effizienter e-fahrzeugantrieb mit dem kompakten cea-konzept combustion engine...
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Effizienter E-Fahrzeugantrieb mit dem kompakten
CEA-Konzept
Combustion Engine Assist
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 2
2cc Konsortium
IVD Prof. Hohenberg GmbH CEA-Konzept – Entwicklung
Prof. Dr. G. Hohenberg
Dipl.-Ing. C. Bacher
Robert Bosch GmbH Sensorik und Brennverfahrens-
entwicklung
Prof. Dr. J. Hammer
Dr. A. Kufferath
Dr. D. Lejsek
Dipl.-Ing. A. Eichhorn
Weber Motor GmbH 2-Zyl. Motor Hersteller
Dipl.-Ing. E. Wizgall
2cc
Konsortium
TU Darmstadt Dynamische Systemoptimierung und
Drehschwingungsberuhigung am CEA-Konzept
Prof. Dr. C. Beidl
Dipl.-Ing. David Buch
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 3
Gliederung
• CEA-Konzept
• Optimierung des 2-Zylindermotors
• Aktive Drehschwingungsberuhigung
• CEA am hochdynamischen Motorenprüfstand VVETB
• Zusammenfassung und Ausblick
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 4
Typischer Reichweitenverlauf: Elektro- vs. konventioneller Antrieb
elektrische Reichweite (10kWh) ohne
Klimatisierung
verbrennungsmotorische
Reichweite (7 Liter)
Reichweite bei 3kW
Klimatisierung
Geschwindigkeit [km/h]
Reic
hw
eite [k
m]
Verbrennungsmotorische Unterstützung elektrisch Fahren
Das Beste aus beiden Welten!
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 5
Möglichkeiten der Elektrifizierung/Hybridisierung
PHEV
z.B. Toyota Prius
PlugIn
Full Hybrid
z.B. Toyota Prius
Mild
Hybrid
GM Volt
Opel
Ampera
BEV
z.B. Nissan Leaf,
Mitsubishi i-MiEV
CEA-Konzept
E-Motor
VKM
EV + RE
seriell
z.B. A1 e-tron
EV + RE
parallel
z.B. VW twin
drive, Getrag Ford
zwei E-Motoren
ein E-Motor
groß klein
Batterie
z.B. Honda Insight
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 6
Fahrzeugkonzepte
Gen
PCU E
-M
PC
U
z.B.: Toyota Prius
mech. Pfad
Gen
PCU
E-M
PC
U
z.B.: GM Volt
/ Opel Ampera
el. Pfad
mech. Pfad
Gen
PCU
E-M
PCU
G
z.B.: Audi, e-tron
seriell
z.B.: VW twin drive / Getrag Ford
parallel
Gen
PCU
E-M
PCU
G
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 7
Das CEA-Konzept
E-M
PCU
CEA-Basiskonzept
E-M
PCU
G
CEA-Konzept mit 2-Gang Getriebe
(DSG, Planetengetriebe)
0 vmax
Pmax (6000) nmax = 12000 min-1
0 vmax
Pmax
VKM
E-Motor
nmax = 6000 min-1
VKM VKM
ZMS
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 8
CEA - „Proof of Concept“
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 9
Reichweitenvergleich: E-Fahrzeug vs. CEA-Konzept
Reines Elektrofahrzeug:
A-Segment
Nutzbare Batteriekap.: 9kWh
Elektrische Reichweite: ≈70km
CEA-Konzept:
A-Segment
Nutzbare Batteriekap.: 9kWh
Kraftstofftank: 14l
Elektrische Reichweite: ≈95km
Gesamtreichweite: ≈350km
Elektrischer Betrieb VKM - Betrieb
Zeit [s]
Elektrischer Betrieb
Zeit [s]
Ve
locity [
km
/h]
Velo
city [
km
/h]
ECE - Bereich
EUDC
ECE - Bereich
EUDC
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 10
Das Beste aus beiden Welten
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 11
Optimierung des 2-Zylinderottomotors seitens der Robert Bosch GmbH
MPE 850 DOHC NA
Bauart 2-Zylinder Reihen-Viertakt-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung
Hubraum 850 cm3
Drehmoment >65 Nm von 1500 min-1 bis 6000 min-1
Nennleistung 41 kW bei 6000 min-1
Verdichtung 12,8:1
Zündfolge 360 °KW
Hub x Bohrung 68 mm x 89 mm
Ventilsteuerung Vierventiltechnik, DOHC mit Rollenkipphebeln und hydraulischem Ventilspielausgleich
Motormanagement Bosch MED 17.9
Gewicht ca. 50 kg (trocken)
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Optimierung des 2-Zylinderottomotors seitens der Robert Bosch GmbH
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Optimierungsschwerpunkte
Basis Optimierung
Hoch-Tumble Auslegung AGR-Verträglichkeit, Brenndauer
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Optimierungsschwerpunkte
PFI Spraytargeting mit Injektorlage nah zu den Einlassventilen
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Kennfelder des 2-Zylindermotors e
ffe
ktiv
er
Mitt
eld
ruck
pm
e [
ba
r]
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Drehzahl [min-1]
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
250
255
255
265
285
295
305310
340380
440440
420
460460
245
260270
280
290 300 320
360
400
243
spezifischer Verbrauch be [g/kWh]
eff
ekt
ive
r M
itte
ldru
ck p
me [
ba
r]
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Drehzahl [min-1]
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
10
10
10
10
10
10
9
9
9
9
9
9
9
9
9
10
10
10 10
10
mfb50% [°KW]
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 16
Drehschwingungen des 2-Zylindermotors
188,50 188,55 188,60 188,65 188,70 188,75
Zeit [s]
Dre
hza
hl [
1/m
in]
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
We
llen
mo
me
nt
[Nm
]
0
20
40
60
80
N bei Theta_ges=0,16kgm²
N bei Theta_ges=0,11kgm²
N bei Theta_ges=0,084kgm²
Wellenmoment
• Hinzuschalten des Verbrennungsmotors im CEA-Antriebsstrang NVH-Verhalten
• Kritischer Betrieb bei niederen Drehzahlen auf konventionellen Prüfständen
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 17
Regelungskonzept HOC zur aktiven Drehschwingungsberuhigung
Kalman Filter
EM
n_ist
n_dcn_ac
n-Regler
HOC
n_soll
Inverter
T_soll_ges
I_u,v,w
T_soll
T_komp
G
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 18
Drehschwingungsberuhigung im unterkritischen Bereich
13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.5
780
785
790
795
800
805
810
815
820
Speed ripple PMSM against Dyno 2Hz 20Nm 800rpm
Mit Kompensation
Ohne Kompensation
Dre
hza
hl [
1/m
in]
Zeit [s]
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 19
Drehschwingungsberuhigung der 2. Harmonischen
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Kom
pensa
tionsm
om
ent [
Nm
]
Zeit [s]
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
75
80
85
90
95
100
Mit Kompensation
Ohne Kompensation
Zeit [s]
Mom
ent [
Nm
]
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3990
992
994
996
998
1000
1002
1004
1006
1008
Mit Kompensation
Ohne Kompensation
Dre
hza
hl [1
/min
]
Zeit [s]
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 20
CEA am Virtual Vehicle Engine/Hybrid Test Bed (VVETB)
Echtzeitfähige Prüfstandsautomatisierung
PUMA
ARTE.LabTM
VVETB
alpha nVKM Msoll
HCU M
G
+ -=~
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 21
Dynamik des 2-Zylindermotors am VVETB
10,0 10,2 10,4 10,6 10,8 11,0 11,2 11,4 11,6 11,8
Zeit [s]
Dre
hzah
l [1
/min
]
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Well
en
mo
men
t [N
m]
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
240
AL
PH
A [
%]
0
50
100
11,04 11,06 11,08 11,10 11,12 11,14 11,16 11,18 11,20 11,22
Zeit [s]
Dre
hzah
l [1
/min
]
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
3500
Well
en
mo
men
t [N
m]
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
240
AL
PH
A [
%]
0
50
100
N ohne Dyno
N mit DynoWellenmoment
Alpha
10,0 10,2 10,4 10,6 10,8 11,0 11,2 11,4 11,6 11,8
Zeit [s]
Dre
hzah
l [1
/min
]
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
Well
en
mo
men
t [N
m]
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
240
AL
PH
A [
%]
0
50
100
11,04 11,06 11,08 11,10 11,12 11,14 11,16 11,18 11,20 11,22
Zeit [s]
Dre
hzah
l [1
/min
]
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
3500
Well
en
mo
men
t [N
m]
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
240
AL
PH
A [
%]
0
50
100
N ohne Dyno
N mit DynoWellenmoment
Alpha
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 22
2-Zylindermotor am VVETB
< 40 g CO2/km nach NEDC-Simulation in früher
Entwicklungsphase
7. MTZ Fachtagung | Der Antrieb von morgen | 24. und 25. Januar 2012 | 23
Zusammenfassung:
• E-Fahrzeug mit CEA:
Fokussierter Ansatz für optimierten Nutzen
• Kompakt – moderate Batteriegröße – 1 Elektromotor
• Drehschwingungsberuhigung
(mechanisch – hydraulisch – elektrisch)
• < 40g CO2 /km – Hoher Wirkungsgrad auch im VKM-
Betrieb
Ausblick:
• Systemapplikation und Betriebsstrategieoptimierung
mit neuester Entwicklungsmethodik
Zusammenfassung und Ausblick