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

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


Gliederung

• CEA-Konzept

• Optimierung des 2-Zylindermotors

• Aktive Drehschwingungsberuhigung

• CEA am hochdynamischen Motorenprüfstand VVETB

• Zusammenfassung und Ausblick


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!


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


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


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


CEA - „Proof of Concept“


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


Das Beste aus beiden Welten


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)


Optimierung des 2-Zylinderottomotors seitens der Robert Bosch GmbH


Optimierungsschwerpunkte

Basis Optimierung

Hoch-Tumble Auslegung AGR-Verträglichkeit, Brenndauer


Optimierungsschwerpunkte

PFI Spraytargeting mit Injektorlage nah zu den Einlassventilen


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]


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



Wellenmoment

• Hinzuschalten des Verbrennungsmotors im CEA-Antriebsstrang NVH-Verhalten

• Kritischer Betrieb bei niederen Drehzahlen auf konventionellen Prüfständen


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


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]


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]


CEA am Virtual Vehicle Engine/Hybrid Test Bed (VVETB)

Echtzeitfähige Prüfstandsautomatisierung

PUMA

ARTE.LabTM

VVETB

alpha nVKM Msoll

HCU M

G

+ -=~


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


2-Zylindermotor am VVETB

< 40 g CO2/km nach NEDC-Simulation in früher

Entwicklungsphase


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

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