Der optimale Range Extender

Der optimale Range Extender
Fa h r z e u g e & K o m p o n e n t e n | R a n g e E x t e n d e r
Der optimale Range Extender
Auf die CO2-Emission eines Elektrofahrzeugs mit Range Extender hat die Größe der Batterie entscheidenden Einfluss. Der Einsatz moderner Berechnungswerkzeuge erlaubt es, die Batteriegröße
unter Kosten-Nutzen-Aspekten zu optimieren.
Tex t: Dr. Stefan Spannhake, Bosch Engineering Bil d er: Bosch
20
www.mobility20.net/PDF/70284M20
Mobility 2.0 | Ausgabe 3.2014
R a n g e E x t e n d e r | F a h r z e u g e & K o m p o n e n t e n
Range Extender: Kleiner
Motor, große Batterie
Die Automobilhersteller präsentieren
derzeit eine Vielzahl unterschiedlicher
Hybridantriebe. Dabei wird deutlich,
dass jedes Konzept spezifische Vor- und
Nachteile aufweist. Da die Batteriekosten
mit steigendem Energieinhalt stark ansteigen, werden aktuell nur Akkus mit relativ geringer Kapazität in die Fahrzeuge
eingebaut. Der Preisunterschied zu einem
konven­tio­nell motorisierten Fahrzeug
Mobility 2.0 | Ausgabe 3.2014
kann somit im Rahmen gehalten werden.
Die sich verschärfenden CO2-Grenzwerte
fördern die Entwicklung zu höheren elektrischen Reichweiten. Der Grund hierfür
liegt in der Mischkalkulation zwischen
elektrischem und hybridem Fahren zur
Berechnung der CO2-Emis­sio­nen. Demnach bedeuten höhere elektrische Reichweiten auch geringere CO2-Emissionen.
Diese sind wiederum nur mit größeren
Batteriekapazitäten darstellbar. Um sie
optimal zu nutzen, werden die Fahrzeuge zusätzlich mit einem Ladegerät für die
Batterie ausgestattet (Plug-in-Hybridfahrzeug).
gewählt, dass alle Fahrzustände rein elektrisch dargestellt werden können. Erst bei
entladener Batterie wird der Traktions­
antrieb durch den am Verbrennungsmotor angekoppelten Generator mit Energie
versorgt und die Batterie wieder aufgeladen. Im Vergleich zu einem rein batterie­
betriebenen Elektrofahrzeug kann beim
Rex-Fahrzeug die Reichweite mit Hilfe
des Verbrennungsmotors und des elek­
trischen Generators erhöht werden. Somit können die Batteriekapazität und in
Folge die Batteriekosten deutlich reduziert werden. Mehrkosten des Generators
lassen sich somit überkompensieren.
Geeignet für die Umsetzung eines
Plug-in-Hybridfahrzeugs sind alle Topologien eines stark elektrifizierten Hybridantriebs, zum Beispiel Parallelhybrid
sowie leistungsverzweigter oder straßengekoppelter Hybrid. Gemeinsam ist
diesen Antriebsstrangkonfigurationen,
dass sie aufgrund der Anordnung von
Verbrennungs- und Elektromotor sowie
Getriebe verhältnismäßig viel Bauraum
im Fahrzeug benötigen. Aus diesem
Grund sind Plug-in-Konzepte aktuell
meist bei Fahrzeugen der Mittel- und
Oberklasse zu finden, wie zum Beispiel
beim Porsche Panamera S E-Hybrid. Für
Fahrzeuge im Kleinwagensegment ist ein
Antriebsstrang mit Range Extender (Rex)
hingegen eine Alternative. Die räumliche
Trennung von Verbrennungsmotor und
elektrischem Traktionsantrieb ermöglicht eine sehr flexible Integration ins
Fahrzeug. Außerdem hat nur der elektrische Trak­tionsantrieb eine mechanische
Verbindung zur Fahrzeugachse, wodurch
zusätzliche Freiheitsgrade bei der Positionierung des Verbrennungsmotors im
Fahrzeug entstehen.
CO2-Gesetzgebung
Die Leistung des elektrischen Trak­
tions­antriebs wird beim Rex-Fahrzeug so
Einflussfaktoren auf die Festlegung
der Batteriekapazität sind neben der geforderten elektrischen Reichweite auch
weitere Randbedingungen, wie beispielsweise die CO2-Gesetz­gebung. In Europa
gilt aktuell ein durchschnittliches Fahrzeugflottenziel für den Kohlendioxidausstoß von 130 g CO2/km. Ab 2020 wird
diese Anforderung auf 95 g CO2/km verschärft. Anreize, besonders emissionsarme Fahrzeuge anzubieten, liefert das „Super Credits“-Programm, das für Fahrzeuge mit einem CO2-Ausstoß unter 50 g/km
eine Mehrfachanrechnung ermöglicht.
Innerhalb der europäischen Union
regelt die Vorschrift ECE-R 101, wie die
CO2-Emissionen zu bestimmen sind. Die
Messung besteht aus zwei Phasen: In der
ersten Phase durchfährt das Fahrzeug
nach einer Vorkonditionierung auf dem
Rollenprüfstand den neuen europäischen
Fahrzyklus (NEFZ) mit maximal geladenem Energiespeicher. Falls die Batteriekapazität so groß ist, dass der Zyklus von
etwa 11 km Länge rein elektrisch zurückgelegt werden kann, entstehen für diese
erste Phase keine CO2-Emissionen. In
21
Fa h r z e u g e & K o m p o n e n t e n | R a n g e E x t e n d e r
70
Strategie A
Strategie B
Strategie C
Strategie D
CO2 − Emissionen [g/km]
60
50
40
30
20
10
0
2
5
10
Batteriekapazität [kWh]
der zweiten Phase wird nach einer weiteren Fahrzeugkonditionierung der Zyklus
erneut durchfahren, allerdings mit einer
entladenen Batterie. Bei einem Rex-Fahrzeug springt der Verbrennungsmotor
sofort an, um die Batterie zu laden. Die
CO2-Emissionen, die während der Phasen entstehen, werden gemessen und mit
der elektrischen Reichweite gewichtet.
Außerhalb Europas gelten teilweise
andere Grenzwerte und Messvorschriften. Daher wird seit einigen Jahren versucht, einen weltweit gültigen Standard
zu entwickeln, die so genannte „World-Harmonized Light-Duty Vehicles Test
Procedure“ (WLTP). Der dazugehörige Fahrzyklus „Worldwide Harmonized
Light-duty Driving Test Cycle“ (WLTC)
basiert auf realen Fahrzyklen. Im Vergleich zum NEFZ weist der WLTC deutlich höhere Beschleunigungswerte sowie
eine höhere Durchschnitts- und Höchstgeschwindigkeit auf, so dass sich für das
Fahrzeug in der Regel höhere CO2-Emissionen im Fahrzyklus ergeben.
Neben dem Fahrzyklus wird in der
WLTP auch eine geänderte Berechnungs­
vorschrift zur Bestimmung der CO2-Emissionen aus den Messdaten vorgeschlagen.
Dazu wird die Messung in die zwei Ab-
22
15
20
Mehr Batterie, weniger CO 2: Emissionen in
Abhängigkeit von der Ladekapazität
schnitte Batterieentladung (Charge Depleting) und Ladungserhaltung (Charge
Sustaining) unterteilt und entsprechend
der verschiedenen Teilstrecken des Zyklus gewichtet und schließlich addiert. Mit
der Verabschiedung der WLTP ist nicht
vor 2017 zu rechnen (siehe RDE-Artikel
S. 40). Bis dahin sind noch Änderungen
möglich. Die im Folgenden vorgestellten
Ergebnisse beruhen auf dem derzeitigen
Stand des WLTP und sind deshalb als
vorläufig zu betrachten.
Antriebsstrang und
Betriebs­strategie
Das Rex-Konzept eignet sich besonders für Fahrzeuge im Kleinwagensegment: Neben dem geringen Bauraumbedarf und der Flexibilität in der
Komponentenanordnung im Fahrzeug
spricht auch die verhältnismäßig geringe Höchstgeschwindigkeit bei entladener
Batterie und aktivem Generator dafür,
Range Extender in dieser Fahrzeugklasse
einzusetzen. Daher wird für die durchgeführte Simulation ein Fahrzeugleergewicht von etwa 1100 kg ohne Batterie zugrunde gelegt, vergleichbar dem Gewicht
eines Fiat 500. Als Rex-Generator kommt
ein Hubkolbenmotor mit einer Leistung
von 35 kW mit einem dieser Leistung ent-
sprechenden Elektromotor zum Einsatz.
Der Traktionsantrieb verfügt über eine
Leistung von 80 kW. Die Batteriekapazität variiert zwischen 2 und 20 kWh, um
den Einfluss auf die CO2-Emissionen zu
analysieren. Diese Auslegung ermöglicht
lange Autobahnfahrten mit einer Höchstgeschwindigkeit von etwa 140 km/h in
der Ebene und eine Beschleunigung in
etwa 10 s von 0 auf 100 km/h.
Die Betriebsstrategie, die unter anderem das Ein- und Ausschalten des Verbrennungsmotors und die Höhe der abgegebenen Leistung des Generators regelt,
ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig, die nur mit Hilfe leistungsstarker
Simulationswerkzeuge optimiert werden
können. Beispielhaft werden hier vier
mögliche Varianten vorgestellt:
–– Leistung des Verbrennungsmotors ist
proportional zur Fahrzeuggeschwindigkeit (Strategie A)
–– Leistung des Verbrennungsmotors
ist proportional zum Entladezustand
der Batterie (Strategie B)
–– Betrieb des Verbrennungsmotors
ausschließlich im Arbeitspunkt mit
maximaler Leistung (Strategie C)
–– Betrieb des Verbrennungsmotors
nur im Arbeitspunkt mit maximalem
Wirkungsgrad (Strategie D)
Mobility 2.0 | Ausgabe 3.2014
R a n g e E x t e n d e r | F a h r z e u g e & K o m p o n e n t e n
100
ECE−R 101 mit NEFZ
ECE−R 101 mit WLTC
WLTP
90
CO2 − Emissionen [g/km]
80
70
60
50
40
30
20
10
Zyklen im Vergleich: Annäherung
0
2
bei hoher Batteriekapazität
Bei allen vier Strategien ist das Einund Ausschalten des Verbrennungsmotors gekoppelt an feste Grenzen des
Batterie­
ladezustandes und als weitere
Nebenbedingung an eine Fahrzeug-Mindestgeschwindigkeit. Darüber hinaus
sind in der Strategie weitere Betriebssituationen berücksichtigt, wie zum Beispiel
das Katalysatorheizen oder ein Notladen
der Batterie, falls der Ladezustand einen
kritischen Wert unterschreitet.
Ergebnisse der Simulation
Für das Simulationsfahrzeug wurden
auf Basis der ECE-R 101 die jeweiligen
CO2-Emissionen in Abhängigkeit unterschiedlicher Betriebsstrategien berechnet. Auffällig ist der große Einfluss der
Batteriekapazität: Entsprechend der Berechnungsvorschrift in der ECE-R 101
ergibt sich mit zunehmender Kapazität
der Batterie eine hyperbelförmige Reduzierung der Emissionen. Der Einfluss der
Betriebsstrategie auf die CO2-Emissionen
liegt je nach Batteriekapazität zwischen
sechs und neun Prozent. Erwartungsgemäß weist die Strategie D, bei der der
Verbrennungsmotor ausschließlich in
seinem Wirkungsgradmaximum betrieben wird, die geringsten CO2-Emissionen
auf. Bereits eine Batteriekapazität von et-
Mobility 2.0 | Ausgabe 3.2014
wa 3,5 kWh genügt, um die Emissionen
auf weniger als 50 g/km zu reduzieren
und somit Super-Credits in Anspruch
nehmen zu können.
Die CO2-Emissionen wurden für die
„Betriebsstrategie A“ auch nach dem
vorläufigen WLTP-Entwurf berechnet,
um einen Ausblick auf zukünftige Emis­
sions­werte zu erhalten. Im Vergleich zum
NEFZ ist die benötigte Antriebsleistung
beim WLTC höher, so dass sich bei gegebener Batteriekapazität eine geringere
elektrische Reichweite ergibt. Folglich
ergeben sich höhere CO2-Emissionen,
wenn statt des NEFZ der WLTC durchfahren wird. Der Unterschied beträgt für
das simulierte Fahrzeug für eine Batteriekapazität von 2 kWh fast 40 Prozent. Eine
Umstellung der CO2-Emissionsvorschriften von der ECE-R 101 zur WLTP hätte
für das simulierte Beispielfahrzeug somit
eine Erhöhung der Batteriekapazität von
etwa 3,5 auf 5,6 kWh zur Folge, wenn
eine Mehrfachzählung für den Flottenverbrauch erreicht werden soll. Mit größeren Batteriekapazitäten gleichen sich
die Werte aber an. Dadurch ergeben sich
für eine Batteriekapazität von 20 kWh
CO2-Emissionswerte von etwa 18 g/km,
unabhängig davon, ob die Ermittlung
nach ECE-R 101 oder WLTP erfolgt.
5
10
Batteriekapazität [kWh]
15
20
Im Vergleich zu batteriebetriebenen
Elektrofahrzeugen kann die Batterie­
kapazität bei Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor als Range Extender bei
gleichzeitig hohem Alltagsnutzen deutlich reduziert werden. Die zusätzlichen
Kosten für den Verbrennungsmotor und
den Generator lassen sich somit überkompensieren. Leistungsfähige Simula­
tions­
werkzeuge wie sie zum Beispiel
Bosch Engineering entwickelt hat, ermöglichen die Optimierung der Fahrzeugauslegung und der Betriebsstrategie,
so dass die Anforderungen hinsichtlich
Fahrperformance und CO2-Emissionen
in der Fahrzeugentwicklung erreicht werden können. ☐
Weitere Informationen
[1] Regelung Nr. 101 der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen
für Europa (UN/ECE)
[2] UNECE: Proposal for a new UN Global Technical Regulation on Worldwide harmonized Light vehicles Test
Procedures (WLTP)
Dr. Stefan Spannhake, Powertrain Systems Engineering
bei der Bosch Engineering
GmbH in Abstatt
23
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertising