Hybridabtriebe für Automobile Hybridabtriebe für ... · Hybridabtriebe für Automobile Hybridabtriebe für Automobile – Chancen und Risken Vortrag 5. Oktober 2007, ÖVE, Innovative

Hybridabtriebe für Automobile Hybridabtriebe für Automobile ––Chancen und RiskenChancen und Risken

Vortrag 5. Oktober 2007, ÖVE, Innovative Energietechnik

VCU

TECHNISCHE UNIVERSITÄT

DARMSTADT

INSTITUT FÜRELEKTRISCHE ENERGIEWANDLUNG

Dr.techn. Dr.phil. Harald Neudorfer

1

Univ.- Lektor Dr.techn. Dr.phil. Harald NeudorferTSA Traktionssysteme Austria GmbH

Energie-management

Vorlesung Prof. Dr. Vorlesung Prof. Dr. RummichRummichElektrisch betriebene Kraftfahrzeuge WS 1987Elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge WS 1987


DARMSTADT



2

• Übersicht

– Ökologische und ökonomische Gesichtspunkte

– Anforderungen bei Hybridantrieben für Automobile

Hybridabtriebe für Automobile Hybridabtriebe für Automobile –– Chancen und RiskenChancen und Risken


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– Hybridkonzepte für den Einsatz in Kraftfahrzeugen

– Energieeinsparungspotential

– Ausgeführte Hybridfahrzeuge

– Chacen, Risken und Zusammenfassung

Ökologische und ökonomische GesichtspunkteÖkologische und ökonomische Gesichtspunktevon Hybridantrieben für Automobilevon Hybridantrieben für Automobile

• Ökologische Ziele– Reduzierung des anthropogenen CO2-Ausstoßes

• Kyoto-Abkommen: Reduzierung der CO2-Emission bis 2012 um 21 % bezogen auf 1990

• freiwillige Selbstbeschränkung der ACEA:


DARMSTADT



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Reduzierung der CO2-Emission der gesamten Automobilflotte auf 140 g/km bis 2008

bzw. 120 g/km bis 2012

• Derzeitiger Mittelwert in Deutschland:160 - 170 g/km

ACEA: European Automobile Manufacturers Association


10,0

15,0

20,0

25,0P

roze

ntua

ler

Ant

eil

Emissionsziel 2008

Emissionsziel 2012 Toyota Prius: 104 g/km

beim Neuen Europäischen

Fahrzyklus (NEFZ)


DARMSTADT



5

0,0

5,0

90 120

130

140

150

160

170

180

190

>20

0

CO2-Emissionen

Verteilung der CO2-Emission des PKW-Bestandesin Deutschland (2004)



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• Ökonomische Erwartungen– Mehrpreis gegenüber Fahrzeug nur mit Ver-

brennungskraftmaschine (VKM): ca. 2.000 - 4.000 €

– Amortisationszeit ca. 6 - 7 Jahre• 4 % Preissteigerung von Kraftstoff

• Laufleistung: 10.000 km/Jahr


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• Laufleistung: 10.000 km/Jahr

• keine monetäre CO2-Abgabe (CO2-Steuer)

• keine staatliche Förderung

– Mehrkosten derzeit bei den Fahrzeugherstellern: ca. 3.000 - 7.000 €

– Starke Reduzierung der Kosten durch hohe Stückzahlen ist zu erwarten



DARMSTADT



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Laufleistung: 10.000 km/Jahr, Normverbrauchsabgabe: Corolla: 10% Prius: 4% vom Neupreis

KraftstoffpreisentwicklungKraftstoffpreisentwicklung

• Benzinpreis heute etwa so hoch wie 1950

Benzinpreisentwicklung 1950-2005

0,70 €

0,90 €

1,10 €

1,30 €

Ben

zin

pre

is

Benzinpreisentwicklung der letzten 50 Jahre


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• Spitzen in den 1970er Jahren

• stetiger Anstieg seit 1989

0,10 €

0,30 €

0,50 €

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Jahr

Ben

zin

pre

is

Benzinpreis inflationsbereinigt Basis 1995

Benzinpreis nominal

Benzinpreis inflationsbereinigt Basis 1950

Durchschnittliche Kaufkraft eines Erwerbstätigen in Deutschland in Litern Kraftstoff

1500

2000

2500

Kra

ftst

off

[L

iter

]

Benzin

Diesel

KraftstoffpreisentwicklungKraftstoffpreisentwicklung


DARMSTADT



10

0

500

1000

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

Jahr

Kra

ftst

off

[L

iter

]

AnforderungenAnforderungen bei Hybridantrieben für Automobilebei Hybridantrieben für Automobile

80

100

120

140

160

Dre

hm

om

ent

M/N

m

25

30

35

40

45

50

Lei

stu

ng

P/k

W

M3

P3

P4

M4


DARMSTADT



11

0

20

40

60

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Drehzahl n/min-1

Dre

hm

om

ent

M/N

m

0

5

10

15

20 Lei

stu

ng

P/k

W

M S2 2min M S1 Mmax P S2 2min P S1 Pmax

P1

P2

M2

M1


Statoraußendurchmesser 176,6 176,6 176,6 176,6 176,6 176,6

Eisenlänge 150 130 120 120 120 170

Gesamtvolumen 10,5 9,6 9,2 9,2 7,3 9,1

Gesamtmasse 38,0 37,7 31,9 32,2 30,3 35,4

IM Alu-Rotor IM-Cu-Rotor PM-VW-OFM PM-VW-VM PM-EZ-VM SR 12/8


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Gesamtmasse 38,0 37,7 31,9 32,2 30,3 35,4

Aktivmasse 24,8 25,3 19,8 20,1 19,3 23,3

Drehmoment S1 @ 2800 min-1 51 51 51 51 51 51

Esson‘sche Leistungszahl 2,85 3,28 3,55 3,57 3,72 2,73

Wirkungsgrad @ 15kW, 2800 min-1 88,5 87,7 90,7 91,9 91,5 89,8

Drehmoment/Gesamtmasse 1,34 1,36 1,60 1,59 1,70 1,45

Wirkungsgrad @ 15 kW, 12500 min-1 87,3 88,5 79,8 84,3 91,9 89,9

Max. Leistung @ IZK = 320 A 42,4 44,0 40,1 44,0 44,3 36,1


2000

2500

3000

3500

4000

4500K

ost

en i

n €


DARMSTADT



13

0

500

1000

1500

2000

Variante A Variante B Variante C Variante D Variante E Variante F

Motorvarianten

Ko

sten

in

€

Batterie Getriebe Anschlußleitungen WR Motor

Hybridvarianten Micro-Hybrid Mild-Hybrid Full-Hybrid

Leistung pro Fahrzeugmasse

(W/kg)2,7 – 4 3 – 7 6 – 14 13 – 20 > 20

Bordnetz-Spannung (V) < 42 42 – 96 96 – 192 144 – 288 >192

Elektrische Verbraucher

HybridvariantenHybridvarianten für Automobilefür Automobile


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Funktion

Elektrische Verbraucher

Drehmomentunterstützung beim Beschleunigen

Start-Stop-Funktion für VKM

Rekuperation

Leistungsunterstützung

Elektroantrieb

Hybridkonzepte für den Einsatz von KraftfahrzeugenHybridkonzepte für den Einsatz von Kraftfahrzeugen

• Serielle Hybridkonzepte

Verbrennungs- Umrichter Batterie Umrichter Getriebe Achse


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Verbrennungs- Umrichter Batterie Umrichter Getriebe Achsekraftmaschine Generator Motor Rad

Vorteile: Lastpunkte der Verbrennungskraftmaschine (VKM) sind antriebsunabhängig

Nachteile: Keine rein mechanische Antriebsfunktion möglichWirkungsgradkette, Mehrgewicht, Mehrkosten, Mehrvolumen


• Parallele HybridkonzepteVKM


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Batterie Umrichter Getriebe AchseMotor Rad

Vorteile: Optimierungspotential im Verbrauch und Drehmoment Rekuperation, Downsizing der VKM möglich

Nachteile: erhöhter Steuerungsaufwand


• MischhybridkonzepteVKM Umrichter

Motor


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Batterie Umrichter Summier- AchseMotor getriebe Rad

Vorteile: Optimierungspotential im Verbrauch und DrehmomentRekuperation

Nachteile: erhöhter Steuerungsaufwand


Antrieb: Mono Hybrid

VKM Elektro seriell parallel misch

Verbrauch - - ++ + + +

Emission - - ++ + + +

Einbauraum ++ + - - +/- +/-


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Einbauraum ++ + - - +/- +/-

Steuerung ++ ++ - - - - -

Kosten ++ +/- - - - -

Reichweite ++ - - +/- + +

Fahrspaß + - +/- ++ ++

EnergieeinsparungspotentialEnergieeinsparungspotential

• Einsparungspotential bei Hybridfahrzeugen– Rekuperation: Rückgewinnung der Verzögerungsenergie

– Abschaltung der VKM bei Fahrzeugstillstand

– Betrieb der VKM mit besserem Wirkungsgrad

vfz


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Pvkm

Pel

Rückspeisung über die Straße

Rekuperation der Verzögerungsenergie

Abdeckung der Leistungsspitzen durch

elektr. Antrieb

Motorabschaltung im Stillstand

VKM-Betrieb mit besserem Wirkungsgrad


Optimierung des elektrischen Antriebsstranges für den geforderten Einsatzbereich mit Matlab Simulink

Berechnung auf makroskopischer und mikroskopischer Ebene


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Strecken-

profil

Fahrwider-

stand

Energiema-

nagementVKM Getriebe Achsen Rad/Straße

Batterie EPC E-MotorVersorgung


Wirkungsgradkennfeld eines Dieselmotors

ηmax= 40%Pmax=100 kW

Dre

hm

om

ent

M /

Nm

Eff

ekti

ver

Mit

teld

ruck

p /b

ar


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Drehzahl n / min-1

Dre

hm

om

ent

M /

Nm

Eff

ekti

ver

Mit

teld

ruck

p /b

ar


Leistungsabgabe des elektrischen Antriebes (blau) und der Verbrennungskraftmaschine (grün) beim NEFZ

Abdeckung der Leistungsspitzen durch

elektr. AntriebVKM-Betrieb mit besserem Wirkungsgrad


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Rückspeisung über die Straße

Rekuperation der Verzögerungsenergie

ohne Motorabschal-

tung im Stillstand

Pvkm


• FahrzyklenNEFZ

US-Highway


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Japan 10-15

NEFZ: 11,02 km; 1180 s; vmittel = 33,6 km/h

EPA HWFET: 2x(16,51 km; 765 s); vmittel = 77,7 km/h

Japan 10-15: 4,16 km; 660 s; vmittel = 22,7 km/h


8

10

12

Tre

ibst

off

verb

rau

ch (

Ben

zin

) in

l/1

00 k

m

8 bis 10 %

2 bis 3 %

18 bis 22 %

Vergleich Kraftstoffverbrauch zwischen Benzin konventionell und Hybrid P4-Lösung


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24

0

2

4

6

NEFZ US-Highway Japan 10-15

Tre

ibst

off

verb

rau

ch (

Ben

zin

) in

l/1

00 k

m

konventionell ASM PSM SRM


Vergleich Kraftstoffverbrauch zwischenDiesel konventionell und Hybrid P4-Lösung

5

6

7

8

Tre

ibst

off

verb

rau

ch (

Die

sel)

in

l/1

00 k

m 7 bis 8 %

-1 %

14 bis 18 %


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25

0

1

2

3

4

NEFZ US-Highway Japan 10-15

Tre

ibst

off

verb

rau

ch (

Die

sel)

in

l/1

00 k

m

konventionell ASM PSM SRM

Ausgeführte Hybridfahrzeuge Ausgeführte Hybridfahrzeuge

Hersteller (*) Fahrzeugstatus Batterietyp Motortyp

Proto-

typ

Serie Li-Ion

NiMH NiCd NaNiCl Blei ASM PSM

Daimler-Chrysler (11) x 2 2 - - 3 3 4

Ford (8) x - 3 1 - - - 1

GM (8) x - 3 - - - - 3

Eingesetzte Hybridkomponenten nach Herstellern


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Honda (4) x - 3 - - - - 3

Mitsubishi (5) x 2 - - - - 2 1

Nissan-Renault (9) x - - 5 - - - 4

PSA (4) x - 2 2 - - - 2

Toyota (7) x - 6 - - - - 6

VW (5) x - 5 - - 1 3 3

* In Klammern: Anzahl der veröffentlichten Hybridfahrzeuge Stand: Ende 2006

Ausgeführte HybridfahrzeugeAusgeführte Hybridfahrzeuge

Hybridkonzept: Leistungsverzweigter

Prius I (1997) & Prius II (2003)


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Hybridkonzept: Leistungsverzweigter Mischhybrid


• NiMH – Hochleistungsbatterie (202 V; 6,5 Ah; 25 kW)

• Permanentmagneterregte Synchronmaschine mit V-förmig angeordneten (Neodymium-) Permanentmagneten

Merkmale des Prius Antrieb / Prius I vs. Prius II


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IMA – Komponenten(Integrated Motor Assistant)

Honda Insight

IMA – Motor (PSM)

• P = 10 kW


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• P = 10 kW

• flache Bauweise

• sowohl Motor- als auch Generatorfunktion

• Batteriemodul (NiMH)

• UBatt= 144 V; Kapazität = 6,5 Ah;

• W = 1 kWh bei -30°C < T < +60°C

• zweistufiger Lüfter zum Kühlen/Anwärmen des Moduls

• Sicherheitselemente

HybridsystemHybridsystem

• Komponenten des Hybridantriebes im Lexus RX 400h

– (1) Verbrennungsmotor

– (2) Getriebe inkl. 2 E-Maschinen

– (3) Leistungselektronik

– (4) Batterie

– (5) E-Maschine


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– (5) E-Maschine

Motor

Generator

Maximal zulässige HöchstgeschwindigkeitenMaximal zulässige Höchstgeschwindigkeiten

Fahrzeug Leistung vmax[kW] [km/h]

X5 4.8is 265 246

X5 4.4i 235 240

ML 500 225 240

RX 350 203 200

ML 350 200 225


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ML 350 200 225

X5 3.0i 170 210

ML 320 CDI 165 215

X5 3.0d 160 210

RX 400h 155 200

RX 300 150 200

ML 280 CDI 140 205

Beschleunigung und Beschleunigung und Kraftstoffverbrauch von SUVsKraftstoffverbrauch von SUVs


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Technische Daten der HybridfahrzeugeTechnische Daten der Hybridfahrzeuge

SpannungenEnergie-Speicher

LeistungEM

Pmax

Start/ Stopp

Reku-peration

Boost-betrieb

Elektr. Anfahren

Elektr. Fahren

Einsparungs-potential

CO2 + Kraftstoff

Zusatzkostenauf Gesamt-

fahrzeug

in V in kW in % in €

Micro-Hybrid

14 2 - 5 X - - - - 3 - 6 1000 - 1500

Mild-


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Mild-Hybrid

14 - 42 < 10 X X X - - 6 - 12 2000 - 3000

Medium-Hybrid

42 - 144 5 - 25 X X X X - 10 - 15 3000 - 4000

Full-Hybrid

> 200 20 - 70 X X X X X 15 - 25 3500 - 8000

SerielleHybrid

> 200 < 50 X X X X > 7000

Chancen für HybridfahrzeugeChancen für Hybridfahrzeuge

• Hybridfahrzeuge derzeit noch mit geringem Marktanteil

– bis 2010 ca. 3% vom europäischen Automarkt– Toyota will ab 2007 mind. 500.000/Jahr Hybridfahrzeuge

verkaufen– Toyota will ab 2012 nur noch Hybridfahrzeuge bauen– Toyota will ab 2015 Weltmarktanteil Hybridfahrzeuge 20 %


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– Toyota will ab 2015 Weltmarktanteil Hybridfahrzeuge 20 %– Toyota will ab 2025 Weltmarktanteil Hybridfahrzeuge 50 %

• Weiterentwicklung elektrochemischer Speicher• politische Rahmenbedingung

– CO2 – Steuerabgabe, – steuerlicher Erleichterungen bei Hybridfahrzeuge, – Fahrverbote für Fahrzeuge mit hoher CO2 – Emission

• Übergangslösung zu Brennstoffzellenfahrzeugen

Risken für HybridfahrzeugeRisken für Hybridfahrzeuge

• Reine Batteriefahrzeuge lediglich Nischenfahrzeuge

• Hybridfahrzeuge mit geringem Marktanteil

• Mehrkosten von Hybridfahrzeugen gegenüber konventiellen Fahrzeugen ca. € 4000,--

• Derzeit ist der gesellschaftliche Druck noch nicht groß


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• Derzeit ist der gesellschaftliche Druck noch nicht groß genug

• Kritiker meinen: Hybridfahrzeug ist eine kurzfristige Modeerscheinung

Zusammenfassung Zusammenfassung

• Die gesamte europäische Automobilindustrie hat die Entwicklung des Hybridantriebes vollkommen verschlafen

• In Europa war und ist die Devise: Diesel statt Hybrid

• Toyota hat derzeit über 10 Jahre Entwicklungs-vorsprung gegenüber allen anderen Herstellern


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• PM-Maschine hat sich als Maschinentype durchgesetzt

• Einsparungspotential je nach Fahrzyklus und Hybridvariante 0 % bis 35 %

• Full-Hybrid einzig sinnvolle Variante (außer Kleinfahrzeuge)

Hybridantriebe für Automobile Hybridantriebe für Automobile –– Chancen und RiskenChancen und Risken

Herzlichen DankHerrn Univ.-Prof. Dr. Rummich

für Ihre interessanten, praxisorientierten


DARMSTADT



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für Ihre interessanten, praxisorientierten Vorlesungen, die ich in meinem beruflichen

Werdegang sehr gut anwenden konnte.

DANKE für Ihre Aufmerksamkeit!

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Hybridabtriebe für Automobile Hybridabtriebe für ... · Hybridabtriebe für Automobile Hybridabtriebe für Automobile – Chancen und Risken Vortrag 5. Oktober 2007, ÖVE, Innovative