Der Einzug von Hybrid- und Elektrofahrzeuge in den weltweiten Straßenverkehr geht stetig voran, und damit steigt auch die Anzahl von Hersteller diverser Hochvolt (HV)-Komponenten. Im Fahrzeug hängen die verschiedensten Komponenten im selben HV-Bordnetz und müssen in diesem zeitgleich arbeiten können ohne sich gegenseitig zu stören. Im Gegensatz zum 12 V Bordnetz wird für das HV-Bordnetz nicht nur geprüft, dass die Komponenten robust gegenüber möglichen Störungen auf dem Bordnetz sind, sondern es werden zusätzlich Richtlinien und Grenzwerte vorgegeben für die Störungen die die Komponente selbst auf dem HV-Bordnetz verursachen. Deswegen wird dabei auch vom Verursacher-Prinzip gesprochen. Durch die geschirmten und verlustarmen Leitungen können sich Störungen im HV-Bordnetz besonders gut ausbreiten. Die Kunst besteht darin, Prüfungen mit klar definierten Prüfaufbauten zu erstellen, die grundsätzlich für alle Komponenten durchgeführt werden können und sicherstellen sollen, dass die verschiedenen HV-Komponenten im Verbund später störungsfrei funktionieren. Für den Frequenzbereich der EMV (> 150 kHz) sind entsprechende Prüfungen „state of the art“, für niederfrequentere Bereiche, in dem die Taktfrequenzen der Umrichter liegen, sind diese noch in der Entwicklung. Bei den Prüfungen gilt es zwischen erzeugten und anliegenden Störungen zu unterscheiden. Unter erzeugten Störungen versteht man dabei solche, die von der zu prüfenden Komponente, im Folgenden Prüfling genannt, im Betrieb erzeugt werden. Hierbei ist es besonders wichtig, dass die Bordnetznachbildung, die an den HV-Eingängen des Prüflings hängt eine klar definierte Eingangsimpedanz besitzt. Nur so kann eine Reproduzierbarkeit der Störungen auf unterschiedlichen Prüfständen gewährleistet werden. Bei den anliegenden Störungen wird hingegen die Störfestigkeit des Prüflings gegenüber externer Einflüsse getestet. Dazu wird am Prüfstand ein System benötigt welches die möglichen Störungen im Netz nachstellen kann. Der hier betrachtete Frequenzbereich reicht bis zu einer oberen Frequenz von 150 kHz, bei der das Arbeitsgebiet der EMV beginnt. Dabei werden zwei Arten von Störungen unterschieden; zum einen dynamische Veränderungen der Spannung im HV Bordnetz, beispielsweise durch Zuschalten einzelner HV Komponenten oder einer schnellen Leistungsänderung, zum anderen Spannungs- und Stromrippel verursacht durch periodisch taktende Halbleiterelemente. In diesem Beitrag soll auf die grundsätzliche Funktionsweise, aber auch auf die Problematik der Prüfaufbauten eingegangen werden. Dabei werden folgende Fragen diskutiert: Wie muss eine Netznachbildung dimensioniert werden, um dem realen Fahrzeug gerecht zu werden? Welche Probleme entstehen, wenn die HV-Batterie durch ein Netzteil ersetzt wird? Welche Leistungen werden benötigt, um die Störungen nachzustellen? Wie erfolgt die Bewertung der Prüfungen?
Autor: Sören Schörle
Co-Autor: Herr Thomas Wersal
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Today´s modern vehicle energy distribution networks have high requirements with regards to both boardnet stability and power availability. Even though 48V systems are emerging slowly, the industry´s main focus is still on 12V applications. The ongoing electrification and addition of new features drives both common energy storages and system architectures to their limits. In the last few years, many architectures were developed to encounter the typical problems of the increasing number of high-power consumers. These architectures use DC/DC converters and/or multiple energy storage devices to ensure voltage stability and also increase energy regeneration to reduce fuel consumption. The main challenge is to develop a solution which provides both reliable electrical performance over a wide temperature range and, most importantly, cost efficiency. In order to optimize electrical performance, a hybrid energy storage, based on a standard 12V lead-acid battery and a 15V ultracapacitor module, were evaluated. A LN3 AGM battery is used as a reference and is a common choice in modern start-stop vehicles. Starting with an extensive simulation study carried out by a well-known European system house, the initial configuration went through several iteration loops to optimize and streamline the design. The main focus was set to cranking performance of various starter devices; comparing standard starters with enhanced starters and belt-driven starter generators. Cold cranking and warm cranking was evaluated in the temperature range of -30°C to +65°C. Based on the simulation results, an optimum energy storage solution was configured. A 12V LN3 AGM battery was used as a reference. The goal of the program is to define and design an energy storage solution with equivalent or improved performance. Cold-cranking, self-discharge and charge acceptance tests were conducted in our laboratories to compare the behavior of the new prototypes and the reference batteries. The resulting 12V hybrid energy storage shows similar performance to a comparable AGM battery, which combines a 40Ah LN0 enhanced flooded lead-acid battery and a corresponding ultracapacitor module with 320F, packaged in a standard form factor. The new combination can enable additional high-power features like start-stop operation at lower temperatures, active suspension, e-steering or even electrical turbo chargers. The experiments are still running and will be completed until eehe takes place in 2017.
Autor: Stefan Werkstetter
Co-Autor: Dr. Priya Bendale
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Eine Schlüsseltechnologie um zukünftige Emissions- und Verbrauchsziele zu erreichen, ist die Elektrifizierung von Antriebssträngen. Zusätzlich zur Optimierung bewährter 12 V Micro-Hybrid-Technologien und Hochvolt Plug-In-Hybridkonzepten bietet insbesondere die 48 V Mildhybridisierung ein hohes Potential zur Effizienzsteigerung. Die Technologie erfordert lediglich einen moderaten technologischen und finanziellen Mehraufwand, da im Vergleich zur Hochvoltelektrifizierung keine ganzheitliche Überarbeitung des Antriebsstranges erforderlich ist. In dem FEV 48 V Mild-Hybrid Demonstrator wird ein 12V/48V-Dualbatterie-Bordnetz umgesetzt. Basisfahrzeug ist ein Mercedes A 45 AMG 4MATIC mit 7-Gang Doppelkupplungsgetriebe. Das Fahrzeug ist serienmäßig mit einem direkteinspritzenden 2 Liter Ottomotor ausgestattet, der über einen Twin-Scroll-Abgasturbolader aufgeladen wird. Zur Optimierung der Low-End-Torque Performance kommt ein elektrischer Zusatzverdichter zum Einsatz. Die 14 V Lichtmaschine wird durch die 48 V Boost-Recuperation-Maschine (BRM) von Bosch mit entsprechenden Anpassungen des Riementriebs ersetzt. Ein 48 V Batteriepack auf Lithiumeisenphosphatbasis wird über einen bidriektionalen DC/DC-Wandler an das konventionelle Bordnetz gekoppelt. Das 48 V System mit BRM und leistungsfähiger Batterie ermöglicht viele Freiheitsgrade beim Energiemanagement und hohe Rekuperationsraten. Die rekuperierte Bremsenergie findet wahlweise im Antrieb des elektrischen Verdichters, der BRM oder in der Energieversorgung des konventionellen Bordnetzes Verwendung. Der Demonstrator wird zur Analyse und Optimierung der Wechselwirkungen zwischen den Leistungskomponenten im 48 V Bordnetz eingesetzt. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen liegt insbesondere in der gezielten Regelung der BRM Zustandsübergängen, wie sie beispielsweise in Verbindung mit einem Segelmodus auftreten. Darüber hinaus wird unter anderem die Low-End-Torque Kompensation mittels Zusatzverdichter und BRM des Downsizing-Konzeptes, wie auch das elektrische Energiemanagement detailliert untersucht.
Autor: Philip Griefnow
Co-Autoren:
Savelsberg, Rene (RWTH Aachen University, 52074 Aachen, Germany),
Stapelbroek, Michael, Dr.-Ing. (FEV GmbH, 52074 Aachen, Germany) ,
Peck, Rainer, Dr.-Ing. (Robert Bosch Starter Motors Generators GmbH, 70442 Stuttgart, Germany), Trzebiatowski, Tobias, Dr.-Ing. (Robert Bosch Starter Motors Generators GmbH, 70442 Stuttgart, Germany)
Volvo Cars’ strategy and approach for developing electrified vehicles is outlined together with a high level overview of the key technologies and configurations. The next solution on our journey to sustainability is the T5 Twin Engine FWD PHEV Powertrain based on the CMA (Compact Modular Architecture). This concept will be introduced in little more than a years time. Volvo Cars´ will also deliver BEVs based on both the Scalable Product Architecture (SPA) and the CMA in the coming years. The strategy is to offer powertrains where no contradiction exists between performance, driving pleasure and efficiency. The knowledge to launch our future products is based on experience from the current production of the XC90 T8 Twin Engine, the V60 and S60 T6 PHEVs, and on the earlier C30 Electric BEVs. The applications are modular, meaning that the same solutions fit both the new SPA Platform with XC90, V90 and S90 and more vehicles to come in the near future, as well as the CMA Platform. The charging solutions are planned to be adapted to the market needs and to the predominant standards per market, and to the need for quick charging of large batteries. We foresee in the next 10 years to see lower system costs, quicker and more convenient charging solutions, longer electrical driving ranges and higher electrical performance. We expect that electrified cars will represent more than 10% of our global volumes in the medium term, and our target is to have 1 million electrified cars on the road by year 2025.
Autor: Dr. Mats Andersson
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Among the various hybridization levels, the 12+12 volts affordable architecture represents the basic architecture allowing the benefits of hybridization, thanks to the energy recovery during braking. The 12+48V electrical architecture is an easy way to enhance 12+12V functionalities and enter deeper in the hybrid application field. With the extended power field offer by 48V components, more vehicle segments and applications can have more benefits at a still limited over cost. We will illustrate the similar topology of 12+12V and 12V+48V systems and show how complementary functions such as electric supercharger boosting can be added in a modular way. This approach can help to lower the cost of the systems integration in vehicle which can be a significant part of the total system application cost. This can thus contribute to a large application field for mild hybrid systems and by the way contribute to a greater vehicle fleet CO2 reduction. The main hybrid functions impacts on engine emission will be presented. We examine how 48V system can address more efficient hybridization architectures (from P1 to P4) allowing more CO2 emission reduction and see how we can even open the gateway for low cost pure electrical vehicles. We then show how the different hybridization architectures can be addressed in a modular building bloc structure for components. This last level of modularity is an additional lever to lower the hybridization cost. Combining the electrical board net modular predisposition and the field of 48V hybridization would open ways to access further CO2 emission reduction with the best cost ratio. At the end, we will build the general road map of 48V hybridization systems and future vehicle functions.
Autor: Dr. Coppin Olivier
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Mit der zunehmenden Komplexität elektrisch betriebener Fahrzeuge und dem Einzug neuer Hochleistungsverbraucher in das HV-Bordnetz steigen auch die Anforderungen an die Genauigkeit und Flexibilität der Prüfmittel. Um neue Verbraucher in Kombination mit bestehenden Bordnetzen zu prüfen, muss das durch Komponenten verursachte Störverhalten am Prüfstand entsprechend reproduziert werden. Im Rahmen dieses Papers wird ein vorgegebenes Impedanzverhalten durch eine hochdynamische elektronische Last an einem Hochvoltprüfstand emuliert. Somit kann der Prüfstand flexibel das Verhalten einer Traktionsbatterie mit beliebigen weiteren Bordnetzkomponenten annehmen. Bordnetzprüfstände ersetzen in der Regel die Traktionsbatterie durch ein herkömmliches Netzteil oder einen Batteriesimulator. In dieser Arbeit wird die Traktionsbatterie durch ein herkömmliches Netzteil zusammen mit einer elektronischen Schaltung zur Emulation des Verhaltens der Traktionsbatterie ersetzt. Die Umsetzung erfolgt durch einen aktiven Impedanzemulator zwischen Netzteil und Verbrauchern, welcher die Impedanz in einem weiten Frequenzband von 100 Hz bis 250 kHz durch die Erzeugung von Wechselspannungen über den Verbrauchern einstellt. Der Sollwertverlauf für die Wechselspannung wird durch ein diskretes Filter auf einem FPGA generiert und analog im Bordnetz eingeregelt. Das gewünschte Impedanzverhalten liegt in Form von Frequenzmessdaten vor und wird durch einen Optimierungsalgorithmus als Übertragungsfunktion geschätzt. Diese wird als Differenzengleichung auf dem FPGA implementiert. Auf Basis des gemessenen Wechselstromes wird der Sollwert für die Wechselspannung durch das Filter berechnet. Das Konzept wird im Rahmen der geplanten Veröffentlichung vorgestellt sowie erste Messergebnisse gezeigt und diskutiert.
Autorin: Luise Drüner
Co-Autoren: Dennis Kuhl, Prof. Ludwig Brabetz, Dr. Mohamed Ayeb
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Um die zunehmend anspruchsvollen CO2-Vorgaben der EU in den gesetzlichen Verbrauchszyklen einzuhalten, setzen Automobilhersteller in konventionellen Fahrzeugen zunehmend auf eine Downsizing-Strategie. Diese Strategie bringt große Herausforderungen bei der kundenwerten Dynamikauslegung der Fahrzeuge mit sich. Durch das Downsizing teilt sich der instationäre Drehmomentaufbau des Verbrennungsmotors in zwei Phasen. Bei einem Fahrpedal Tip-In baut sich nach einer Totzeit unverzüglich das relativ geringe, saugmotorische Drehmoment auf. Dann erst erfolgt weiterer Drehmomentzuwachs durch das Aufladesystem. Aufgrund dieser Zweistufigkeit besteht die Herausforderung darin, beim Kunden einen möglichst spontanen und konstanten Beschleunigungseindruck entstehen zu lassen. Elektrifizierte Fahrzeuge weisen dagegen, aufgrund des nahezu ohne Verzögerung regelbaren Drehmoments der E-Maschine, in kundennahen Fahrleistungskriterien deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Fahrzeugen auf. Im Kontext der bisherigen Forschungsarbeit wurden die klassischen Fahrmanöver zur Angabe und Auslegung der Fahrzeugdynamik (z.B. Beschleunigungszeit 0-100km/h) um realitätsnahe Kriterien ergänzt, um das vom Kunden in realen Fahrsituationen erlebte Beschleunigungsverhalten besser abzubilden. Zur simulativen Bewertung kundennaher Fahrleistungskriterien wurde ein neuartiger Instationäransatz gewählt, um transiente Beschleunigungsvorgänge abzubilden. Kernidee dabei ist die Kopplung eines stationären Gesamtfahrzeugmodells mit einem motorspezifischen Gradientenmodell. In diesem Beitrag erfolgt eine umfangreiche Validierung dieses neuartigen Instationäransatzes. Im ersten Schritt werden die Gültigkeitsgrenzen bestimmt, in denen das Gradientenmodell den instationären Drehmomentaufbau hinreichend genau beschreibt. Dazu werden die relevanten Stellhebel in realen Fahrzeugen (Startdrehzahl, Gesamtübersetzung und Fahrzeugmasse) variiert. Die Simulationsgüte wird anschließend im zweiten Schritt mithilfe einer statistischen Betrachtung des relativen Fehlers zwischen Messung und Simulation bestimmt. Durch Gesamtfahrzeugüberleitungen und einer abschließenden technischen Plausibilisierung wird die Validierung des hergeleiteten Ansatzes, transiente Längsdynamikmanöver simulativ abzubilden, abgeschlossen. Eine Sensitivitätsanalyse unter Anwendung des validierten Instationäransatzes zeigt anschließend auf, in welchem Maß konventionell angetriebene Fahrzeuge hinsichtlich der realitätsnahen Fahrleistungskriterien elektrifizierten Fahrzeugkonzepten angenähert werden können.
Autor: Stephan Schiffer
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Due to a unique combination of excellent soft magnetic properties, nanocrystalline materials became increasingly important in numerous electrical power applications in the last decade. The main reason for that is, that they meet the requirements of todays and tomorrows advanced power electronic systems far better than any other soft magnetic material. Those requirements are: higher efficiency, lighter, smaller and smarter and finally more reliable in high temperature operation. Since many years, nanocrystalline cores and chokes providing EMI and bearing protection in inverter systems for energy conversion, generation, and distribution. The most recent big and dynamically emerging field of application for nanocrystalline inductive components appears to be the upcoming electro mobility. In no other known application than the electrical vehicle PHEV or BEV, such an aggressive source of unwanted high frequency EMI noise like a drive inverter is operating so closely together with an ultra sensitive computer controlled self-driving system. Literally “fire and ice” in a tin can! This extreme scenario asks for solid solutions without any trade-off – in particular, when the next generation of semiconductors GaN and SiC will replace state-of-the-art Silicon devices. For decades in the past, common mode EMI/EMC filter chokes were solely equipped with Ferrite cores. Due to their significantly higher permeability, nanocrystalline filter components reduce weight, size and power loss significantly – typically by 50% compared to Ferrites. Furthermore, nanocrystalline cores withstand much higher working temperatures as they are requested in the automotive application. The lecture will cover a comparison of EMI related soft magnetic properties between nanocrystalline materials and Ferrites as well as some inverter related established application examples and finally come to the concrete fields of application onboard of the electrical vehicles PHEV and BEV.
Autor: Dr. Martin Ferch
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