kg
schen Prüfstand haben die veränderten
Nennleistung
des VM
von
spielt für die Abstimmung
allem der grössere Radradius
eine entscheidende Rolle. Den grössten Einfluss
Fahrzeuggewicht
360
werden.
Neben dem erhöhten Luft- und Rollwiderstand
Die
berücksichtigten
Prüfstand als durchaus reali¬
gegenüber
Betriebspunkte
9.5%
dynami¬
des Kettenwandlers.
45 kW skaliert nicht
des Sharan. Die anvisierten Ziele des
von
dem
gerade
ideal
Fahrversuches,
zum
näm-
5 3
Realisierung
des
lieh die Fahrbarkeit des Antriebes
aktuellen
auch der
benotigte
bes mit
einen
Bauraum des
lenprufstanden
ergrunden
In
ist in
können aber auch mit der
einem weiteren
Antriebsstranges
möglichen Aufbau
Schwungrad
an
zu
erreicht werden
Konfiguration
Studie über
109
Versuchsfahrzeuges
eines
Schritt musste
reduziert werden
weiterentwickelten
Eine
Hybndantne-
[35] skizziert Die Fahrversuche wurden auf Rol-
der EMPA
in
Dubendorf und
an
der
Ingenieurschule Biel
durchgeführt
Bild 5 3 1
Das ETH
Hybrid III Fahrzeug
Frontpartie
ist
gegenube r
basierend auf einem Volkswagen Shai
der Serie
Einheit
Eigenschaft
Fahrzeugmasse (leer)
kg
Rotierende Masse
kg
Luftwiderstand
7
cw"A
m~
Rollwiderstandbeiwert c,
Radradius
Motor
um
Tabelle 5 ? 2
dmVkW
Hauptgrossen des
cm
an
verlängert
ETH-Hybnd
III Sharan
2320
88
0 86
00133
-
m
(Hubvol /Leistung)
18
0 304
1 3/45
ETH Hsbnd III Fahl enges
Die
110
5.3.2
Antnebsstrang sind
dynamischen Prufstand verwirklicht
Die wesentlichsten
Abgassystem
dem Aufbau
gegenüber
einige Modifikationen
betreffen das Fnschluft- und
das
des Antriebes
Anpassungen des Antriebsstranges
Am
am
Realisierung
5
Anpassungen
des VM, den Wannehaushalt und
Steuerungssystem
Abgaskollektor
Der
wurde
Anordnung geändert Auf
vor
Katalysator nach
dem
Versuche auf dem
900 °C
Katalysator
Rohre bis
schnellen
dem
ist
zum
in
Vier-in-Ems-
eine
Wärmetauscher, der die Abgastemperatur
einen
oben
begrenzen konnte,
wurde verzichtet
Stationarprafstand ergaben Abgastemperaturen
Abgaskrummer
im
Platzgrunden
aus
und unterhalb 850 °C
hinter der Radantriebswelle
Katalysatoremtntt
Temperaturanstieg
Katalysator geht
die
sind
dem
vor
in
vor
dem
Katalysator
Katalysator
ins
Der
Bodennahe positioniert Die
doppelwandig ausgeführt,
Rohrfuhrung
Die
unterhalb
zu
um einen
gewährleisten
serienmassige
Hinter
Auspuffsystem
über Der Fnschluftsammler wurde dem vorhandenen Bauraum angepasst
und die
Drosselklappe
ist seitlich
angeordnet
Auf
einen
Luftmassenmesser
wurde verzichtet
Der Warmekreislauf ist auf
Abwarme des
Abgases
wurde
ein
zu
Minimum reduziert Auf die
Gunsten
einer
vereinfachten
Nutzung
der
Rohrfuhrung
verzichtet Auf der Fahrzeugseite entfiel der Anschluss des Heizsystems
Ansonsten ist der Warmekreislauf gemäss Bild 5 1 23
Das
tert
Steuerungssystem
Über
ein
Neben der
wurde
Display wird
reinen
um
die Schnittstelle
ausgeführt
zum
Fahrzeug
erwei¬
dem Fahrer die relevante Information angezeigt
Fahrinformation können durch die Wahl verschiedener
Bildschirmseiten zusätzliche Informationen wahrend dem Betrieb angese¬
hen werden
änderte
(vgl Kap
5 2
1) Die einzelnen Seiten können über
eine
abge¬
Schaltung der Bedienung der Geschwindigkeitsregelung angewählt
werden Zusatzlich ist die
riemanagers
ans
Anbindung
des
Batteneladegerates
Steuerungssystem realisiert worden
und des Batte¬
Untersuchungen am dynamischen
5 4
5.4
Untersuchungen
am
dynamischen Prüfstand
Am LVV wurde der Antneb auf dem
Die
Dynamik
massen
ist
und
des
einer
Fahrzeuges
111
Prufstand
wird
an
dynamischen Prufstand
diesem Prufstand mittels
geregelten Wirbelstrombremse
der Prufstand für Abtnebsdrehzahlen ab
den
ETH-Hybnd
ferential
Übersetzung
den
4 1
integnert
-
dargestellt
Halbwellenausgang
Hochtreibergetnebe
ein
Für
das Dif¬
-
mit der
festen
integnert Für die Simulation des Fahrzeuges wurde
von
folgenden Fahrzeugdaten ausgegangen
Einheit
Wert
kg
1360+140
Rotierende Fz-Masse
kg
60
Luftwiderstand
m2
07
Radradius
m
Fz-Masse (Leer
+
Zuladung)
Rollwiders tandsbeiwert
Tabelle 5 41
Eckdaten des
Umgebungsluft
Fahrzeugs
0 01
bezogen
am
dynamischen Prufstand
spezifische Luftkonditionierung
betneben Die elektnsche
wurde ab dem 220 V-Netz
0 274
-
Der Prufstandsaufbau wird ohne
und
Speisung
bewegt
des
eine
CVS-Anlage
Ermittlung
der
fortlaufend
aufintegnert
sich zwischen 200
Oltemperatur
Abgase
250 W
werden
Eine
Zur
der Schadstoffe werden die Messwerte
Beutelmessung
durchgeführt Sämtliche Messungen
d h die
-
konditioniert und kontinuierlich gemessen
Gesamtbelastung
mit
Steuerungssystems
Gleichstrom bei 12 V, d h der Generator ist unbelastet Die
über
Schwung¬
Normalerweise
Getnebeausgang ausgelegt
III Antneb wurde nach dem
ist hier bereits
untersucht
über
wurden bei
Teiizyklen
warmem
des VM ist jeweils oberhalb
von
VM
wurde nicht
durchgeführt,
40 °C
5.4.1 Konstantfahrt
Die Verbrauchswerte wurden einerseits unter den
legten Fahrzeugwerten gefahren
und
sind
in
in
Tabelle 5 4 1
Tabelle 5 4 2
darge¬
dargestellt
112
5
Zusätzlich ist
Bild 5 4 1 der Drehzahlverlauf des
Fahrzeuggeschwindigkeit
und die
zu
in
verdeutlichen,
ist der
mitabgebildet
bes
Geschwindigkeiten
ode bei 30 km/h
rerseits
Beim
wird bei 30 km/h die
Geschwindigkeit
[km/h]
des
Um die Betnebsweise noch
zeitlichen
Leistungsbedarf
Kettenwandlerverstellnchtung
Rad
am
Wirkungsgrad
[1/100km]
Antrieb [-]
4 37
0116
30
1461
3 46
0 160
40
2 192
351
0 177
50
3 131
3 35
0 212
65
5 047
3 80
0 231
71
6 017
4 27
0 225
=
0 02
ergeben sich Verbrauchswerte
Geschwindigkeit
[km/h]
Leistung am
[kW]
Rad
bei ebener Fahrt
nach Tabelle 5 4 3
Benzinverbrauch
[1/100km]
12
0 996
6 52
0 144
23
1986
551
0 178
33
3 010
5 29
0 196
41
3 951
4 76
0 230
49
5 030
4 92
0 237
55
5 944
5 13
0 239
61
6 962
5 53
0 234
Tabelle 5 4 3
Konstantfahrverbrauch
Gangen mit
deutlich
0 939
Mit cr
auf, und ande¬
Benzinverbrauch
Konstantfahrverbrauch
den
längere Taktpen¬
Rad
21
Tabelle 5 4 2
Getne¬
bei
Verlaufs
zwischen den beiden
Umschaltung
Leistung am
[kW]
des VM
Übersetzungsverhältnisses des
Vergleich
reduziertem
des Antriebes
Schwungrades,
30 und 50 km/h, fallen einerseits die
infolge
Inversion der
einer
ersichtlich
Verlauf des
Realisierung
beim Rollwiderstandsbetwert
(cr
-
0
02)
5.4
Untersuchungen
Im
die
aus
Vergleich
am
zum
113
Prüfstand
dynamischen
Bestwert dieses VM
Antriebswirkungsgrade
im Bereich
von
von
i\
0.322
=
2-12% der
(260 g/kWh) sind
Nennleistung durch¬
gut. Verbrauchswerte mit der EM konnten auf dem dynamischen Prüf¬
stand nicht gemessen
Fahrzeugeinbau
zur
werden, da der verwendete Wechselrichter
Verfügung
stand
.
"»»»«• 30 km/h
.
.
eoi
50
—w—~—~~—.
^_^~
für den
(vgl. Kap. 5.5.1).
Konst. 5« km/h
.
erst
40
30
—.
o
^
l.
4000
20
.
.
.
1
40
©o
so
100
J
1
»—
—
20'
20
o
—
~
40
40001
eo
-~v-
bo
100
.
Bild 5.4.1: Geschwindigkeit, Schwungrad- und Motordrehzahl und Über¬
setzungsverhältnis des Kettenwandlers bei Konstantfahrt 50 und 30 km/h.
5.4.2 Genormte
Testzyklen
dynamischen Prüfstand
Am
Geschwindigkeit)
gehend
von
können die
der Abtriebsdrehzahl wird auf die
und dem Fahrer
zum
wurde mit einem
Die
vorgegeben
Der Benzinverbrauch
Pierburg Durchflussmessgerät (PLU)
aus
der
gemessen
und
Kohlenstoffbilanz der
auf 5% überein.
Ergebnisse
-
werden. Aus¬
Geschwindigkeit geschlossen
Soll-Ist-Vergleich angezeigt.
stimmt mit dem errechneten Verbrauch
Abgase
gewünschten Fahrprofile (Zeit
dem Fahrer über einen Monitor
des ECE-R15/04 sind in der Tabelle 5.4.4 ersichtlich.
114
5
Grenzwert
Einheit
Verbrauch
Grenzwert
FAVld)
1/100km
g/km
0 25
CO
g/km
21
NO,
g/km
0 62
HC+NO,
g/km
C02
g/km
4.765 ± 1%
-
0 126 ±5%
-
22
1 18+1%
0.45 + 1%
-
05
-
-
des Antriebes
Messergebnisse
IIb)
Euro
-
HC
Realisierung
0 576 ± 2%
106.9+1%
-
a)Schweizergrenzwerte bis 1996 nach FTP-75 Mode gefahren
b)Europaischer Grenzwert ab 1996 nach NEFT mit Kaltstart.
mit
Kaltstart
Tabelle 5.4 4. Verbrauchs- und
dem
Beim
Vergleich
Emissionsergebnisse des ETH-Hybnd III Antriebes auf
dynamischen Prufstand im Benzinbetrieb (warm)
des Verbrauchs mit dem
1.6 1, 55 kW Ottomotor,
Verbrauchseinsparung
von
4.77 1/100 km
brauch
Als
bung
von
1990
Durchführung
Annahme
zung des
weg
zu
zu
der
geleitet,
III Antriebs bei einem Verbrauch
dem
Basisfahrzeug
mit einem Ver¬
für die Emissionswerte ist die
Emissionsgesetzge¬
verwenden, auf die der VM ausgelegt worden ist. Die
Messungen
dass das
ermöglichen.
bei
warmem
Antrieb
Wärmemanagement
war
einerseits
Andererseits
Abstimmung
war
von
der
durch die Latentwärmehei¬
die Infrastruktur
des Kaltstarts des VM nicht
von
am
Messbeginn
Motorenprüf-
verfügbar.
FTP-Zyklus
Im FTP-75
brauch
gegenüber
Golf III,
[46]) ergibt sich eine
nach
Katalysators in der Lage ist, die Abgaskonversion
stand für eine
5.4.2.1
ETH-Hybnd
46%
kg
8.9 1 Benzin.
Vergleichsbasis
von
des
von
Referenzfahrzeug (VW
1015
Leergewicht
von
Stadtzyklus
erzielt der
4.995 1/100km Benzin bei
ETH-Hybrid
warmem
III Antrieb einen Ver¬
Betrieb.
5 4
Untersuchungen
5.4.2.2 Zürcher
Der Zürcher
am
115
dynamischen Prufstand
Innenstadtzyklus
Innenstadtzyklus entspricht
tischen Bereich der Stadt Zürich unter der
dem Fahrverhalten im innerstäd¬
Vermeidung
von
grossen
gen und Gefällen. Er wurde während dem Feldversuch mit 20
Golf II
Hybridfahrzeugen
werden: Der Verkehr verhält sich
gungs- und
Bremsphasen
Die Zeitanteile der
bezüglich Durchschnittsgeschwindigkeit,
gemittelte Beschleunigung
wie der Durchschnitt des ECE-R15/04
Beschleunigung
sind markant kleiner als in beiden
tisch
in den Beschleuni-
und der
Zyklus.
Verzögerung entsprechen
dem
Die Konstantfahrtzeitanteile und die mittlere Fahrtdauer
Zyklus.
FTP-75
Völkswagen
[18] und kann wie folgt charakterisiert
ermittelt
Zeitanteil des Stillstandes,
Steigun¬
Zyklen,
d.h. in Zürich wird relativ hek¬
gefahren.
In diesem
Zyklus erzielte
der
Tabelle 5.4.5, der mit einem
44 kW Ottomotor mit einem
Zyklus
5.4.3
III einen Verbrauch
gemäss
Serienfahrzeug Völkswagen Golf III, 1.3 1,
Prüfgewicht von
1135
kg verglichen wird [18].
ETH-Hybrid III [1/lOOkm]
GolfIII,44kW[l/100km]
5.88
10.85
Zürcher Innenstadt
Tabelle 5.4.5:
ETH-Hybrid
Verbrauchsvergleich warm
im
Zürcher Innenstadtzyklus.
Rekuperation
Die Koordination des
i2-CVT
wendige Voraussetzung für
und der
einen
Schwungradeinheit
effizienten
stellt eine not¬
Rekuperationsbetrieb
dar
[73, 92].
Der
Wirkungsgrad
des
Rekuperationsbetriebs
kann
Prüfstand sehr gut ermittelt werden. Dabei stellt das
mit der
Geschwindigkeit vstart,
nun, wieviel
von
send zurück ins
Bild 5.4.2
dieser
Energie
einen
ins
dynamischen
zur
Zeit tstart
dar. Es interessiert
transferiert und anschlies¬
Fahrzeug gespiesen werden kann.
abgebildet.
Fahrzeug
Energiespeicher
Schwungrad
am
Die Transienten sind in
116
5
Berechnung
Bei der
des
Realisierung
Rekuperationswirkungsgrades
des Antriebes
die beno¬
muss
tigte Energie für die auftretende Luft- und Rollreibung bei der Bestimmung
des
Rekuperationspotentials berücksichtigt
Ubertragungswirkungsgrad
darf nicht dem
angelastet
die
werden
(5
Berücksichtigung
jz
^Rek
werden (5 4 3) resp (5 4 4) und
4
Kurzzeitenergiespeichers
des
1) Die Voraussetzung ns
bereits
start
gespeicherter Energie
jz
,
KinFEnh
im
=
ns
Ende
vermeidet
Schwungrad
DissiBc%<n
.
P
_
~
f
Zf
^KinFilul
2
=05
FKm
mit
U
CDm,ß(,
mF_
vx
(5 4 2)
ED,ssiBlll,r
J(05
PL Ch
A
V'
+
Cr mFz
8
V>*
{54V
EDissiBlll
j(°5
PL Cm
A
vi
+
Cr
«
V^dt
<5 4 4>
und
Die
=
Auswertung der Versuchsergebnisse
perationswirkungsgrad
bei
längeren
051
aus
Bild 5 4 2
Dabei ist
Wirkungsgrad
abnimmt Bei hohen Brems- und
Gewicht fallt
(vgl Kap
zu
ergibt
einen
Reku-
berücksichtigen,
durch die
dass
Luftreibung
des
Beschleunigungsgradienten
4), da die umgesetzte
Leistung
gleichbleibende Verlustleistung proportional
reduziert
Wirkungsgrad
steigt und die nahezu
ins
r|R^
Stillstandszeiten der
Schwungrades
steigt der
von
=
mFz
an
5 5
5.4
Untersuchungen
am
117
dynamischen Prüfstand
Rekuperation
80
und
90
Beschleunigung
100
ab
110
2
j5
/
1.5
(0
S
c
1
/
0
0.5
80
i:
A
c
r
Schwungrad
\l
"
Wf^Ul*~^W
0
100
110
120
Zeit [s]
Bild 5.4.2:
Messergebnisse einer Verzögerung des Fahrzeuges ab 70 km/h mit
gradrekuperation und einer anschliessenden Beschleunigung.
Schwun-
5.4.4 Transiente Betriebsartenwechsel
Beim Betrieb des
artenwechsel auf.
ETH-Hybrid III Antriebes
Stellvertretend werden
treten verschiedene Betriebs¬
folgende
zwei
Fälle genauer
betrachtet:
-
-
Wechsel zwischen Taktbetrieb und
Überlandbetrieb
Wechsel zwischen Taktbetrieb und
Rekuperationsbetrieb.
5.4.4.1 Wechsel zwischen Taktbetrieb und
Beim Wechsel zwischen Taktbetrieb und
völlig
neue
Überlandbetrieb
Überlandbetrieb wird
in eine
Antriebskonfiguration übergegangen (vgl. Kap. 2.3.3).
Der
118
5
Wechsel
zum
Taktbetnebsgrenze hegt
der
Wie
erfolgt,
Uberlandbetneb
oberhalb des Taktbetnebes
gleichzeitig
und
aus
dem
Richtung,
Wie
das
Schwungrad
aus
was an
der
Übersetzung
dem Verlauf der
entladen ist
Leistungswunsch
Schwungrad befriedigt
werden
Die
des Kettenwandlers erkennbar wird
Schwungraddrehzahl
Beschleunigungsleistung
lich die
ein
wechselt beim Betriebsartenwechsel
Anpassung der Getnebeubersetzung
die
sobald der Fahrerwunsch oberhalb
Bild 5 4 3 deutlich wird, kann für kurze Zeit
in
des Antriebes
Realisierung
teilweise
aus
zu
dem
sehen ist, wird
anfäng¬
Schwungrad geliefert,
dass auch der Momentenwunsch annähernd erfüllt werden kann Sobald
so
Schwungrad
das
Uberlandbetneb
che
entladen
gewechselt
Motorleistung
über
eine
abgekoppelt
und
In der
neuen
ist,
wird
Betriebsart
zur
wird die erforderli¬
Konfiguration
Drehzahlanpassung eingestellt
Die dazu beno¬
tigte Beschleunigungsleistung für die tragen Massen fehlt kurzzeitig
Rad,
wie
Kap
4 3
Im
beim Wechsel
die
muss
(vgl
Bild 5 4 3 deutlich zeigt
dargestellt,
Man konnte
häufigem
Uberlandbetneb
vom
zum
Leistung des VM reduziert werden Dazu wird,
der VM
sich
Takt¬
wie in
Bild
gedrosselt
überlegen
Betriebsweise fuhrt aber bei
und
in
2)
umgekehrten Fall,
betneb,
5 4 4
der Verlauf des Radmomentes
am
den VM
auch
abzustellen
ganz
Diese
kurzzeitigen Fahrwunschschwankungen
zu
An- und Ausschalten des VM mit dem Nachteil der Startverluste
Emissionsspitzen
Die Drehzahl des VM und der Zwischenwelle
wunsch angepasst und
Trägheiten verzögert
folglich
die
muss
dem
reduziert werden Die kinetische
Leistungsanpassung
an
Leistungs¬
Energie
der
den Fahrwunsch kurzzei¬
tig
Dieses unerwünschte Verhalten konnte mit dem Einsatz des
des
bereinigt
werden
Anstelle
mit
Schwungraddrehzahl anzugleichen,
wird, konnte
beschleunigt
mit
einem
dem
Schleifen der
und die rotierenden Massen
gert werden Diese Regelung
von
CVT
bevor die
die
Kupplung
Kupplung
in
Schwungra
Zwischenwelle der
K3
K3
das
geschlossen
Schwungrad
wesentlich kürzerer Zeit
K3 erfordert
aufgrund
verzö¬
der Sensitivitat des
5.4
Untersuchungen
am
119
Prüfstand
dynamischen
die die
hydraulischen Regelkreises eine Regelrate,
installierten
Leistungsfähigkeit
Steuersystems nicht zur Verfügung stellen
Wechsel
vom
Taktbetrieb
zum
des
kann.
Ueberlandbetrieb
Schwungrad
Verbrennungsmotor
n
500
Q
0
Wechsel_T_U
-500
org
Zeit [s]
Wechsel
vom
Taktbetrieb
Aw
zum
Ueberlandbetrieb
Fahrerwunschmoment
-
-
y^Y/v
Moment
am
Rad
"200-
1
«150-
i
/
Steuerspannung 4-Kantenschieber
/ \r
^'
N'/w
Kettenwandlerübersetzung
\^jj
§
E
o
\
50
KiY
\y
j
zw-
Wechsel_T_U_org
5
Zeit
Bild 5.4.3:
Übergang
zum
[s]
Taktbetrieb in den Überlandbetrieb während einer Beschleu¬
nigung.
Beim
Übergang
zum
Taktbetrieb wird zuerst die Drehzahldifferenz
Schwungrad aufgehoben,
die
Reibkupplung
K3
geschlossen
und
je
zum
nach
120
5
Drehzahlniveau
grenze
von
ein
3600
Ladezyklus
des
Schwungrades
Realisierung
bis
zur
des Antriebes
oberen Drehzahl¬
durchgeführt
min
Wechsel
vom
Ueberlandbetrieb
zum
Taktbetrieb
Verbrennungsmotor
Schwungrad
! 1500
$
Drosselklappenwinkel
1000
(3
Wechsel_T U org
24
26
28
30
Zeit
Wechsel
'S
300
36
[s]
Ueberlandbetrieb
zum
Taktbetrieb
/W^^l
-
Steuerspannung
~
vom
34
32
\
4 Kantenschieber
-
v—^^^~^^
100
^^~^-|
Kettenwandlerubersetzung
Fahrerwunschmoment
i-
^
r /
,r
-
IV
fßflflj* "\r\
>vwA
Rekuperationswunsch
Moment
am
Rad
\a
-
300
,
,
,
,
Wechsel T_U org
30
Zeit
[s]
Bild 5 4 4
Übergang \ om Uberlandbetneb in den Taktbetrieb bei der Beendigung einer
Beschleunigungsphase und anschliessendem Wechsel in den Rekuperationsbetneb
Die Drehzahl des
obwohl die
Schwungrades steigt
Reibkupplung K3 geöffnet
ist
m
der Zeit
Dies ist
vor
eine
Sekunde 30 an,
Folge
der Luftrei-
5.5
Untersuchungen
bung,
einer
der
am
121
Rollenprüfstand
Lagerreibung
zwischen
möglichen Reibleistung
Schwungrad
in der
Reibkupplung.
5.4.4.2 Wechsel zwischen Taktbetrieb und
Der Wechsel zwischen Takt- und
facher als der Wechsel
stranges zwischen
Dieser
Schwungradspeicher
des Radmomentes
perationshebel vorgegeben
tionsbetrieb wird der VM
und
zum
unabhängig
am
Verbrauchsmessungen
Fahrzeug
über
bestimmt wird. Für die
Übergang
zum
das
Rekupera¬
Betriebspunkt abgeschaltet.
für die Konstantfahrten auf dem
Messgerät durchgeführt,
Fördervolumen
der
einer
am
Rollenprüf¬
wobei das
Flügelzellenpumpe
Zyklenverbrauchswerte
Emissionsmessungen
Der Fahrwiderstand des Sharans wird
werten des
Man erkennt das gute
Rollenprüfstand
Bestimmung
Kohlenstoffbilanzen der
unverändert bleibt.
Wunschmoment, das über den Reku-
vom
stand werden mit einem Flowtronic
Treibstoffvolumen
ist wesentlich ein¬
da die Struktur des Antriebs¬
werden kann. Beim
Untersuchungen
Die
Rekuperationsbetrieb
Übergang ist ebenfalls in Bild 5.4.4 dargestellt.
Folgeverhalten
5.5
Rekuperationsbetrieb.
Überlandbetrieb,
zum
und der Zwischenwelle und
werden die
verwendet.
Prüfstand
von
den Widerstands¬
Basisfahrzeug abgeleitet.
Rollwiderstandszahl cr:
0.0133
Testmasse mFz:
2270
Luftwiderstand
cw*A:
kg (Testmasse
0.8588
der
Gewichtsklasse)
m2 (gemäss Werksangaben)
5.5.1 Konstantfahrverbrauchswerte
Der Verbrauch für Konstantfahrt im Taktbetrieb ist in Tabelle 5.5.1
zusammengefasst.
Die
Messungen
stellten Rollwiderstand,
durchgeführt.
wurden mit einem
entsprechend
Deshalb stellen die
am
Prüfstand
einge¬
der Rollwiderstandszahl cr= 0.0106,
Leistungen nicht
genau den Verlauf des
122
5
Realisierung
des Antriebes
realen Fahrwiderstandes dar Der zeitliche Verlauf für 30 und 50 km/h
Bild 5 5 1
festgehalten
Taktzeiten kurzer,
Im
Vergleich
was eine
Folge
zum
Zielfahrzeug (Bild
des erhöhten
zeuges ist Der verschobene Bereich der
5 4
ist in
1) sind die
Leistungsbedarfs
des Fahr¬
Übersetzungsverhältnisse
entsteht
durch den grosseren Reifenradius beim Sharan Der Verlauf der Geschwin¬
digkeit,
leichten
die
von
der Abtnebsdrehzahl des Getnebes
Schwankungen
Betätigung
des
Diese
Abweichungen
Gaspedals, gekoppelt
Geschwindigkeitsanzeige
im
mit
abgeleitet
ist,
unterliegt
sind durch die menschliche
der
begrenzten Auflosung
Fahrzeug, begründet
der
Im Elektrobetneb erge¬
ben sich Verbrauchswerte gemäss Tabelle 5 5 2
Geschwindigkeit [km/h]
Radleistung [kWJ
Benzinverbrauch [l/100km]
Wirkungsgrad [ ]
16
1093
6 00
0 129
20
1397
5 63
0141
30
2 255
6 05
0141
45
3 923
5 14
0 192
50
4613
4 89
0214
60
6 240
531
0 223
70
8 252
5 52
0 243
72
8 706
5 58
0 246
Tabelle 5 51
Konstantfahrverbrauch
des Sharan
auf dem Rollenprufstand
Geschwindigkeit [km/h]
Radleistung [kW]
Batteneleistung [kW]
Wirkungsgrad |-]
10
0831
3 246
0 256
13
1093
3 503
0312
16
1 360
3 897
0 349
20
1730
4 042
0 428
25
2 223
4 641
0 479
30
2 756
5 230
0 527
Tabelle 5 5 2
Konstantfahrverbrauch im elektrischen Betrieb des
Rollenprufstand Verbrauch ab Bleibattene
Sharan
auf dem
5.5
Untersuchungen
D
am
40
20
123
Rollenprüfstand
60
80
1C
4000
3000
'
2000
-
1000
f (1 f (|
3000
'\
ä
c
«
0
1000
\\j\
\
/
\
I
-1000
-2000
2-1000
20
Zeit
40
[sj
Zeit
60
80
100
[sj
Bild 5.5.1: Geschwindigkeit, Motor- und Schwungraddrehzahl und Über¬
setzungsverhältnis des Ketten wandlers für 30 km/h (links) und 50 km/h (rechts) des
Hybrid III Versuchsfahrzeuges auf dem Rollenprüfstand.
5.5.2 ECE-R15/04
Zyklus
Durch den erhöhten
des
Leistungsbedarf
Schwungrades (Bild 5.5.2).
punkte
des
Schwungrades
Als
wenig
variiert die Anzahl der
Folge
und dessen
der Einfluss nicht allzu gross, da der
nur
Ladezyklen
verändern sich auch die Betriebs¬
Reibleistung.
Wirkungsgrad
Auf den Verbrauch ist
der
gelieferten Energie
variiert.
Anders sieht dies bei den Emissionen aus,
starts
ETH-
eine entscheidende Rolle
Abweichungen
vom
wo
spielt. Deshalb
die Anzahl der Motoren¬
treten
hier beachtliche
Mittelwert auf. Der Verbrauchsvorteil im Versuchsfahr¬
zeug ist beachtlich (Tabelle
5.5.3), wobei ein direkter Vergleich
zum
Refe-
124
5
renzfahrzeug
nur
bedingt
Motorisierung verfügt,
aber auch einen
Realisierung
des Antriebes
darf, da dieses über eine stärkere
gezogen werden
die einerseits tiefere
Teillastpunkte
zur
Folge hat,
grösseren Kundennutzen darstellt.
400
350
450
500
550
600
650
700
750
800
4500
4000
3500
3000
£2500
J2000
Ü
1500
D
VM
1000
Schwungrad
Zwischenwelle
500
Getriebeeingang
\} \**-~ry^
-V^V-ftvl^J
0
-500 l
350
400
450
500
550
600
650
700
"r^SftyftJ*
750
800
Zeit [s]
Bild 5.5.2: Ausschnitt
aus einem ECE-R15/04 Zyklus des ETH-Hybrid III im
suchsfahrzeug, gefahren auf dem Rollenprüfstand.
Test
Zyklus
ECE-R 15/04
ETH-Hybrid
7.99
+
III
3.8%
Sharan Ver¬
Referenz
13.9a)
a)VW Sharan, 2.0 I, 85 kW Ottomotor. Leergewicht 1715 kg.
Tabelle 5.5.3: Benzinverbrauch des
ETH-Hybrid III Antriebes
im Sharan.
Untersuchungen
5 5
am
Die Emissionswerte des
sind in Tabelle 5.5.4
Fahrzeuges
[g/km]
HC
139+18%
0 30
CO
125
Rollenprufstand
[g/km]
+
56%
NOx [g/km]
0 29 ±21%
dargestellt.
Cö2 [g/km]
185 4 ±3.7%
Tabelle 5 5 4- Emissionswerte des
ECE-R15/04
5.5.3
NEFZ1
An der
mit reduzierter
gefahren. Dabei
Fahrzeugen
Vergleichsbasis
sollte eine
den. Dazu wurde im ausserstädtischen Teil des
nisse sind
ETH-Hybrid
zu
aus
von
120 km/h auf 80 km/h
III
den
im Leicht-Elektro-Mobilversuch in Mendrisio
geschwindigkeit
ermöglicht
Zyklus (EUDC)
gesenkt [54].
Fahrzeug
eingesetzten
Die
Motoröltemperatur
von
wer¬
die Höchst¬
Messergeb¬
Tabelle 5.5.5 ersichtlich. Beim Kaltstart wird der VM bis
Erreichen einer
im
Spitzengeschwindigkeit
Biel wurde mit dem
Ingenieurschule
der NEFZ
ETH-Hybnd IIIAntriebes im Versuchsfahrzeug
Zyklus bei warmem Antriebsstrang
40 °C permanent bei 1800
zum
min"1
betrieben.
NEFZ
CO
[g/km]
HC
[g/km]
NOx [g/km]
C02 [g/km]
Verbrauch
[l/100km]
Kaltstart
1 13
0 18
0 25
176.3
7.57
Warmstart
0 86
0 16
0 23
166 64
7 14
Tabelle 5 5 5 Messergebnisse
im NEFZ mit Höchstgeschwindigkeit 80 km/h des
Hybrid III Versuchsfahrzeuges bei kaltem und warmem Antriebsstrang
Verschlechterungsfaktoren der Emissionen sind 1.0
Die Verbrauchsdifferenz zwischen den
start
des
beträgt
Zyklus
an, der EUDC Verbrauch ist innerhalb 1% in beiden
Zyklus
Zyklus benötigt
1 NEFZ steht für Neuer
120 km*
das
Fahrzeug
resultiert ein Verbrauch
von
Zyklen
der¬
im EUDC 6.77 l/100km, im
6.701/100 km.
Europaischer Fahrzyklus Er beinhaltet einen Stadtteil (ECE) und einen
Driving Cycle EUDC) mit einer Höchstgeschwindigkeit
ausserstädtischen Anteil (Extra Urban
von
mit Kalt- und Warm¬
5.7%. Dabei fällt der Mehrverbrauch während des ECE Teiles
selbe. Im kalten
warmen
Messungen
ETH-
126
5
Im
Vergleich
den
zu
vierplatzigen Elektromobilen,
(LEM)-Versuch
Mobil
brauchswerte des
Realisierung
in
die
im
ETH-Hybnd
im
Leicht-Elektro-
[69] sind die Ver¬
Mendnsio eingesetzt werden
III Antnebes
des Antriebes
Sharan
in
Tabelle 5 5 6
zusammengefasst
Verbrauch
Verbrauch
Fahrzeug
Betnebsart
Einheit
im
'NEFZ-
im
Mendnsio" pro
"NEFZ-
Tonne Leermasse
Mendnsio'
Elektro
kWh/ 100km
20 0
18 26
Peugeot 106
Elektro
kWh/100km
17 1
14 76
VW
Elektro
kWh/100km
20 9
13 8
Renault Clio
Elektro
kWh/100km
194
16 87
Honda EV
Elektro
kWh/100km
22 0
13 62
Benzin
1/100km
7 57
3 33
Citroen Saxo
Citystromer
ETH-Hybnd
III
Tabelle 5 5 6 Vergleich der Verbrauchswerte
im
NEFZ
Fahrstrecke und
5.5.4
Rekuperation profitiert
kann der
Energiespeicher
Bild 5 5 3
das
in
Rekuperation
Die
einen
spezifisch über der
reduzierten
mit
Mendnsio) über der
Faghrzeugmasse
Höchstgeschwindigkeit (Messmethode für LEM-Fahrzeuge
aufgezeichnet
vom
schwereren
Versuchsfahrzeug
voll ausgenutzt werden Die
ist,
ergibt
mit der
Rekuperationswirkungsgrad r|Rek
=
Dadurch
Rekuperation,
Auswertung
gemäss
Kap
die
in
5 4 3
051 und kann somit die Werte für
Zielfahrzeug bestätigen
5.5.5 Transiente
Im
Fahrzeug
Umschaltungen
lassen sich die transienten
len Dabei ist das Zuschalten des VM
kaum
sofern
spurbar
er
im
Schaltvorgange
Taktbetneb akustisch hörbar, aber
Wie anhand Bild 5 5 3 deutlich wird, kann
unter grosserer Last
erfolgt, gut
sehr gut beurtei¬
ein
Gangwechsel,
erkannt werden, da die
Zugkraft-
5.5
Untersuchungen
Unterbrechung
Beschleunigung
eine
Bei moderatem
127
Rollenprüfstand
am
oder
Leistungsfluss erfolgt
der
Verzögerung
markant unterbricht.
Gangwechsel relativ
Rekuperation irrt Versuchsfahrzeug bis
max.
weich.
Schwungraddrehzahl
Schwungraddrehzahl
Verbrennungsmotordrehzahl
15
20
30
25
35
Zeit
40
45
50
55
[sj
Bild 5.5.3:
Rekuperationsvorgang und anschliessende Beschleunigung bis der VM wie¬
Schwungrad wird bis zu seiner Maximaldrehzahl beschleunigt. Der VM
Sekunde 53 gestartet, vorher ist er ausgekuppelt und steht still (Rauschen auf
der startet. Das
wird nach
dem
Die
Umschaltung
lauf des
geschätzten
in den
Drehzahlsignal).
Überlandbetrieb ist deutlich spürbar.
Momentes
am
Rad in Bild 5.5.4 kann
den. Bei Sekunde 132 wird in den
Zugkraftunterbruch
sung
der
Schnellgang geschaltet,
könnte
das Moment
am
man
dem
Schwungrad
Sekunde
zur
Verfügung
136 wird in den
beschleunigt werden,
so
Rad auf Null
um
den VM
Steuerspannung
zurückgeht.
Solange
steht, wird das Moment
Überlandbetrieb gewechselt.
dass
Kettenwandlerübersetzung
angepasst,
durch den
erkennen, dass während des
anschliessend wird der Fahrwunsch deutlich erhöht.
aus
nachempfin¬
was
einem Momenteneinbruch führt. Bei höherer Auflö¬
zu
Messaufzeichnung
Umschaltvorganges
man
Den Ver¬
am
Rad ein
möglichst
schnell
zu
Leistung
aufgebaut.
Der VM
Leistungsdefizit
wird mit der maximalen
die
Gleich
Bei
muss
entsteht. Die
Verstellgeschwindigkeit
beschleunigen.
Dies ist
des Vier-Kantenschiebers erkennbar, der in die
an
der
Sättigung
128
5
geht Derselbe Vorgang
mit
umgekehrten
Realisierung
des Antnebes
Vorzeichen ist bei Sekunde 142
und 143 erkennbar
Wechsel
zw
sehen Taktbetneb und Ueberlandbetrieb und zurück
Schwungrad
.§.
1000
Verbrennungsmotordrehzahl
130
135
140
Zeit
145
[s]
Wechsel zwischen Taktbetrieb und Ueberlandbetrieb und zurück
Fahre
rwunschmomerv}
Moment
135
Umschaltung
wahrend
betrieb
in
einer
Rad
140
Zeit
Bild 5 5 4
am
[s]
Beschleunigung
im
Versuchsfahrzeug
den Uberlandbetneb und zurück
vom
Takt
6
Vergleich
Beim
um
die
zwischen Simulation und
Vergleich
Abschätzung
Modell basierenden
der
System
Übereinstimmung
schen Verhaltens des
ist),
experimentellen
Einerseits interessieren
vor
Daten
geht
es
und der der auf dem
integrale Grössen;
in
allem der Verbrauch. Andererseits soll
zwischen Simulation und Versuch des
ETH-Hybrid
Gegenüberstellung erfolgt
zeug
Messung
Genauigkeit der Modellierung
Aussagen.
dem hier betrachteten
auch die
Simulation und
III Antriebes
überprüft
dynami¬
werden. Die
sowohl für die Anordnung im virtuellen Zielfahr¬
(VW Golf III, der auf dem dynamischen Prüfstand abgebildet worden
als auch für das
Versuchsfahrzeug (basierend auf dem VW Sharan).
6.1 Verbrauch bei konstanter Fahrt
6.1.1
Vergleich
Mit dem
der Verbrauchswerte des
Vergleich
Antriebes kann die
Zielfahrzeuges
des Konstantfahrtverbrauchs im Betriebskennfeld des
Modellierung integral überprüft
rekte Betriebskennfelder der
Komponenten sowie
rung des Kettenwandlers in seinem
werden. Dazu sind kor¬
eine
dynamischen
genügende Modellie¬
Betrieb für den Takt¬
betrieb erforderlich.
Der gemessene Konstantfahrtverbrauch
aus
simulierten Betriebskennfeld des Antriebes
aus
Bild 6.1.1
zu
Tabelle 5.4.2 und 5.4.3 ist im
(Bild 4.1.1) eingetragen. Wie
entnehmen ist, stimmen die
Ergebnisse grossenteils
gut überein. Die Abweichungen liegen unterhalb
von
5%.
sehr
130
6
Verbrauchskennfeld des
gemessene
o
Vergleich
Der
für das
ner
Vergleich
im
VM-Betneb
Fahrt
Verbrauch[l/100km]
zwischen Ziel- und
von
zwischen der Verbrauchssimulation und den Messwerten
durchgeführt.
wurde
entlang
Die Messwerte
der Fahrwiderstandskurve bei ebe¬
von
Tabelle 5.5.1 werden in Bild
Simulationsergebnissen gegenübergestellt.
3% mit den
Die Simulation stimmt
Messergebnissen
Umschaltung
Umschaltphase gedrosselt
die
Zugkraft
Verbrauchskennfeld weit
stellt der ganze
vom
jedem
der
Drosselvorgang
inner¬
Takt der VM
werden muss, da während der
unterbrochen wird. Der tiefe
von
Gängen
überein. Die grosse Differenz im
Umschaltbereich kann damit erklärt werden, dass bei
während der
(Fahr¬
Versuchsfahrzeug
mit Ausnahme des Umschaltbereichs zwischen den beiden
halb
Messung
[l/100km]
Leistung am Rad [kW]
mit angegebenem
Betriebspunkte
Versuchsfahrzeug
6.1.2 den
III
Simulation und
Vergleich simulierter und gemessener Verbrauchswerte im Taktbetrieb
zeug mit 1500 kg Masse, auf dem dynamischen Prüfstand).
Bild 6.1.1:
6.1.2
Hybrid
Vergleich
optimalen
Teillastpunkt
ist im
Vollastlinie entfernt. Zudem
eine Transiente mit grossen
Abweichungen
Stationärzustand dar. Der erhöhte Fahrwiderstand des Versuchsfahr-
zeug verursacht während des
chung
eine
erhöhten
grössere
Schaltvorganges infolge
Drehzahldifferenz über der
Kupplungsverlusten
führt.
der
Zugkraftunterbre¬
Kupplung K2,
was
zu
131
6.1 Verbrauch bei konstanter Fahrt
Verbrauchsvergleich Simulation-Messung
am
Versuchsfahrzeug
X
Messwerte und
Interpolation
+
Simulation und
Interpolation
-
-
„5 8
E
10
30
20
50
40
70
60
80
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Bild 6.1.2: Verbrauchsvergleich zwischen Messung auf dem Rollenprüfstand (c,
0.0106) und Simulation für das Versuchsfahrzeug (Fahrzeugmasse 2270 kg) entlang der
=
Fahrwiderstandskurve bei ebener Fahrt.
Der
Wirkungsgradvergleich
Versuchsfahrzeug
Wirkungsgraddifferenz
Die
den und
liegt
des Konstantfahrverbrauchs
kann in der Simulation
in den unterschiedlichen
beiden Testaufbauten die
von
nachempfunden
Betriebspunkten begründet.
beim
Versuchsfahrzeug),
schiebung
6.1.3
gleiche Fahrgeschwindigkeiten
die beim
des Kettenwandlers
Verbrauchsvergleich
an
Bereichsgrenze
eine
Versuchsfahrzeug korrelieren
vom
Wirkungsgrades
Betriebspunktver¬
verursachen.
des Elektrobetriebes im
Die Messwerte des elektrischen
(tiefere Rad¬
und höhere Widerstandskräfte
Versuchsfahrzeug
die
Versuchsfahrzeug
des
Antriebsstranges
im
Verlauf her sehr gut mit der Simulation,
die auf den Kennfeldern der EM und des Wechselrichters basieren
6.1.4).
wer¬
Da bei
der ebenen Fahrwider¬
Messergebnisse entlang
standskurve verwendet werden, kumulieren sich zwei Effekte
drehzahl für
Ziel- und
dargestellt.
ist in Bild 6.1.3
(Bild
132
6
Wirkungsgradvergleich zwischen
Messpunkte Versuchsfahrzeug
Messpunkte Zielfahrzeug
4
und dem
Wirkungsgradvergleich
Antriebsstrang
Messung
5
am Rad
[kW]
gleicher Leistung zwischen dem Versuchsfahrzeug
im virtuellen
Zielfahrzeug
bei
Vergleich Elektroantrieb Simulation-Messung
=
und
Versuchsfahrzeug
+
Leistung
bei
Ziel- und
x
3
Bild 6.1.3:
Vergleich Simulation
0 35
x
—
Messwerte
im
im
Simulation für
Konstantfahrt
in der Ebene.
Versuchsfahrzeug
Versuchsfahrzeug
Versuchsfahrzeug
0 25'
"10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
Fahrgeschwindigkeit [km/h]
Bild 6.1.4:
Vergleich der Simulation und der gemessenen Wirkungsgrade des Antriebes
0.0133.
von der Batterie bis zum Rad im Versuchsfahrzeug mit cr
im Elektrobetrieb
=
6.2 Verlauf
Die
der
von
Transtenten
Abweichung
Verkabelung
nen
im
-2.7% kann durch die zusätzlichen Widerstände in
von
Abweichung
und der
Sinusform erklärt werden
des
als
Messung
genügend
Übereinstimmung
Die
von
einer rei¬
aus
Schwungrades
Höchstgeschwindigkeit auf 34
von
57%. Dies
zeigt
eine gute
als
km/h
Überein¬
Bild 4.2.3.
Transienten im
ECE-Zyklus
Qualität der Simulation kann überprüft, indem gemessene und
berechnete Drehzahl- und
lus
die
Wirkungsgrad
mit den Simulationen
6.2 Verlauf
von
zwischen Simulation
mit den Verlusten des
Beschleunigungsreserve begrenzen
stimmung
Maschinenspeisung
genau betrachtet werden. Die Fahrwiderstände
Versuchsfahrzeuges gekoppelt
bei einem maximalen
der
(vgl. [87]). Für die Abschätzung des elektri¬
schen Verbrauches kann aber die
und
133
ECE-Zyklus
verglichen
Geschwindigkeitsverlaufe
im ECE-R 15/04
igkeit
der
6.2.1
Vergleich
Modellierung
am
der Antriebsdynamik dar.
Zielfahrzeug
Der zeitliche Verlauf der Drehzahlen innerhalb des ECE-R 15/04
stimmt für die
Teilzyklen
dem Losfahren das
beschleunigt.
Detail. Im
Zyk¬
werden. Die simulierten Verläufe stellen ein Mass der Genau¬
2 bis 4 überein, beim ersten
Schwungrad
vom
Teilzyklus
des
vor
Stillstand in den Taktbetriebsbereich
Aus diesem Grund betrachten wir den zweiten
Vergleich
Zyklus
wird
Geschwindigkeitsverlaufs
Teilzyklus
im
in Bild 6.2.3 ist das Ver¬
halten eines modellierten Fahrers im Falle der Simulation einem menschli¬
chen Fahrer mit dem realen
Antriebsstrang gegenübergestellt.
In Bild 6.2.1
ist der zeitliche Verlauf verschiedener gemessener Drehzahlen des Antriebes
aufgetragen.
Der
Vergleich
Drehzahl des VM und des
Die
Übereinstimmung
zwischen Simulation und
Schwungrades
in Bild 6.2.2
zwischen Simulation und
verbrauches ist mit einer Differenz
<
Messung
ist für die
dargestellt.
Rechnung
4% gut. Unterschiede sind
des
Zyklus¬
vor
allem in
134
der
6
Reibleistung
des
Schwungrades erkennbar,
stungen oder im Stillstand
ten des VM
Vergleich
an
gewinnen.
Einfluss
beim gemessenen Verlauf teilweise
Ausschnitt
aus
die bei
Simulation und
geringen
Messung
Antriebslei¬
Zudem sind beim Zuschal¬
Drehzahlschwankungen
dem ECE-R15/04 gemessene Drehzahlverlaufe
4000
3500
3000
2500
c
£2000
c
Jü
S
1500
n
CD
Q
1000
VM
Getriebeemqang
Kk~
220
200
Zwischenwelle
Schwungrad
240
260
280
i_^Jw
300
320
340
360
380
400
Zeit [s]
Bild6.2.1: Gemessener Verlauf der Schwungrad-, der Zwischenwellen-, der Getriebeein¬
gangs- und der Drehzahl des VMfür das Zielfahrzeug im ECE-R15/04 Zyklus.
Ausschnitt
aus
dem ECE-R15/04
Vergleich Simulation-Messung
Schwungrad Mess
VM Mess
Schwungrad
Sim
VMSim
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
Zeit [s]
Bild 6.2.2:
Vergleich
der simulierten und gemessenen Drehzahlen des Schwungrades und
VMfür das Zielfahrzeug im ECE-R]5-04 Zyklus.
des
6.2 Verlauf von Transienten im
135
ECE-Zyklus
ersichtlich (bei Sekunde 252 in Bild 6.2.1), die auf einen
unregelmässigen
Momentenaufbau beim VM-Start zurückzuführen sind.
Ausschnitt
aus
dem ECE-R15/04 Vergleich
Simulation-Messung
60
Messung
50-
-
Simulation
30
8
&
-
,
20
if
1
\
l
'1
il
,ECE_ 8
220
200
260
280
320
300
360
340
8 _02
380
400
Zeit [s]
Bild 6.2.3:
Geschwindigkeitsverlauf im simulierten und gemessenen ECE-R]'5/04 Zyklus
des Zielfahrzeuges.
6.2.2
Vergleich
im
Versuchsfahrzeug
Die schwerere Masse und die
ten
Einhaltung
die
des
Dynamik
des realen
geforderten Geschwindigkeitsprofils (Bild 6.2.4).
Zudem ist ein erhöhtes Messrauschen erkennbar, das
und der
gemeinsamen Speisung
Fahrzeug herrührt.
in Bild 6.3.1
Die
von
Antrieb und
von
der
dargestellt. Entgegen
Schwungrades
dem Verlauf im
nach
Verkabelung
Datenerfassungsgerät
Der gemessene Drehzahlverlauf über einen
Drehzahlniveau des
chendem
Fahrzeuges erschwer¬
Teilzyklus
im
ist
Zielfahrzeug
ist das
jedem Teilzyklus infolge
abwei¬
Leistungsbedarf des Fahrzeuges unterschiedlich.
qualitative Übereinstimmung zwischen
kann auch für das
Versuchsfahrzeug
Simulation und
erzielt werden
(Bild
Messung
6.3.2). Dabei wird
klar, dass kleine Veränderungen je nach Betriebszustand des Fahrzeuges
deutlich unterschiedliche Reaktionen, d.h.
wird während der
Beschleunigung
Zustandsübergänge,
auf 50 km/h
(ab
erzeugen. So
Sekunde 120 in Bild
136
6.2.4 und Bild
ren.
Vergleich
6
6.3.2) in der
Simulation und
Messung
des Versuchs im Taktbetrieb
ersten Phase
In der Simulation wird direkt im Drosselbetrieb
gefah¬
beschleunigt.
Eine
kleine Differenz beim Fahrwunsch kann diese Differenz auslösen. Wie
Gangwechsel
gleichzeitig
mit
Ausschnitt
-10
betriebenem VM.
aus dem
ECE_R15/04 Vergleich Simulation-Messung
EMPA3_12_eceteil2
'
'
'
'
'
'
'
'
'
'
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Zeit
Bild 6.2.4:
gegenüber
fahrzeuges
führt
dem
zu
-
Zyklus
Zielfahrzeug
vermehrtem
erhöhte
Leistungsbedarf des
D.h.
die Differenz
ECE-Teilzyklus
von
eine breite
Folge
Streuung
7.49 1/100 km im ECE-
zwischen rechnerisch ermitteltem und
gemessenem Benzinverbrauch erhöht sich beim
6.3
Versuchs¬
mit Motorbetrieb. Als
Gangwechsel
8.18 1/100 km) bei einem Mittelwert
auf.
Zyklus
Versuchsfahrzeuges.
weist auch der Verbrauch für einen
(6.68
200
[s]
simulierten und gemessenen ECE-Rl5/04
Geschwindigkeitsverlauf im
des
Der
Verbrauch sehr sensitiv auf
Kap. 6.1.2 diskutiert, reagiert der
bereits in
Versuchsfahrzeug
auf 6.8%.
Batteriemodellvergleich
Das in
Kap. 3.2.3 erstellte Batteriemodell
eingebauten Blei-Vlies-Batterien überprüft.
wurde mit der
Entladung
der
Zu diesem Zweck wird als Bei-
6.3
spiel
so
137
Batteriemodellvergleich
bei einem Konstantstrom
Entladung
die
entnommene
Leistung entspricht etwa
I
von
=
verglichen.
32 A
des Zielfahr¬
Leistungsbedarf
dem
Die
zeuges bei 50 km/h.
Ausschnitt
dem ECE_R15/04 gemessene Drehzahlverläufe
aus
4500
4000
3500
3000
v'/i
£2500
g
.§2000
2 1500
VM
Q
Getriebeeingang
Zwischenwelle
1000
Schwungrad
500
'tV
lv**fv^v->1A>*tfcfJ*iY'\
EMPA3,.12_eceteil2
,
-500
40
20
100
80
Zeit
Bild 6.3.1: Gemessener
120
Verlauf der Schwungrad-,
Ausschnitt
4500
aus
dem
180
Zyklus,
Versuchsfahrzeugs.
des
ECE_R15/04 Vergleich Simulation-Messung
1
1
'
4000
3500
hzahlen
Dre
i\j o o
1
^
A
l
t hw
r
\\
(^M
-.
-i
Ar-
tu o o
cc
—
\
i\'\
XH/'iAJ
\
i
w
\
i<\
i
\"'f\ 1
}
3000
[min-1]
200
der Zwischenwellen-, der Getriebeein¬
und des VM im ECE-R15/04
gangsdrehzahl
160
140
[s]
\
if
-
/
\
r
p
1
\
'
s
'
/
vy
i
Schwungrad Mess
VM Mess
oo
-;
Schwungrad
Sim
-
VM Sim
500
1
-500
i
i
0
,
.
'
'
i
i
.EMPAS^.ecefeiß
,
80
100
Zeit
Bild 6.3.2:
Vergleich der simulierten
120
140
160
und gemessenen Drehzahlen des
des VM im
180
200
[s]
Versuchsfahrzeug.
Schwungrades
und
138
6
Der Verlauf der
Klemmenspannung ist
rie wurde dabei nicht
der Simulation eher
in Bild 6.3.4
in Bild 6.3.3
vollständig entladen.
optimistisch
Vergleich
Simulation und
Messung
Die Batte¬
aufgetragen.
Das Entladeende wird aber
berechnet. Der
Entladewirkungsgrad
von
wird
verglichen.
C1-Barteneentladung
eines
12V-Modul Vergleich Simulation-Messung
1500
Entladezeit [s]
Bild 6.3.3:
Spannungsverlauf bei
tem
der
Entladung
Strom 1=32 A. Die Batterie
C1-Batterieentladung
eines
eines 12 V-Batteriemoduls mit konstan¬
war
12V-Modul
bei
Entladungsbeginn
voll.
Vergleich Simulation-Messung
^^^^m^^
0 92
~~-~^^*S«s
:
-
Nv
09
-
X*
CO
^0
88
If
-
*
*
"b
§0
\
\
\
86
'S
c
*
tu
Messpunkte
0 84
-
0 82
Simulation
\
-
Entladezeit
Bild 6.3.4:
Vergleich
des
"
[s]
Entladewirkungsgrades bei
einer Konstantstromentladung
1=32 A zwischen einem 12 V-Battenemodul und der Simulation.
von
Bewertung des Energieverbrauchs
7
In diesem
und anschliessend die
vorgestellt
fälle des
wird die Methode des
Kapitel
ETH-Hybrid
Life-Cycle-Assessments kurz
Bewertung
III Antriebes
der verschiedenen Betriebs¬
durchgeführt.
Das Ziel dieser Betrach¬
tung ist eine Gegenüberstellung und Wertung des Einsatzes
Elektrizität im
von
Benzin und
Zielfahrzeug.
7.1 Problematik
Bei
Hybridantrieben
stehen mindestens zwei
des Fahrwunsches
lung
Energieeinsatzes
werden. Hier soll
brauch im
kann,
um
müssen die
nun
Fahrzeug
eine
zur
der
Verfügung.
Zur
Energieformen
Bestimmung
Energieträger gegenüber gestellt
Frage nachgegangen werden,
und dessen
vorgelagerten
möglichst objektive Vergleichsbasis
Es stellen sich zwei
"Life
schaffen.
zu
zu
legen,
objektiv verglichen werden
so
Herstellung
es
gestatten, die
dass die verschiedenen
können?
Cycle Assessments
ganzheitliche Vergleichsmethode für Produkte
Cycle
werden
Energieformen objektiv zu vergleichen?
7.2 Die Methode des Life
Als
Energiever¬
Hauptfragen.
b) Wie sind die Systemgrenzen
Betriebsarten
optimalen
verglichen
a) Welches sind relevante Grössen und Verfahren, die
verschiedenen
Erfül¬
und bewertet
wie der
Prozesse
zur
des
Assessment
oder
Systeme
(LCA)" angewendet, das den ganzen
der Materialien für die
wird das
Prozess der
Produktion, den Betrieb des
Systems,
140
die
7
benotigte Betnebsenergie
und die
Standardisierungsprozess
Organisation)
und SETAC
Aufwendungen
des
Energieverbrauchs
für die
Entsorgung/
Diese Methode durchlauft momentan
Wiederverwendung berücksichtigt
den
Bewertung
(International Standardisation
bei der ISO
of Environmental and
(Society
Toxicology
and
Chemistry) [43] [71]
7.2.1
Beschreibung
Die
der LCA-Methode
wichtigsten Voraussetzungen und
Konsistenz Alle betrachteten
Systemgrenzen
und
einer
Analyse
sind
sollten mit der selben
Systeme
Wichtig
hensweise bearbeitet werden
nierten
Merkmale
ist die
Verwendung
Vorge¬
der defi¬
vergleichbare Eingangsdaten für alle
Teilsysteme
Transparenz:
Ergebnisse
Die
den verwendeten
keiten
begleitet
Vollständigkeit
nachgelagerten
Betrieb und
LCA ist
ten und
hang
eine
Eine
dass die
Analyse
Entsorgung
Methode
zur
Produkt, die
Vorgehensweise gliedert
Erarbeitung
mit den
Ergebnisse
sich
im
in
alle
Materialien
sind, aber auch alle
berücksichtigen,
von
Ungenauig-
nachvollziehbar bleiben
möglichst
sollte
des Produktes
Erfassung
gemachten Annahmen,
und den vorhandenen
die umweltrelevant
Prozesse
potentiellen Auswirkungen
mit einem
-
Eingangsdaten
sein, so
berücksichtigen,
müssen
notwendig
und
sind
umweltrelevanten
auf diese
vor-
die für die Produktion,
Eigenschaften
in
Eigenschaf¬
Zusammen¬
gesamten Produkteleben auftreten Diese
drei Phasen
Ausgangsstoffe
Systems, wobei auch Zwischenstoffe, die innerhalb
Systemgrenzen auftreten, enthalten sein können
eines
Inventars aller relevanten Ein- und
des betrachteten
der
-
-
Bestimmung der Wirkungspotentiale der Ein- und Ausgangsstoffe auf
die verschiedenen Umweltaspekte
Interpretation der Ergebnisse aus dem Inventar und deren Zusammen¬
fassung auf die Wirkungspotentiale im Vergleich zu den Zielen der
Analyse
7.2 Die Methode des Life
LCA ist eine
von
Cycle
141
Assessments
verschiedenen Methoden
zur
Abschätzung
Risikoanalyse,
die Umwelt. Andere Methoden sind z.B.
kungen auf
ortbezogene
Umwelt-Audits oder relative
der Auswir¬
Grenzwertbelastungen.
LCA Methode werden keine ökonomischen oder sozialen
stand¬
Mit der
berück¬
Aspekte
sichtigt [43].
7.2.1.1
Zielsetzung
und
Systemgrenzen
In einer ersten Phase ist die
betrachteten
Systems
Systemgrenzen
Studie erreichen
Abgrenzungen
7.2.1.2
Die
zu
Erstellung
Eingangsqualitativ
und
zu
Umfang des
der LCA und der
definieren. Dabei ist
nötig festgelegt werden,
beachten, dass die
zu
um
die
Zielsetzung
der
können. Es ist Wert auf messbare und klar definierte
zu
legen.
Beschreibung
und
klar
soweit wie
Zielsetzung
des Life
Cycle
Inventars
(LCI)
des LCI ist die Phase des LCA, in welcher die relevanten
Ausgangsflüsse
quantitativ
des
Systems für ein spezifisches Produkt
bestimmt werden. Dabei handelt
tigte Ressourcen und die emittierten Schadstoffe.
es
sich
um
benö¬
Es sind dies Stoffflüsse in
Luft, Wasser und Boden als Masse pro Einheit des erwünschten Systemout¬
puts.
Die
der
Erstellung
gesammelten
hänge, ergeben
material,
eines Inventar ist ein iterativer Prozess. In
sich teilweise
neue
Bedürfnisse nach zusätzlichem Daten¬
oder Grenzen werden erkennbar, die eine
sung erforderlich machen,
nen.
um
die
Zielsetzung
Datenerhebungsanpas¬
der Arbeit erreichen
Es ist auch denkbar, dass eine vertiefte Erkenntnis des
Anpassung
der
Systemgrenzen
oder der
Fragestellung
gung,
usw.
Ausgangsstrom
Systems
eine
wobei
Abfallentsor¬
hilfreich sind. Es müssen auch die rekur¬
siven Abläufe innerhalb des bearbeiteten
der
kön¬
aufgebaut,
Rohmaterialverarbeitung, Transportbedürfnisse,
Komponentenfertigung
zu
erfordert.
Sinnvollerweise wird ein solches Inventar modular
Module für
Abhängigkeit
Daten und den Erkenntnissen über die Prozesszusammen¬
Systems modellierbar sein;
eines Schrittes in einem
Raffinerieprozess
z.B.
ist Schweröl
142
7
und dieses kann durchaus wieder als
Prozess
Verwendung
7.2.1.3 Life
werden die
und die
gewünschten Aussagen
Diese Phase besteht
aus
Ergebnisse
vorgelagerten
aus
dem LCI auf ihre
dieses Schrittes ist die
zu
betrachtenden Umweltwirkkrite¬
beeinflusst.
den Elementen der
sierung, Normalisierung und
ten
in einem
der verschiedenen Umweltwirkkriterien untersucht. Dabei
Bearbeitungstiefe
rien durch die
wenigen
Energieverbrauchs
(Schweröl als Treibstoff eines Rohöltankers).
finden
Analyseschritt
Beeinflussung
zu
Eingangsstrom
des
Cycle Impact Assessment
In diesem
werden die
Bewertung
Bilden
Aggregation
von
von
Klassifizierung,
Wertigkeiten.
einer Vielzahl
Kennzahlen. Diese umweltrelevanten
die Summe, der auf eine Referenzsubstanz
Wirkkategorien
Emissionswerten
beinhal¬
Wirkkategorien
bezogenen Wirkintensität
verschiedenen Emissionen. Für den Treibhauseffekt ist
substanz. Die verschiedenen
Hauptaufgabe
Die
von
Charakteri¬
C02
der
die Referenz¬
sind in Tabelle 7.2.1
zusam¬
mengestellt.
Neben den
Wirkkategorien gemäss
Primärenergie, aufgeteilt
gie, analysiert [25]
Eine
[89]
zu
und
Tabelle 7.2.1 wird auch die
[39].
vollumfängliche Beschreibung
finden. Hier soll
bezogen
aller
Wirkkategorien
auf die anschliessende
Wirkkategorie Treibhauspotential (Global Warming
Aufteilung
der
benötigte
in erneuerbare und nichterneuerbare Primärener¬
Primärenergie
ist in
[24] oder
Anwendung
Potential
die
GWP) und die
genauer beschrieben werden.
Wirkkategorie Treibhauspotential (GWP)
Für Stoffe, die wesentlich
werte
zum
Treibhauseffekt
definiert worden, die das relative Potential
rotstrahlung verglichen
mit der
beitragen,
zur
sind Parameter¬
Absorption
Absorptionsfähigkeit
von
angegeben.
Die
Infra¬
CO2 aufzeigen.
Dabei wird dieser Parameter für verschiedene Zeithorizonte
und 500 Jahren
von
Referenzpotentiale (Emission
von
20, 100
kg
mit dem
in
7.2 Die Methode des Life
werden
der verschiedenen Substanzen
Gewichtungsfaktor multipliziert)
zum
143
Cycle Assessments
GWP addiert.
Referenzsubstanz
Klassifikation
Wirkkategorie
Treibhauspotential
GWP
kg C02-Aquivalent
Ozonabbaupotenti al
ODP
kg CFC11-Äquivalent
Versauerungspotential
AP
kg SC>2-Aquivalent
Photo -Chem Oxtdatioa (inkl
POCP
kg Ethylen-Aqujvalent
WS
kg S02-Aquivalent
NP
kg
HCA, HCW, HCS
Grenzwertbelastung
kg Korpergewicht
Winter
NOx)
Smog
Phosphati sierungspotential
Humantoxizitat
für Luft, Wasser, Boden
Okotoxizitat
im
-Äquivalent
von
Grenz Wertbelastung
ECA
Wasser
P043
von m
Wasser
Abwarme
TJ
-
Tabelle 7.2.1:
und
Umweltwirkkategorien
GWP20
[kg C02
aeq
Referenzsubstanzen
GWP100
]
[kg C02
aeq
1
1
1
CH4
62
24 5
75
Halon-1301
6200
5600
2200
N20
290
320
180
HFC-R134a
3300
1300
420
4300
1700
520
CFC-II
5000
4000
1400
CFC-12
7900
8500
4200
Tabelle 7.2.2:
Klassifizierungsfaktoren für das Treibhauspotential verschiedener
Substanzen nach [42].
Aufgliederung
Die
[33].
GWP500[kgCO2aeql
]
co2
HCHC-22
gemäss
der
Primärenergie
Energieressourcen
Primärenergie
setzt sich
zusammen.
aus
erneuerbaren und nicht erneuerbaren
144
7
Bei den erneuerbaren
elle
Energie
eingesetzt.
in Form
von
Wasser in einem
Schliessung
zur
mitberücksichtigt
werden die
des
Wasserspeicher
C02-Kreislaufes
Produkte
Energieverbrauchs
zur
potenti¬
Primärenergie
als
Primärenergie dar,
wobei die
und der Abwärmebilanz
wird [24]. Bei den nicht erneuerbaren
Tage geförderten
zu
des
wird die Wasserkraft als
Beim Holz stellt der Baum die
Holzbildung
gie
Energieressourcen
Bewertung
Energieressourcen
Bestimmung
der Primärener¬
verwendet.
Hu [MJ/Emheitl
Einheit
Nicht erneuerbare
energetische
Erdolgas (Entstanden
Ressourcen
Nm1
40 9
Rohgas(Erdgas)
Nm3
35
Rohöl ab Bohrloch
t
42600
kg
8
kg
18
kg
900000/460000
Rohbraunkohle
vor
in
Kombinationmlt Erdöl)
Forderung (für durchschnitt!
Einsatz
in
UCPTE-Krattwerken)
Rohtovdersteinkoble
Einsatz
in
vor
Aufbereitung
(tur durchschnittl
UCPTE-Kraftwerken)
Uian ab Erz (0 7% U235, inkl /exkl Energieinhalt des
U235 im abgeieicherten Uran/ in abgebrannten Brennele¬
(oberer Hetzwert)
menten)
Emeueibuie
Potentielle
Holz
im
energetische
Ressourcen
Eneigie (Wasser)
'*
1
Wald (atro)
a)Dies
ist
Tabelle 7.2.3:
keine thermische sondern
1000m Hohe
Aufteilung
18500
der energetischen Ressourcen in die
Energieinhaltes
Primärenergieklassen und
nach [24].
Interpretation
Die LCA-Methode ist ein
Entscheidungshilfsmittel.
Die relative Gewich¬
tung der verschiedenen Wirkkategorien ist nicht einfach
hängt
0 00981
potentielle Energie
einen Anhaltswert des
7.2.1.4
kg»
t
von
der
verfolgten Fragestellung
zu
definieren und
ab. Dies ist ein Schritt, der eine
gewisse Subjektivität beinhaltet, die bis heute nicht
zu
eliminieren ist.
7.3
Anwendung
7.3
des LCA auf den
Anwendung
ETH-Hybrid
145
III Antrieb
des LCA auf den
ETH-Hybrid
III
Antrieb
Zielsetzung
7.3.1
Die
der
und
Zielsetzung
Systemgrenzen
dieser Arbeit
Primärenergie
liegt
in einem
Auswirkungen
und den
Vergleich
auf die
von
aufzuwenden¬
Erwärmung
Umwelt durch die verschiedenen Betriebsarten, die mit dem
unserer
Fahrzeug mög¬
lich sind. Basierend auf den Wirkkriterien
Treibhausgase und Primärenergie
unter der
Stromherstellungsarten
Berücksichtigung
verschiedener
und der Schweiz soll der Einfluss der Betriebsarten
Die
Beurteilung
der vorzuziehenden
Betriebsphase, ausgehend
Demzufolge geht es
fahrzeuges
an
nicht
einem
von
um
sich, sondern
die
um
verglichen
Verfügung
Beurteilung
der
Europa
werden.
ist eine
Energieform
zur
in
Frage
stehenden
der
Fahrzeug.
Herstellung des Versuchs¬
diejenigen Komponenten,
die im Laufe der
Nutzung einem Verschleiss unterliegen oder eine reduzierte Lebensdauer
aufweisen,
so
dass diese ersetzt werden müssen.
Betriebsenergien
und -Stoffe sowie die
definierten Betriebsweise des
sind.
Unterlegt
sches Mittel für
man
eine
Entsorgung
zugrunde liegenden Fahrzeuges notwendig
Jahresfahrleistung
Personenwagen [4], ergibt
über sieben Jahren für dieses
von
13860 km als schweizeri¬
dies eine Lebensdauer
Nutzungsdauer
Vorgehen
angewandten Methodik
deckt sich mit der
Cycle
Inventar
von
etwas
Fahrzeug (heutige Personenwagen verfügen
über eine durchschnittliche
7.3.2 Life
jeweiligen Kompo¬
die für den Betrieb über lOO'OOO km in einer
berücksichtigen,
nenten zu
Zusätzlich sind alle
der
von
etwa zwölf
in
Jahren).
Dieses
[89].
(LCI) Materialien
Auf der Materialseite kann davon ausgegangen werden, dass sowohl der
VM wie die EM inkl. Wechselrichter für die Lebensdauer des
ausgelegt
sind. Dies
entspricht
suches mit 20 VW Golf
auch den
Hybrid
II
Erfahrungen
Fahrzeugen.
Fahrzeuges
des Zürcher Feldver¬
Die Batterie ist
diejenige
146
7
Komponente,
die über eine
Materialbilanz der
begrenzte
Betriebsphase
Material
Einheit
Bewertung
Lebensdauer
verfügt
"Inventar für
kg
2 96
Glas unbeschichtet
kg
19 24
Blei
Blei
kg
76 90
Polypropylen
kg
8 50
Polypropylen
SiO,
kg
1 09
MG Silizium
H,S04
kg
11 34
H2S04
kg
19 66
Wasser vollentsalzt
Trinkwasser
kg
5519
Wasser
Heizöl EL
TJ
0 00009
Heizöl EL
Elektrizität
TJ
0 001086
Strom
Wasser
Battene
in
rezykliert
in
Heizung
Strassentransport
tkm
10 13
Transport
LKW 28 t
tkm
31 79
Transport
Schiene
H,S
kg
0 34
H2S
Prozessbleiemission
kg
0 00084
Pb Blei
in
H2SO4
Wasser
in
Wasser
Abwarme
Kunststoffe
in
KVA
100 kW
Mmelspartnung Bezug in
Bahntransport
Blei
und somit die
Verbindung mit dem
Energiesysteme"
Werte
Blei
rezykliert
Energieverbrauchs
belastet.
Glasmatte
Blei
des
UCPTE
Schwetelwasserstoff p
pJl
i*"
kg
0 00054
Ion Blei
kg
0 071
Schwefelwasserstoff f
TJ
000109
Abwärme
kg
7 00
Kunststoffe
in
Luft p
in
KVA
a)p Prozessemissionen
b)t Emissionen
Tabelle 7.3.1.
in
Frischwasser
Life Cycle Inventar für eine geschlossene
mit einem
Die Bleibatterie
in
Abhängigkeit
Totalgewicht
verfügt
der
Die Bleibatterie
Einsatzprofile.
von
300
unterliegt
einer Batterie wird mit 2
-
145
kg,
Bleibattene
-
einem
1000
mit
120 V und 38 Ah
angepasst nach [89]
ein sehr breites Band
stungen, denen die Batterie in
Ladezyklenbereich
von
von
erzielbaren
Unter den eher hohen
Ladezyklen
Leistungsbela¬
Hybridfahrzeug ausgesetzt ist,
Ladezyklen
auch einer zeitlichen
wird ein
pro Batterie angenommen.
Alterung.
Die Lebensdauer
4 Jahre angenommen. Somit werden 1-2 Batte¬
riewechsel in der betrachteten Betriebszeit erforderlich.
7 3
Anwendung
des LCA auf den
Material
Einheit
ETH-Hybnd
147
III Antrieb
Verbindung
Werte
Inventar für
Losungsmittel
kg
2 93
Chemikalien
Kadmium
kg
0 185
Kadmium
Cer
kg
2 57
Cer
Kobalt
kg
3 24
Kobalt
Verbinder
kg
1 89
Stahl
kg
4 28
Lanthan
Mangandioxid
kg
1 17
Mangandioxid
Neodym
kg
0 855
Neodym
Nickel
kg
25 0
Nickel ab
Nickelhydioxid
kg
7 20
Ntckeldydroxid
Andere anorgan Stoffe
kg
0 365
Chemikalien
Plastik
kg
8 78
Polypropylen
Kaliumhydroxid
kg
3 74
Kaliumhydroxid
Polypropylen
kg
162
Polypropylen
Praseodym
kg
0 855
Praseodym
Separatoren
kg
1 80
Chemikalien
kg
125
Stahl
niednglegiert
kg
8 24
Stahl
niednglegiert
Wasser vollentsalzt
mednglegiert
<5%
Klemmen
Wasser
der Battene
mednglegiert
Anreicherung
anorganisch
organisch
kg
8 73
Zink
kg
0 387
Zink für
Produktionswasser
kg
387
Wasser
Elektnzitat
TJ
0 000675
Strom
Strassentranspon
tkm
8 78
Transport
Bahntransport
tkm
175
Transport Schiene
kg
0 0000225
Cd Kadmium
kg
0 000765
Co Kobalt p
kg
0 770
Partikel p
kg
0 0045
Nl Nickel p
Abwarme
TJ
0 00099
Abwarme
Abwasser
kg
50 4
Abwasser D/II
in
Kadmium
Kobalt
Staub
in
m
Nickel
a)p
in
Luft
Luft
Luft
in
Luft
dem
organisch
Lanthan
Stahl
mit
Energiesysteme
Verzinkung
Mittelspannung Bezug
LKW 28
in
in
UCPTE
t
pa>
Lutt p
Prozessemissionen
Tabelle 73 2 Life Cycle Inventarfür eine geschlossene NiMH-Battene mit 120 V und 45
Ah mit einem Totalgewicht von 104 kg, angepasst nach [89]
148
7
die
Für
Lebensdauer und
hier wieder stark
800
blematik
In
vor
deutlich
möglichen Ladezyklen
vom
des
günstigere
[6].
vor
Einsatz der Batterie
Ladezyklen
2000
-
liegen
NiMH-Batterie
Bewertung
Die
abhängig
Energieverbrauchs
Daten
ist auch
und erreicht Werte
pro Batterie. Bei der NiMH-Batterie
allem in der
bezüglich
Zyklenzahl
liegt
Selbstentladung (1.44%/Tag nach [41]).
von
die Pro¬
[89] wird ein LCI für eine Bleibatterie und eine NiMH-Batterie
erstellt, welche in Tabelle 7.3.1 für die im ETH-Hybrid III verwendete Blei¬
batterie und in Tabelle 7.3.2 für die
vorgesehene NiMH-Batterie angepasst
worden ist. Die Daten beziehen sich jeweils für einen Batteriesatz, wie
Fahrzeug eingebaut
oder
geplant
Einheit
Wirkkategonen
Bleibattene
kg CO, Aeq
395 2
770 9
GWP 100
kg C02 Aeq
368 8
7144
kg CO, Aeq
355 0
685 3
Bedarf
Bedarf
Bedarf
MJ
401
521
Energie
nicht erneuerbar
MJ
7054
13639
Energie
total
MJ
7455
14160
Energie erneuerbar
im
NiMH-Battene
GWP 20
GWP 500
er
ist.
Tabelle 7.3.3:
Beeinflussung der verschiedenen Wirkkategorien durch den
Herstellprozess je einer Batterie für den Betrieb des Zielfahrzeuges.
In Tabelle 7.3.3 sind die
Belastungen
der
Wirkkategorie
Primärenergiebedarf des Herstellprozesses der
fung
der verwendeten Materialien und
Wirkkategorien
Ergebnisse
aller
7.3.3 Life
Cycle Inventar
Für den Betrieb des
der
sind in
GWP und der
Batterien nach der
Verknüp¬
Energien aufgetragen. Detaillierte
[89] dargestellt.
Betriebsenergien
Hybridfahrzeuges
werden
vor
allem bleifreies Benzin
und Strom verbraucht. Zusätzlich wird für den Benzinbetrieb Motorenöl
benötigt.
Das
Getriebeöl, die Bremsflüssigkeit, das Kühlwasser und das
Waschwasser wird nicht berücksichtigt, da diese Betriebsmittel sowohl im
elektrischen wie im Benzinbetrieb
Verwendung
finden.
Anwendung des LCA
7.3
auf den
149
ETH-Hybrid III Antrieb
Der VM erfordert alle 15000 km einen Wechsel der 4 Liter Motorenöl.
Aus
Einfachheitsgründen und unter Berücksichtigung,
1% der umgesetzten
dass die
Menge
unter
wird das Motorenöl nicht sepa¬
Treibstoffmenge liegt,
rat untersucht und dem Verbrauch an Benzin
zugeschlagen.
7.3.3.1 Bleifreies Benzin
ETH-Hybrid III Antrieb
Als Treibstoff für den
der Oktanzahl 95 verwendet. Die
gemittelte Zusammensetzung
stoffes nach [24] ist in Tabelle 7.3.4
zur
Verfügbarmachung
des Benzins im
Strommix sind für diese Differenz
des Treib¬
Der
Primärenergiebedarf
Regionallager
variiert zwischen der
dargestellt.
Die Unterschiede in der
Schweiz und Europa.
wird bleifreies Benzin mit
Raffinerietechnologie
und im
hauptsächlich verantwortlich [24].
Massenanteil
Einheit
Komponente
C
Gewichts-%
86 5
H
Gewichts-%
135
03
0
Gewichts-%
N
Gewichts-%
s
Gewichts-%
0 032
Pb
Gewichts-%
0 003
Hg
ppb
70
-
Tabelle 7.3.4: Mittlere chemische Zusammensetzung des Benzins in der Schweiz.
Auf der Seite des
Energieträgers
Schweiz und 15.3% im
Prozesse des Benzins
gie
europäischen
aufgewendet
ist der Aufwand deutlich
als Abwärme
an.
an
vom
Rohöl 14.5% in der
Durchschnitt für die
respektive
40.6% in
Energie aufgewendet
von
C02-Ausstoss
des totalen Ausstosses in den
des unteren
werden. Dabei fällt 32.7%
werden 20.8%
vorgelagerten
Benzin müssen
Europa
Der Rest teilt sich auf in Elektrizität und
für die Infrastruktur. Beim
vorgelagerten
werden. Beim Aufwand der Primärener¬
grösser. Zur Erzeugung
zusätzlich 39.7% in der Schweiz,
Heizwertes des Benzins
Erdöl müssen
Prozessen
Aufwendungen
respektive
freigesetzt.
22.5%
150
7
Einheit
Rohöl
Bewertung
1
Europa
1 18
17
GJ
59 79
60 16
GJ
0 273
0 170
GJ
42 8
42 8
t
0 807
0 892
t
3 07
3 07
GWP20
kg C02 Aeq
4185
4279
GWP 100
kg C02 Aeq
4004
4093
GWP500
kg C02 Aeq
3918
3993
Pnmarenergie
total
Energieverbrauchs
Schweiz
[/t Benzin]
t
des
davon erneuerbare
unterer
Heizwert
Hw
COo Ausstoss der
CO2
Pnmarenergie
vorgelagerten
Verbrennung
Ausstoss bei der
Tabelle 7 3.5.
Prozesse
Bedarf an Pnmarenergie zur Verfugungstellung und Verbrennung
Regwnallager in der Schweiz und in Europa.
von
1
Tonne Benzin ab
7.3.3.2
Die
Stromherstellung
Stromerzeugung
Europa
in
verfügt über unterschiedliche Technologien
und
last.
Westeuropa bildet mit
osteuropäischen
Energie UCPTE1.
scheidender
Für die
Bedeutung,
den inzwischen
den
Staaten
europäischen
mit welcher
Berechnungsverfahren
zu
Erzeugung der Spitzen¬
angeschlossenen ehemaligen
Netzverbund für elektrische
Herstelltechnologie
berücksichtigt
des
zur
verschieden
eines Stromverbrauches ist
Bewertung
die verwendete Elektrizität
che
ist von Land zu Land sehr
es von
ent¬
an
welchem Ort
wird. Es seien hier
einige mögli¬
verwendenden Strommixes
aufgeführt:
a) Gemittelte UCPTE Produktion als durchschnittlich in Europa herge¬
stellte Elektrizität.
b) Gemittelte Stromproduktion in einem spezifischen Land als Grund¬
lage
für eine
Beurteilung eines
Einsatzes in einem einzelnen Land.
c) Die Verwendung des Grenzstroms (Herstellverfahren der Spitzenlast
resp. der
Laständerung) als Einflussfaktor
bei der
Erhöhung des
Verbrauches. Dies ist in den meisten Ländern Steinkohle mit Aus¬
nahmen (F, N, CH).
1 UCPTE für Union pour la coordtnation de la
production
et
du transport de l'electrictte
7.3
Anwendung
des LCA auf den
d) Betrachtung
Wasserenergie
von
dem Potential einer
e) Betrachtung
die nicht
f) Verwendung
mit
151
Antrieb
als
möglichen Energieträger
mit
nachhaltigen Nutzung.
Nuklearenergie
von
primär
ETH-Hybrid III
als heute
eingesetzte Technologie,
auf fossilen Brennstoffen beruht.
Brenngas als heute moderne fossile Technologie
von
günstigen Wirkungsgraden (Kombikraftwerke).
Neben den Herstellverfahren, die in einem
spezifischen
Land installiert
sind, wird eine Bilanzierung der Stromproduktion auch durch die Importe
Exporte beeinflusst.
und
ten
Bedingungen
verbleibenden
Bewertet
Inlandproduktion
für die Schweiz die zweite
lung
der
man
die
Exporte
zu
den im Land erzeug¬
und bestimmt den Inlandkonsum durch die Addition der
und des
Spalte
Importes,
erhält
in Tabelle 7.3.6. Die
Stromproduktion, gemittelt
Braunkohle
Mineralöl
1994, in Europa
zu
finden.
(Eigenproduktion
Importe) [%]
UCPTE
und
-
4 59
17 50
-
2 33
1053
2 23
9 70
1 98
9 75
47 88
1 01
Brenngas
-
Schweiz
Schweiz
(Iniandproduktion) [%]
Steinkohle
exemplarisch
energetische Auftei¬
über die Jahre 1990
(UCPTE) und der Schweiz sind ebenfalls in Tabelle 7.3.6
Herstellungsart
man
-
Total Fossil
10)
11 14
Wasserkraft
58 66
39 04
14 25
Wasser-Umwalzkraft
0 89
0 93
0 98
Nuklear
38 33
48 22
36 89
1 09
0 68
andere
d)
Total nicht fossil
a)Entspricht
98 99
den
-
88 86
den
52 12
Beitragen
Kehrichtverbrennungsanlagen
Energien der Wasserkraft zugeschlagen
aus
Beim UCPTE-Mtx sind alle
restlichen erneuerbaren
Tabelle 7.3.6:
Bei einem
Aufteilung der Stromherstellung
Hybridfahrzeug
Bestimmungsort
der Fahrt
nach
Energiequellen nach [24].
wird die Batterie entweder zuhause oder
aufgeladen. Demzufolge
am
sind die Mehrheit der
152
7
Bewertung
des
Energieverbrauchs
Ladestationen keine Grossverbraucher und werden in der
Wirkungsgrad
Niederspannungsnetz versorgt.
Der
versorgung wird
durch die
ziert. Die
massgeblich
über ein
der elektrischen
Energie¬
Niederspannungsverteilung
redu¬
und die GWP-Emissionen sind in
energetischen Wirkungsgrade
Tabelle 7.3.7
Regel
zusammengefasst.
Stromherstellung
Energie¬
Energie¬
aufwand
aul wand
total
erneueibai
[TJ/TJC]]
[T]/TJel]
Energie¬
aufwand
OWP20
GWP 100
GWP500
nicht
[kgC02
Aeq /TJe|]
[kg CO,
Aeq mEl]
Aeq/TJ,.,]
erneuerbar
[TJ7TJe,l
[kg
CO,
2 252
0 768
1484
6365
6042
5796
2 653
0 905
1 748
11544
11010
9860
3 286
0 199
1087
153419
144000
139440
3 825
0 258
1568
179086
168189
162124
Steinkohlekraftwerk
UCPTE-Mix ab KW
3 784
0 356
3 749
338596
301021
283705
Steinkohlekraftwerk
4 405
0 067
4 338
394667
350991
330076
2 607
0 003
2 604
269440
255470
248906
3 035
0 030
3 005
314156
297961
289563
1 302
1 290
0012
1092
1009
969
1 533
1 520
0013
5333
5082
4174
3 667
0 002
3 665
4749
4556
4261
4 269
0 029
4 241
6006
5850
4750
Strom Mix CH
ab KW'"
Stiom-MixCH
ab
NShl
Strom Mix UCPTE
ab KW
Stiom-Mix UCPTE
abNS
UCPTE Mix ab NS
Brenngaskrattwerk
UCPTE-Mix ab KW
Brenngaskrattwerk
UCPTE-Mix ab NS
Wasserkraftwerk CH
ab KW
Wasseikraftwerk CH
abNS
Kernkraftwerk UCPTEMix ab KW
Kernkraftwerk UCPTE
Mix ab NS
a)KW tur Kraftwerk
b)NS tur Niederspannung
Tabelle 7.3.7
Energiebedarf und Treibhausgasemissionen
verschiedener
Stromherstellungsarten bis zum Kraftwerk und bis zum Endverbraucher
(Niederspannungsversorgung) nach [24] und [89].
Bei
der
Betrachtung der verschiedenen Stromherstellungsarten und
Stromnetzen in Tabelle 7.3.7 ist die grosse Bandbreite erkennbar. Der
gesamtenergetische Wirkungsgrad
der
Stromerzeugung bis
zum
Kunden
7.4
Vergleich
153
der Betriebsarten des Antriebes
(inkl. Niederspannungsverteilung) ist in der Schweiz 37.7% und im
UCPTE-Netz 26.1%. Bezieht
man
den Strom beim Kunden auf die
setzten nicht emeuerbaren Ressourcen so
ergeben
sich die
einge¬
Wirkungsgrade
57.2% für die Schweiz und 28.0% für den Strom-Mix im UCPTE-Netz.
von
7.4
Vergleich
Für den
der Betriebsarten des Antriebes
Vergleich
erforderliche
der verschiedenen Betriebsarten sind
Primärenergie
allem die
und die Emissionen, die den Treibhauseffekt
Interesse. Zur
Beurteilung
des GWP reicht die
des GWP20 aus, da die
Betrachtung
eines
(GWP) beeinflussen
Heranziehung
vor
Zeitraumes nichts
von
an
der relativen
längerfristigen
der verschiedenen Betriebs¬
Beurteilung
arten ändert.
7.4.1
Vergleich
Für den
nicht
der Betriebsarten Taktbetrieb
da dieser
Primärenergieeinsatz
märenergiebedarf für
ausgehend
lung
der
Kennfeld in Bild 4.1.1 der
Berücksichtigung
Geschwindigkeiten
Stromerzeugung
jahreszeitlich
zum
schwankenden
Funktionstüchtigkeit der Batterie.
Ölver¬
dargestellt.
benötigte Primärenergie
Antrieb des
des
bei ebener Fahrt ist der Pri¬
den Benzinbetrieb in Bild 7.4.1
Im Elektrobetrieb setzt sich die
und der
vom
und das GWP unter der
brauchs bestimmt. Für die
Bordnetzversorgung
Beitrag gesondert untersucht wird.
Für den Benzinbetrieb wird
den Anteilen
Elektrobetrieb
der beiden Betriebsarten wird die
Vergleich
berücksichtigt,
-
Fahrzeuges,
Heizenergie
zusammen aus
Batterieherstel¬
zur
Sicherstellung
154
7
Bewertung
Primaenergieverbrauch des ETH-Hybnd III
in
des
Energieverbrauchs
der CH
200
195
E
8185
2>170
a
165
«
IL
160
155
150
10
20
30
40
50
60
70
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Bild 7.4.1:
Primärenergieverbrauch
gesfür Konstantfahrt in
im Benzinbetrieb des
der Ebene. Die
ETH-Hybrid III Zielfahrzeu¬
Herstellung und Verteilung gilt für Benzin in der
Schweiz.
Bestimmung
Zur
der Lebensdauer der Batterie wird für den Elektrobe¬
trieb Stadtbetrieb angenommen. Dieser Betrieb kann mit dem Profil des
ECE-Zyklus angenähert werden.
dem
von
Wirkungsgrad
20
dauer
von
6000
-
Somit
Ladung.
24000 km
muss
aufgrund
Beitrag
GWP 20
Begrenzung
Erhöhung
GWP 20
Primärenergiebedarfs
des
Beitrag
von
zum
Beurteilung
spricht
1.65- 6.59
0.71
-
1.43
31.0
von
kg
Batterieherstellung
eine
km. Bei einer zeitlichen
(2-4 Jahre) ergeben sich eine
13.43
-
26.86 MJ/100 km und ein
CO2Aeq/100 km.
der Lebensdauer der Bleibatterie
von
ersetzt wer¬
124.0 MJ/100 km und ein
-
CO2Aeq/100
von
Ladezyklen
Für den
Vergleich
Elektrobetrieb werden die Werte für 1000
bei einer Lebensdauer
Fahrleistung
kg
Primärenergiebedarfs
Benzinbetriebs
zur
von
von
der
von
der Lebensdauer der Bleibatterie
des
4.2.3 und
die Batterie nach einer Lebens¬
der Anzahl
den. Nach Tabelle 7.3.3 resultiert somit
Erhöhung
gemäss Kap.
der Batterie resultiert eine Reichweite der Bleibatterie
24 km pro
-
Mit dem Verbrauch
des
Ladezyklen
herangezogen.
Dies ent¬
vier Jahren einer mittleren elektrischen
43% der gesamten Fahrstrecke.
7.4
Vergleich
Die Bleibatterie
zu
einem
bei
muss
den. Dies führt nach
Tag
Temperaturen unterhalb
entsprechend.
Zusatzendenergiebedarf
wird dieser
Um diesen
der
10 °C
Beitrag
nicht
zu
stark
zu
von
38 km/
über
Beitrag
dieser
und mit der
um
zu
tragen,
ein Viertel
mit
zusammengefasst.
Belastungen
den Annahmen
gegenüber
wer¬
Vergleich des Benzinbetriebes
kurzlebigen Batterien
schem Fahrbetrieb können die
von
Rechnung
das betrachtete Batterieszenarium
dem Elektrobetrieb sind in Tabelle 7.4.1
der
aus
und ausschliesslich städti¬
Batterieherstellung
Tabelle 7.4.1
bis
zum
steigen.
GWP20
Pnmarenergie
[MJ/lOOkm]
[C02Aeq
31 0-1240
1 65
Ersatz Bleibattene nach 2-4 Jahre
13 43-26 86
0 71
Gemitteiter Heizbedarf bei
27 7
Ersatz Bleibattene nach
6000-250O0km bei Laufleistung
geheizt
gemittelt
gewichten,
Abwärme des VM
reduziert. Die verwendeten Werte für den
Unter der Annahme
27.7 MJ/lOOkm
von
täglichen Fahrleistungen steigt
Ausnutzung der
Beitrag für
4-fachen Wert
von
[34] bei einer mittleren Tagesfahrleistung
das ganze Jahr. Bei kleineren
Möglichkeit
155
der Betriebsarten des Antriebes
-
/100
km]
6 59
13860 km/Jahr
von
39km/Tag
-
1 43
MJStrom/lOOkm
Verwendete Werte für den
Vergleich
Ersatz Bleibattene bei 1000
310
Ladezyklen
165
20 78
Gemitteiter Heizbedarf
MJ Strom/100 km
Tabelle 7.4.1: Einfluss der Lebensdauer und der Betriebscharakteristik der Bleibatterie
auf den Primdrenergiebedarf und die GWP20-Emissionen bei optimistischer Beurteilung
der Lebensdauer der Bleibatterie.
Wie in Bild 7.4.2
ersichtlich, stellt
der Taktbetrieb trotz den
schen Annahmen für die Bleibatterie die beste
gie,
Ausnutzung
optimisti¬
der Primärener¬
ausgenommen der Wasserkraft, dar. Sehr deutlich wird hier auch der
Unterschied des Taktbetriebes
digkeiten unterhalb
von
zum
Drosselbetrieb des VM. Bei Geschwin¬
25 km/h ist eine Substitution des
zinbetriebs durch den Elektrobetrieb
jedenfalls
gedrosselten
vorzuziehen.
Ben¬
156
7
Bei der
Beurteilung
des GWP20 sind die
Bewertung
des
Energieverbrauchs
CC^-armen Stromproduktions¬
arten deutlich besser als der Benzinbetrieb
(Bild 7 4 3)
Der Taktbetneb
zeigt klar Vorteile gegenüber dem UCPTE-Strom-Mix und den fossilen
Energiequellen
energie
wird
Erzeugung
zur
die
GWP20
Geschwindigkeiten
grosser,
der Elektnzitat Ähnlich
Belastung
dass sich
so
anbietet Unter der Annahme
Ladezyklen,
der
diesen Bereich
kleinen
Substitution
Lebensdauer der Bleibattene
Speichertechnologie
die
von
300
Beurteilung
bezuglich Pnmarenergie
strombetrachtung
des GWP
oder
der Annahme
vom
eines
wie
sensitiv
die
Gesamtbeurteilung beemflusst
Betriebsart dar Ebenso bietet der Taktbetneb
unter
bei
eine
des UCPTE-Strom-Mix Dies zeigt deutlich,
Der Taktbetneb stellt
bei der
bei der Pnmar¬
wird das GWP20 des Drosselbetriebes ab 40 km/h besser als
dasjenige
verwendete
einer
in
wie
Drosselbetneb
im
einen
die klar
gegenüber
Vorteil,
zu
bevorzugende
dem Elektrobetrieb
wenn man
von einer
Grenz¬
heutigen UCPTE-Strom-Mix ausgeht
Stromnetzes mit
vorwiegend
aus
Nur
nicht fossilen
Rohstoffen erzeugter Elektrizität, kann der Elektrobetrieb das GWP gegen¬
über dem Taktbetneb reduzieren
7.4.2
Vergleich
Für die
des ECE-R15/04
Bewertung
mitberucksichtigt
Beschleunigung
Elektrobetneb
von
des
Stadtzyklus
Zusätzlich wird
des
Schwungrades
benotigt
der
20 42 kWh/100 km
im
von
gen Zusätzlich
0 7 und
müssen
in
wird die
Benzin-
Speisung
im
wie
beim Start des
des Bordnetzes
Elektrobetneb die
Zyklus einbezogen
ETH-Hybnd
III Antneb ab Stecker
ECE-R15/04
Zyklus (vgl
4 2 2, Bild 4 2 10 und Tabelle 4 4
neladegrad
-Zyklusverbrauchs
einer
1) Dabei wird
Bordnetzspeisung
noch die
Heizleistung
eine
Im
Energie
Tabelle 4 2 1, Tabelle
von einem
mittleren Batte-
ab Fahrbattene ausgegan¬
der Battene
von
5 77 kWh/
100km und den Ersatzaufwand der Bleibattene nach Tabelle 7 4 1 berück¬
sichtigt
werden
7.4
Vergleich
157
der Betriebsarten des Antriebes
Vergleich Primärenergieverbrauch
des
ETH-Hybnd
III
ZieKahrzeug
bei ebener Fahrt
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Primärenergievergleich zwischen Elektrobetrieb und dem Benzinbetrieb
Berücksichtigung der Bleibatterieherstellung und der Batterieheizung bei unter¬
schiedlichen Stromherstellungsarten.
Bild 7.4.2:
unter
Vergleich Primärenergieverbrauch
des
ETH-Hybrid
111
Zielfahrzeug
bei ebener Fahrt
45
—
\
VM-Betrieb
Strom-Mix Schweiz
x—x
Strom-Mix UCPTE
+—+
Wasserkraft Schweiz
Brenngas-Mix UCPTE
Steinkohle-Mix UCPTE
Kernkraft-Mix UCPTE
o—o
VM
-
Taktbetrieb
+
30
40
50
Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h]
Bild 7.4.3:
Vergleich
der GWP20-Emissionen der verschiedenen
und dem Benzinbetrieb im
Zielfahrzeug.
Stromherstellungsarten
Für die Lebensdauer der Bleibatterie sind
mistische Werte nach Tabelle 7.4.1 eingesetzt.
opti¬
158
7
Im Benzinbetrieb stehen zwei Varianten
Bewertung
zur
des
Energieverbrauchs
Diskussion:
a) mit generatorischer Bordnetzspeisung d.h. 5.17 1/100 km
b) Bordnetzversorgung ab Fahrbatterie d.h. 4.53 1+ 2.06 kWh/100 km
Vergleicht
GWP
die drei Varianten auf den Einsatz
man
an
Primärenergie
und
(Tabelle 7.4.2) werden die selben Zusammenhänge wie in Kap. 7.4.1
deutlich.
In Bild 7.4.4 ist ein
bes mit
Vergleich
Bordnetzspeisung
gurationen
im selben
des Elektrobetriebes sowie des Taktbetrie¬
gegenüber
weiteren Antriebskonfi¬
Grundfahrzeug aufgetragen.
Als einfachste Variante
ab Generator
wird der VM mit einem CVT ohne Elektroantrieb kombiniert und unter
Ausnutzung
der
Schwungnutzung betrieben.
einem
zur
Schwungrad
und einem CVT
zur
Konzept
Im zweiten
ebenfalls auf den Elektroanteil verzichtet. Der VM wird
Realisierung
wird
zusammen
mit
des Taktbetriebes und
Nutzung der Rekuperationsenergie eingesetzt.
Einheit
Pnmarenergie
Strom
Strom-
Grenzstrom
Mix
Mix
Steinkohle
UCPTE
CH
UCPTE
Brenngas
Kernkraft
Wasserkraft
UCPTE
UCPTE
CH
MJ/lOOkm
230 3
dito
dito
dito
dito
dito
MJ/lOOkm
230 1
221 5
234 4
224 3
233 4
2132
MJ/100 km
391 6
281 1
446 3
3172
433 50
175 5
kg CO,
Aeq/ 100
16 1
dito
dito
dito
dito
dito
15 5
14 2
17 1
165
142
142
185
27
38 9
31 3
22
22
Benzinbetrieb/
Generatonsch
Pnmarenergie
Benzinbetneb/
Fahrbattene
Pnmarenergie
Elektro
GWP20 Ben¬
zinbetneb/
Generatorisch
GWP20
kgC02
Benzinbetrieb/
Aeq/100
Fahrbatterie
GWP20
kgC02
Elektro
Aeq/
km
km
100 km
Tabelle 7.4.2- Pnmarenergie- und
GWP20-Vergleichfur den ECE-R15/04 Zyklus für die
Betriebsarten Elektro und Benzinbetrieb.
7 4 Vei
gleich
dei Betnebsaiten des Antnebes
450
E
400
§
350
20 42 kWh
'7071
~|300
C?
250
jj
200
•5171
•4391
h
Pnmarenergie
n
GWP20
h
*"
150
g
100
*
Fahrenergie/100km
Strom ab Netz oder
Benzin
o
C
50
c)
b)
a|,;
.o
u
—
Bild 7 4 4 Vergleich vei schiedenei Antnebsvaiianten im ECE Zyklus Dei ETHHybnd III Antrieb a) im Elektro- und b) Taktbetneb (inkl Boidnetzveisorgung) c) ein
und
Fahrzeug von 1250 kg mit CVT im Drosselbetrieb ohne E Antrieb und Schvvungiad
Elektro
d) ein Fahrzeug von 1310 kg im Taktbetrieb ohne E Antrieb (Verneinte b ohne
komponente) Im Elektrobetrieb ist der UCPTE Strom Mix und die Bandbreite möglicher
Stromherstellungen dargestellt
7.4.3
Hybride Fahrstrategien
7.4.3.1
Der
Verschiebung
Die
Pnmarenergiebedarf
stellen, ob
zu
es
Auswirkung
der
Ergebnisse
Belastung
Leistungen
im
Belastungen
für die
Taktbetrieb
vom
aus
ist
zu
Kap
4 3 1
beurteilen,
Kap
Grenzleistung
des Antriebes
Taktbtti leb
im
und
Drossel-
Diosselbetneb
MJ/kWh
17 04
17 64
13 63
13 87
GWP20
k„ COt \eq /kWh
1
1 235
0 954
0 971
193
imarenergiebedaif und GWP20 fui die Gien-leistungen
im
festzu¬
Pnmarenergiebedarf
Pumaieneigie
Pi
um
4 3 1 und Bild 4 3 2 ersichtlich
Einheit
Tabelle 7 4 3
zum
auf den
Taktbetneb teilweise durch die
Aus Tabelle 7 4 3 sind der
und Benzinbetrieb nach
und des Drosselbetriebs
Übergang
den
und die GWP20
sinnvoll ist, die
substituieren
die GWP20
Taktbetriebsfrequenz
bildet
Drosselbetrieb
Uberlandbetneb
EM
der
Takt
und Diosselbetneb
des Antriebes
160
des
Bewertung
7
Energieverbrauchs
Für den Elektrobetrieb wird nach Bild 4.3.3 ein mittlerer
ilgiektnsch
von
Lebensdauer
=
0.66 verwendet. Für die
4 Jahren und 1000
von
Batterieherstellung
Ladezyklen
ausgegangen
sche Annahme nach Tabelle 7.4.1). Damit verursacht die
einen
Primärenergiebedarf
0.087
kg C02 Aeq /kWh.
Tabelle 7.4.4
von
der
einer
(optimisti¬
Batterieherstellung
1.63 MJ/kWh und erhöht das GWP20
um
im elektrischen Betrieb ist in
Gesamtbelastung
Primärenergie ist eine Substitution sowohl
wie auch
betriebsleistung
bei ausschliesslich
dem
Die
von
angegeben.
Ausgehend
nur
von
Wirkungsgrad
wird
Gesichtspunkt
der Bleibatterie
der
Drosselbetriebsleistung
von
Takt¬
durch den Elektrobetrieb
Wasserkraft erzeugtem Strom sinnvoll. Unter
Treibhausproblematik
(1000 Ladezyklen)
gung oder im UCPTE-Mix
von
zur
kann bei
langer
der EM bei nichtfossiler
Lebensdauer
Energieerzeu¬
Taktintervallsverlängerung eingesetzt
den. Die Annahme einer Lebensdauer
500
von
Ladezyklen
führt
wer¬
zum
Ver¬
lust eines Vorteils im GWP20 für das UCPTE-Netz im Falle einer Taktinter¬
vallsverlängerung.
Strom-
Strom
Mix
-Mix
UCPTE
CH
Einheit
Grenzstrn
m
Brennga
Kernkraf
Wasserkra
Steinkohle
sUCPTE
tUCPTE
ItCH
UCPTE
Pnmarenergie
MJ/kWh
22 49
16 10
25 66
18 18
24 92
9 99
GWP20
kgC02
1 063
0 150
2 240
1 801
0 120
0116
Aeq
Tabelle 7.4.4:
/ kWh
Primärenergiebedarf und
GWP20 für eine kWh mechanische Energie, die
elektrisch erzeugt wird. Batterielebensdauer
7.4.3.2 Autarke
Energieerzeugung
kg
um
die Batterie
zu
den Batterieklemmen in
des Antriebes 16.09
-
17.06
laden,
7.3.5).
muss
Abhängigkeit
MJ/kWhel Primärenergie
CC>2AeqAWhei C02-Äquivalent aufgewendet
4.3.1und Tabelle
4 Jahren.
Batteriespeisung
Wird der VM betrieben,
tes
von
für die elektrische
des
Betriebspunk¬
und 1.126
werden
-
1.194
(vgl. Tabelle
7.4
Vergleich
161
der Betriebsarten des Antriebes
Der Ressourcenbedarf bei der autarken Betriebsweise
entspricht
in etwa
dem Niveau des UCPTE-Strom-Mixes. Steinkohle- und Kernkraftwerke
benötigen einen höheren Primärenergieeinsatz
gung. Die
GWP20-Belastung
ist bei den fossilen Kraftwerken höher als im
autarken Betrieb. Der UCPTE-Schnitt
Emissionen im
wie sie für
besserer
Ladewirkungsgrad
eher die
Erhöhung
dergrund,
sten
liegt
aber deutlich unter den GWP20
Fahrzeug.
langen Ladephasen,
In
als die on-board Stromerzeu¬
der
zur
Verfügung
höheren
was zu
Netzladungen typisch sind,
der Batterie erreicht werden. Im
stehenden
Ladeleistungen
und
kann ein
Fahrzeug
Speicherkapazität
zu
steht
im Vor¬
zusätzlichen Ladeverlu¬
zwischen 5-7% führen kann.
Strom-
Strom-
Mix
Mix
Grenzstrom
Steinkohle
UCPTE
CH
UCPTE
Einheit
Brenngas
Kernkraft
UCPTE
UCPTE
Wasserkraft
CH
Pnmarenergie
MJ/kWh
162
11 236
18 656
12 85
18 08
6.493
GWP20
kgC02
0 758
0 049
1671
1330
0 025
0 023
Aeq
Tabelle 7.4.5:
/ kWh
Pnmarenergiebedarf und GWP20 für netzgespiesene Elektrizität
an
den
Batterieklemmen.
IAA
Bordnetzspeisung
Wie in
Kap.
4.4
dargestellt, benötigt
von
elektrischen 250 W DC bei 12 V
von
0.118 1/h, sofern die
Leistung
die erforderliche
Spannung
über den
erbracht wird. Die dafür erforderliche
generatorischen
Primärenergie
GWP20 relevanten Emissionen sind in Tabelle 7.4.6
Demgegenüber
steht die erforderliche elektrische
383 W nach Tabelle 4.4.1 bei einer
Bordnetzspeisung
einen Zusatzbenzinbedarf
Speisung
Betrieb der EM
und die emittierten
zusammengefasst.
Netzleistung
ab Fahrbatterie.
von
379-
162
7
Einheit
total
MJ/h
davon emeuerbare Pnmarenergie
MJ/h
GWP20
kg CO, Aeq
Pnmarenergie
des
Bewertung
Energieverbrauchs
Schweiz
Europa
5 256
/h
5 288
0 024
0015
0 368
0 376
Tabelle 7.4.6: Energetischer Aufwand und GWP20 für die Erzeugung der
Bordnetzversorgung (250 W) ab Generator im Benzinbetrieb. Alle Werte inkl.
vorgelagerten Prozesse bis zum Regionallager und im Fahrzeug.
Benützt
man
Speisung
des Bord¬
Randbedingungen gemäss Kap.
7.3.1 und
die Fahrbatterie ausschliesslich für die
entspricht das,
netzes,
unter
den
der Annahme einer mittleren
die
Jahresgeschwindigkeit gemäss
NEFZ
von
33.6km/h, 35 Batterieladezyklen. Somit wird die Lebensdauer der Batterie
durch die Einsatzdauer und nicht durch die Anzahl
Mit der Lebensdauer der Bleibatterie
hung der erforderlichen
ten,
was
über der
Ebenfalls
nen
der
2
4 Jahren würde dies eine Erhö¬
Primärenergie
benötigten Primärenergie
übersteigt
-
das GWP mit 0.36
-
bestimmt.
von
6.72
für die
0.71
-
13.43 MJ/h bedeu¬
Bordnetzspeisung liegt.
kg C02-Aeq./h die Emissio¬
Bordnetzerzeugung.
Für die
379 W
totalen
von
Ladezyklen
Fahrzeugvanante mit Bleibatterie resultiert
benötigtem
von
Netzstrom ein Aufwand nach Tabelle 7.4.7:
Einheit
Pnmarenergie
somit für den Fall
Strom-
Strom
Mix
-Mix
UCPTE
CH
Grenzstro
m
Steinkohle
UCPTE
Brennga
Kernkraf
Wasserkra
sUCPTE
tUCPTE
ftCH
MJ/h
5218
3 620
6010
4 141
5 825
2 092
MJ/h
0 352
1 235
0091
0041
004
2 074
kgC02
0 244
0016
0 538
0 429
0 008
0 007
total
davon
erneuerbare Pn¬
marenergie
GWP20
Aeq
/h
Tabelle 747 Energetischer Aufwand und GWP für die Erzeugung der
Bordnetzversorgung (250 W) ab Fahrbatterie im Benzinbetrieb. Alle Werte beinhalten
die Versorgung bis zur Niederspannungsverteilung und ohne Berücksichtigung der
Battenelebensdauer
7.4
Vergleich
Da die
163
der Betriebsarten des Antriebes
Bordnetzspeisung
als Nebenfunktion
zu
bezeichnen ist, wäre
auch nicht sinnvoll, die Alterung der Batterie dieser Funktion
Bei der
Gegenüberstellung
der Aufwände
Speisung
schnittlichen UCPTE-Mix
bezüglich
ab Batterie beim
im
Netzbezug
generatorischen
aus
dem durch¬
gleich gross ist, wobei beim Netzbezug Vorteile
GWP bestehen. Diese sind durch den deutlich höheren Anteil
erneuerbarer
auf fossiler
Energie
erklärbar. Sobald die
Energie erzeugt wird,
sorgung Vorteile
es
verrechnen.
(Tabelle 7.4.6 und Tabelle
7.4.7) wird ersichtlich, dass der Primärenergieeinsatz
Betrieb und für die
zu
benötigte
hat der autarke Betrieb
bezüglich Primärenergie
und GWP.
an
Elektrizität basierend
zur
Bordnetzver¬
8
Schlussfolgerungen
Die
dem
Schlussfolgerungen
Beurteilung
der Erkenntnisse
ETH-Hybrid III, möglichen Verbesserungsmassnahmen
kleinen Ausblick
8.1
sind in eine
und Ausblick
Die
der Erkenntnisse
Gegenüberstellung
trachtung
und in einen
gegliedert.
Wertung
die Annahmen
von
Elektro- und Benzinbetrieb wird stark durch
Stromherstellung
zur
beeinflusst. Bei einer Grenzstrombe¬
im UCPTE-Netz, führt der Elektrobetrieb in keinem Falle
Reduktion des
aus
Primärenergiebedarfs
und der Emissionen
zur
Gasen, die
von
den Treibhauseffekt beeinflussen.
Mit der Annahme einer
erbare
weitgehend
auf nicht fossilen Ressourcen (erneu¬
Energien, Kernkraft) basierenden Stromproduktion
unter dem
Aspekt
empfohlen
werden.
der Reduktion
Bezüglich
kann ein Einsatz
treibhausgasrelevanten
von
der erforderlichen
Emissionen
bietet der
Primärenergie
Elektrobetrieb keine Vorteile. Die Lebensdauer der Batterie und deren Her-
stellungsprozess belasten
Da eine
Europas
einem
die Bilanz des Elektrobetriebes erheblich.
weitgehend C02-emissionsarme Stromherstellung
auf absehbare Zeit nicht eneichbar ist, kann die
so
fortgeschrittenen
märenergieeinsatzes
Antrieb
oder des GWP
zur
grossflächig
Der Einsatz des Elektrobetriebes im
somit
nur
mit der
begründen,
Verminderung
Erzielung
Hybridtechnik
in
einer Reduktion des Pri¬
nicht
ETH-Hybrid
empfohlen
III
werden.
Fahrzeug
lässt sich
der lokal emittierten Schadstoffemissionen
wobei dieser Vorteil mit einem erhöhten
brauch und in den meisten Fällen mit erhöhtem Ausstoss
vanter
für weite Teile
Emissionen erkauft werden
muss.
Primärenergiever¬
treibhausgasrele-
8.2
Verbesserungspotential des ETH-Hybrid
Der Einsatz einer
keine
Treibhausgas
hybriden Fahrstrategie bringt beim ETH-Hybrid
relevanten Vorteile
schen Betriebsmodus, sofern
Energien
ren
kann aber
von
oder Kernkraft
Steigerung
zur
165
III
der
einer
III
gegenüber dem verbrennungsmotori¬
Stromherstellung
wird. Die
abgesehen
Nennleistung
und des
aus
rein erneuerba¬
hybride Fahrstrategie
Beschleunigungskom¬
forts genutzt werden. Dadurch wird aber der rein elektrische Aktionsradius
reduziert, da der Batterieinhalt anderweitig als
zur
rein elektrischen Fahrt
genutzt wird.
Wird eine autarke
erhaltung
rie
der elektrischen Reichweite
erfolgt
ein
muss
Betriebsstrategie für
über den VM des
Brenngas
Fahrzeuges
nur
erbracht ist, dass
sionsniveau
Ladung der Batte¬
UCPTE-Mix
dem Grenzstrom
so
aufgewendet
Steinkohle
aus
(HC, CO und NOx) besteht heute ein klarer
Gewichtung
von
-
dem benzinbasierten
des
auf den Treibhauseffekt
wirkungen
d.h. die
Aufrecht¬
und nicht über das Stromnetz,
gegenüber
Stromherstellung gegenüber
In Zukunft wird die
ist
angestrebt,
zur
ein Vorteil.
Auf der Emissionsseite
teil der
Hybridfahrzeug
Primärenergiebedarf entsprechend dem
werden. Beim GWP besteht
und
das
Fahrzeugbetrieb.
Primärenergieeinsatzes
steigen,
zumindest mit einem
Vor¬
und der Aus¬
da heute der Nachweis bereits
gewissen
Mehraufwand
-
das Emis¬
modernen Kraftwerken ebenfalls mit dem VM darstellbar
[32], Dieses Emissionsniveau wird in Kalifornien mit dem SULEV-Stan-
dard
angepeilt.
8.2
Verbesserungspotential
Ausgehend
überlegen,
von
wie ein
des
den oben erwähnten
Konzept
des
ETH-Hybrid
Zusammenhängen,
ETH-Hybrid
III
kann
man
sich
III Antriebes weiter verbessert
werden kann.
Unter dem
chen
begrenzten
Batterietechnologie,
Vorteil des Elektrobetriebes mit der heute
kann
man
sich einen
Antriebsstrang
ohne
mögli¬
eigentli-
166
8
Schlussfolgerungen
und Ausblick
chen elektnschen Fahrbetneb vorstellen Eine kleine EM dient noch als Alt¬
ernator, Starter und eventuell als Antneb für
einen
Rückwärtsgang
Damit
kann die schwere Batterie und die Masse der EM reduziert werden
Die
Redimensionierung der EM ermöglicht eine
Als
getrennte Anordnung
gestaltet
um
zung
werden und die
kann das
Folge
Luftreibung
vom
Schwungrad
örtlich
idealer
Schwungradgehause
kann deutlich reduziert werden
(Schät¬
50%)
Verwendung
Mit der
wärtsgang
im
kann der Rück¬
4-Quadrantenbetneb
im
Getriebe eingespart werden Durch den Ersatz einzelner Klau¬
enkupplungen
werden und
der EM
durch
ein
regelbare
Schaltvorgang
Elemente kann der Schaltkomfort erhöht
ohne
ist einfacher
Zugkraftunterbrechung
realisierbar
Diese
fuhren
Massnahmen
Verbrauchsverbesserung
ohne
Schwungrad
zung sind die
zu
einer
Im ECE-R 15/04
gemäss Tabelle 8 2 1
von
15%
Reduktion
Zyklus
möglich
Fahrzeugmasse
Zusammen mit
aber mit CVT und unter
Einsparpotentiale
der
wird dadurch
Ausnutzung
eine
weitere
einem
Antneb
der
Schwungnut¬
für Pnmarenergie und GWP20
in
Bild 7 4 4
aufgetragen
ETH-Hybrid
III Evo
Aenderung
Einheit
Batteriegewicht
kg
150
kleinere Elektromaschine
kg
40
kg
10
Entfall des
Rückwärtsganges
kg
Reibungsoptimiertes
Schwungradgehause
Tabelle 8 2 1
Masseneinfluss
der
-
Anpassungen
des
ETH-Hybnd III
Auf der motonschen Seite können durch den Einsatz neuester Technik,
va
durch den Einsatz
Betneb, kombiniert
mit
eines
direkteinspntzenden
Benzinmotors
speicherfahigen Katalysatoren,
schntte auf der Emissionsseite
wie
auch
im
Wirkungsgrad
im
X=l-
wesentliche Forterzielt werden
167
8.3 Ausblick
Bei der
Forderung
Leistungssteigerung
des als
vor
nach einem rein elektrischen Betrieb, kann mit einer
der EM auf 15-20 kW auf den Einsatz des
notwendige Beschleunigungsreserve verzichtet
allem bei Konstantfahrt
Rekuperation
kann das
Schwungra¬
werden. Dies führt
Reduktion der AntriebsVerluste. Für die
zur
Schwungrad
weiterhin als effiziente
Energiespeiche-
rung genutzt werden.
Im Sinne einer stark reduzierten
Schwungrad
als
Kurzzeitenergiespeicher,
Konzept vorstellen. Ein Betrieb
automatisiert
Lösung und
kann
unter
man
sich auch
geschaltetes mehrstufiges Handgetriebe (bis
Leistungsreserve
elektrischen
von
Speicher (Kombination
Bordnetzversorgung,
7 oder 8
Wirkungsgrades
Alternator mit einer etwas erhöhten
Batterie und
zur
verlängert
Nutzung
und in einem
der
Supercapacitor),
auch bei stillstehendem Motor,
Verbrauchsverbesserungspotential
von
25%
gewähr¬
kann die EM
Bremsenergie eingesetzt werden. Dieses Konzept
-
kann
Leistungsspit¬
eingeschränkten Leistungsbereich
20
Gänge)
sicher. Ein
kombiniert mit einem
leisten. Die Lebensdauer der Batterie wird durch Abbau der
zen
folgendes
des VM bei Leerlauf wird vermieden. Ein
stellt den Betrieb des VM im Bereich besten
einerseits die
Verzicht auf ein
stellt ein
gegenüber einem heutigen
Antriebssystem dar.
8.3 Ausblick
Mit
steigender Anforderung
die erforderlichen
Leistungen
zunehmende Rolle. Mit einer
an
Wirkungsgrad
für die Hilfs- und
Verlagerung
erzeugung wird der Einsatz eines
des
Energie
des
Fahrstrategie
stark auf einen
zu
zu
spielen
Nebenaggregate
der
eine
Energie¬
immer wahrscheinlicher.
Fahrzeuges genutzt
Dimensionierung eines Energiespeichers
ist darauf
des Antriebes,
Betriebspunktes
Energiespeichers
Somit kann auch die mechanische
Bei der
den
und der
werden.
Auslegung
achten, dass die gewählten Lösungen nicht
absolvierenden
Zyklus ausgerichtet werden,
und
so
der
zu
Ver-
168
8
Schlussfolgerungen
und Ausblick
brauchswerte erzielbar werden, die im realen Verkehr nicht nachvollziehbar
sind [2].
Mit der
stützt
von
Verbesserung
allfällig verfügbaren
Li-Polymerbatterie
giedichte)
gung im
Fahrzeug
wird sich
Frage,
zeigen,
Energiespeichern (Li-Ion und
Leistungs- und
Ener¬
ob zumindest eine elektrische Kraftübertra¬
Wirkungsgrades
Energiewandler
dar
elektrischen
und unter¬
sinnvoll sein könnte.
Mit dem Verlauf des
Fahrzeug
Antriebskomponenten
haben das Potential für verbesserte
stellt sich die
stoffzelle als
im
der elektrischen
(Steigerung
ob
es
über der
eine sehr gute
des
gelingt,
gregate für die Brennstoffzelle
Lösung
Wirkungsgrades
die
zu
Leistung,
Kostenfrage
zur
und die
Möglichkeit
verfügt
erneuerbaren Treibstoffen betrieben
Es
lösen, effiziente Hilfsag¬
zu
diesen
gen könnte ein Antrieb realisiert werden, der gute
ration in sich vereint. Zudem
Anforderungen
Teilleistung hin).
entwickeln und eine auf die Zukunft
gerichtete Treibstoffversorgung aufzubauen. Mit
grade, minimale Emissionen
stellt die Brenn¬
für die
der
aus¬
Rahmenbedingun¬
Erzeugungswirkungs¬
Bremsenergierekupe¬
die Brennstoffzelle das Potential mit
zu
*
werden.
Abkürzungen
V
a
Polynomkoeffizient
AC/DC
Wechselnchter Wechselstrom
zu
Gleichstrom
V
b
Polynomkoeffizient
c
Polynomkoeffizient
C
spezifische Strombelastung
V
der Batterie
cA
Arbeitskapazitat und Polarisation
cers
relative
C*
Battenekapazitat
CH
Schweiz
CIP
Commumcating Interacting
CNG
Compressed
CO
Kohlenmonoxid
C02
Kohlendioxid
F
Ersatzkapazttat
F
Processes
Natural Gas
CVT
Conttnuously Variable
d
Polynomkoeffizient
DME
Dimethylether
E
Energie
J
E0
Gleichgewichtspotentialdifferenz
V
EM
Elektromaschine
EUDC
Extra-Urban-Dnvmg-Cycle
Transmission
Q
-
N
F
Kraft
F
Frankreich
Fa
axiale
N
Anpresskraft
für Zahnrader und Getnebe
FZG
Forschungsstelle
GWP
Global
HM
Unterer Heizwert
HC
Kohlenwasserstoffe
1
Spezifischer
1
Übersetzungsverhältnis
I
Batteriestrom
i2-CVT
CVT mit
IEM
Institut für Elektrische Maschinen
Warming Potential
MJ/kg
Strom
A
quadriertem Spreizungsbereich
Gate
Bipolar Transistors
IGBT
Integrated
IMRT
Institut für Mess- und
ISO
International Standardisation
ITS
Intelligent Transport System
k
Polynomkoeffizient
k
Saurekonzentrationskoeffizient
K
Kriechgang
Regeltechnik
Organisation
V,
-
-
kr
Steifigkeit
L
Langsamgang
LCA
Life
Cycle Assessment
LCI
Life
Cycle Inventory
LVV
Laboratorium für
m
Masse
M
Moment
der
Reibkupplung
Nm/rad
Verbrennungsmotoren
Verbrennungstechnik
und
kg
Nm
Trägheiten
kg
mrot
Ersatzmasse für die rotierenden
MG
Gleitmoment
Nm
MH
Haftmoment
Nm
n
Drehzahl
n
Anzahl Battenezellen pro Batteriemodul
N
Norwegen
mm'
-
Europaischer Fahrzyklus
NEFZ
Neuer
NiCd
Nickelkadmiumbattene
NiMH
Nickelmetallhydndbattene
NMHC
Non Methantc
NOx
Stickoxide
p
Druck
Pa, bar
P
Leistung
W
Leistung bei derder Drosselbetneb und der Takt
gleichen Wirkungsgrad aufweisen
W
Pa, bar
^Grenz
Hydrocarbons
betneb den
pmBr
Brennstoffmitteldruck
pme
Effektiver Mitteldruck
pmeO
Effektiver Mitteldruck des
pmGW
Mitteldruck des Gaswechsels
PNGV
Partnershtp
q
Polynomkoeffizient
ß
Q
Ladung
C
qe
Entladegrad
q;
Ladegrad
for
r
Radius
r
Widerstände
a
Pa, bar
ungefeuerten
VM
Pa, bar
Pa, bar
New Generation Vehicle
m
in
der
Ladephase
r
Polynomkoeffizient
R
Widerstand
R
Rückwärtsgang
rm
Mittlerer Reibradius
S
Schnellgang
der Batterie
Q
Q.
m
SETAC
Society of Environmental and Toxicology and Chemistry
Tj
Verstellzelt des Kettenwandlers über den ganzen
Stellbereich
von
schnell
zu
langsam
s
T
Verstellzeit des Kettenwandlers über den ganzen
Stellbereich
von
langsam
zu
schnell
TCL
Technisch Chemisches Laboratorium
TIK
Institut für Technische Informatik und
Kommumkationsnetze
UDK
Stellsignal
*K
relative
der
Drosselklappe
Anpresskraft
'-'eEnde
Entladeschlussspannung
uÄ
Ruhespannung
us
Steuerspannung
UCPTE
Union pour la coordination de la
des Kettenwandlers
production
transport de l'elctncite
ULEV
Ultra-Low-Emissions-Vehicle-Standard
Vtf
Hubvolumen
VG
Verstellgeschwindigkeit
VM
Verbrennungsmotor
ZEV
Zero-Emission-Vehicle-Standard
ß
Dampfung
Tl
Wirkungsgrad
K_Kat
K_Kat
Luftverhaltnis
H
Reibungskoeffizient
e
Trägheit
der
Reibkupplungen
vor
dem
Katalysator
Luftverhaltnis nach dem
V
Gesamtubersetzung
(0
Winkelgeschwindigkeit
Katalysator
des Getriebes
Indices
aus
Leistungsfluss
Batt
Batterie
Batte
Entladephase
Battl
Ladephase
aus einer
der Batterie
der Batterie
Br
Brennstoff
d
Durchtnttswiderstand
e
entladen
EGen
Elektromaschine
ein
Leistungsfluss
El
elektnsch
im
Generatormodus
in eine
EM
Elektromaschine
EMot
Elektromaschine
Fz
Fahrzeug
Gasung
Komponente
im
Komponente
Motorbetrieb
hinein
et du
172
G
Getriebe
1
Innenwiderstand
i
Ohmscher Widerstand
k
Konzentrationswiderstand
K
Kupplungen
Ktn
kinetisch
KW
Kettenwandler
1
laden
L
Last
La
Lager
LE
Leistungselektromk
LG
Ladegerat
Luft
Luftwiderstand
q
Ladung
R
Rad
Roll
Rollwiderstand
S
Schwungiad
Schmier
Schmieröl
Steig
Steigungswiderstand
th
Thermisch
u
Umwandlungswiders tand
V
Verluste
VM
Verbrennungsmotor
W
Zwischenwelle
Z
Getriebeeingangswelle
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H
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H
U
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interner
"Hybnd-Oekomobü
H U Horler
minimalen Stadtverbrauch
P Hofstetter
Beurteilung
40
D
am
Beispiel
VW
IET/LVV Bericht 89/6, Zürich, 1989
-
ein
umweltschonendes
bei Innerortsverkehr", ETH Jahresbericht,
39
Überlegungen"
erste
IET/LVV Bencht 89/1, ETH-Zunch, 1989
Horler
Golf,
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Horler
U
interner
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von
und
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von
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1996,
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von
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S
Management
-
Life Cycle Assessment
-
Pnnci-
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zu
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schungsschlussbericht
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mit einem
Elektromofa",
For¬
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Hybridfahrzeug",
B
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Drehfeldmaschme
einer
mit
optimalem Wirkungsgrad für
Dissertation ETH Nr 11373, Zürich, 1996
"Optimierter
Antrieb der ETH
51
3
13 9 1996
zuschlag,
49
im
oder wirkliche
Betrieb
interner
eines
Latentwarmespeichers
Hybridfahrzeug für die City-Logistik",
ein
Hybrid
im
III
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variabler
am
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1996
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Einlasssteuerung
mit
Hilfe
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Semesterarbeit
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mit
am
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89
Th Weibel, Ph Dietrich "Relative Life
toolfor Decision Support for
6 2 of the BRITE-EURAM project
ogy
Approaching
Cycle
Assessment
Local Zero Emission
of Hybrid Vehicles
Mobdity",
'European Development
Efficient Zero Emission
-
A
final report of task
of
Hybrid
Mobility (HYZEM)', Zürich,
Technol¬
1996
179
90
R Wimmer
der
"Regelung
interner IMRT Bencht Mot
91
92
Ch
mit
Wittmer
heft
Fahrstrategien für ein
mit
'Regelungstechnik
im
Personenwa¬
stufenlosem Zweibereichs-
den
Hybrid HF',
Erweiterte Kon¬
ETH Zürich, 6 11 96
"Optimierte Fahrstrategien
Schwungmasse
schwerer
und
Zürich, 1996
"Optimierte Fahrstrategien für
hybnde Automobilantriebe,
Ch Wittmer, L Guzzella, Ph Dietnch
fahrzeuges
der
Schwungradkomponente
Dissertation ETH Nr 11672,
ferenz über
93
5-96, ETH-Zunch, 1996
"Entwurf und Optimierung
Ch Wittmer
genantriebskonzept
getnebe",
Trockenkupplungen des Oekofahrzeugs Hybrid IIP,
-
der Taktbetneb als
Auto' der Zettschnft
eines
Hybnd¬
Beispiel', Sonder¬
Automatisierungstechnik (AT),
Frankfurt, 1996
94
J
Yamaguchi
engineenng
"Toyota
readies
gasoline/electnc hybrid System",
pp55 -58, Detroit, July
1997
Automotive
180
Curriculum Vitae
Philipp
1992-1998
Dietrich
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Verbrennungsmotoren
und
am
Laboratorium für
Verbrennungstechnik
der
ETH Zürich
Projektleiter
1989-1991
des
Antriebsstrangprojektes Hybrid
ABB Kraftwerke AG
III
Baden, Gruppenleitung "Instru¬
mentation & Control" im Bereich kombinierte Gas- und
Dampfturbinenkraftwerke
1986-1989
BMW AG München,
Motorenforschung,
Entwicklungsingenieur
Gebiet
Regelungstechnik
bei
in der
aufge¬
ladenen Motoren und Wasserstoffantrieben
1979 -1986
Maschineningenieurstudium
an
der ETH Zürich
Vertiefung: Verbrennungsmotoren
und
nik
1973 -1979
1967
-
1973
22. Januar 1960
Gymnasium
an
der Kantonsschule
Primarschule in Cham
Geboren in
Zug
Zug
Regelungstech¬