Der Einsatz einer elektrischen Maschine auf 48 V Spannungslage im Antriebsstrang ermöglicht eine, verglichen mit Hochvolt-Systemen, kostengünstige Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Diese Verbesserung kann durch Brems-Rekuperation in Verbindung mit der Ablastung des Verbrennungsmotors und der Elektrifizierung von üblicherweise verbrennungsmotorisch angetriebenen Nebenverbrauchern erzielt werden. Die elektrische Maschine ermöglicht darüber hinaus, Defizite im Ansprechverhalten eines Verbrennungsmotors zu kompensieren. Insbesondere hochaufgeladene Verbrennungsmotoren haben eine vergleichsweise niedrige Dynamik im Ladedruckaufbau und profitieren daher von der sofort verfügbaren elektrischen Unterstützung. Die 48 V Spannungslage ermöglicht den Einsatz eines leistungsfähigen, elektrisch angetriebenen Verdichters, der in Kombination mit einem Abgasturbolader den Ladedruckaufbau unabhängig vom Abgasmassenstrom signifikant verbessert. Der Systemaufbau gewährleistet vor allem bei verbrauchsgünstigen, niedrigen Motordrehzahlen eine hohe Dynamik des Momentenaufbaus. Die Kombination aus elektrisch angetriebenem Verdichter und einer elektrischen Maschine im Antriebsstrang verbessern die Dynamik und die Fahrleistung eines Fahrzeugs deutlich und stellen einen erlebbaren Kundennutzen dar. Aufgrund einer notwendigen und effizienten Systemauslegung können unter bestimmten Voraussetzungen Systemgrenzen im Bordnetz erreicht werden. Die verfügbare Bordnetz-Leistung wird durch die 48 V Batterie als auch durch weitere Nebenverbraucher eingeschränkt. Die Leistungsverfügbarkeit ist während des Fahrzeugbetriebs nicht konstant, wobei in der Batterie die Zelltemperatur und das Batteriestromprofil über der Zeit die Haupteinflussfaktoren sind. Die Veröffentlichung zeigt Ansätze zur Optimierung der Leistungsverteilung mehrerer voneinander abhängiger 48 V-Komponenten in verschiedenen dynamischen Fahrmanövern auf. Dabei soll für variierende Leistungsverfügbarkeit des Bordnetzes ein fahrleistungsoptimaler Fahrzeugbetrieb gewährleistet werden. Zur Lösung dieses Optimierungsproblems werden statische, empirische Modelle verwendet. Die dynamischen Fahrmanöver, zur Identifikation der Modellparameter, werden automatisiert an einem Antriebsstrang-Prüfstand durchgeführt. Die Verwendung statischer Modelle wird dadurch möglich, dass die dynamischen Fahrmanöver mithilfe von Bewertungskriterien auf ein statisches Systemverhalten reduziert werden. Die Optimierungs-Ergebnisse werden in einem Versuchsfahrzeug auf der Teststrecke validiert.
Autor: Klaus Lüpkes
Co-Autors: Julien Pillas / Reiner Pätzold / Prof. Dr.-Ing. Bernard Bäker
In der Europäischen Union erfolgt eine kontinuierliche Entwicklung hin zu einer gemeinschaftlichen Energiestrategie, welche den drei Grundprinzipien der Nachhaltigkeit, Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit unterliegt. Die Verwendung heutiger Kraftstoffe im Straßenverkehr entspricht dabei nicht diesem Gedanken. Die europäische Gesetzgebung fordert daher die Erhöhung der CO2-freien Energiebereitstellung. Bereits im Jahr 1995 veröffentlichte die Europäische Kommission ihre Strategie zur Minderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen und zur Senkung des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs. In weiterer Folge wurde eine CO2-Durchschnittsemission von 130 g/km, sowie eine weitere Verringerung um 10 g/km mittels zusätzlicher Maßnahmen ab dem Jahr 2012 festgelegt. Ab dem Jahr 2020 wird der Zielwert von 120 g/km auf 95 g/km herabgesetzt.
Zur Einbindung der leichten Nutzfahrzeuge in die Gesamtstrategie der Gemeinschaft wurde im Jahr 2011 eine CO2-Durchschnittsemission für leichte Nutzfahrzeuge beschlossen. Ab dem Jahr 2014 ist eine durchschnittliche CO2-Emission der neu zugelassenen leichten Nutzfahrzeugflotte von 175 g/km einzuhalten. Vorbehaltlich der Bestätigung der Durchführbarkeit durch die Europäische Kommission wird für das Jahr 2020 ein Zielwert von 147 g/km festgesetzt. Diese rechtlichen Rahmenbedingungen, welche zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Klimaauswirkungen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor führen, stellen wesentliche Innovationstreiber im automotiven Sektor dar. Insbesondere die ab dem Jahr 2020 angestrebten CO2-Durchschnittsemissionen liegen jedoch auf einem derart niedrigen Niveau, dass sie bei der vorliegenden Flottenzusammensetzung kaum mit konventionellen Antriebskonzepten (Verbrennungsmotor) realisiert werden können.
Elektromobilität wird hierbei vielfach als die Lösung zukünftiger Mobilität gesehen. Insbesondere Politik und Medien sehen in der Elektrifizierung des Individualverkehrs ein wirksames Mittel zur erforderlichen deutlichen Absenkung der Treibhausgasemissionen und zur Erhöhung der Energieeffizienz. Seit dem Jahr 2011 werden am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der Technischen Universität Wien neben der Erforschung und Entwicklung alternativer Antriebskonzepte auch umgesetzte batterieelektrische Kraftfahrzeuge mit und ohne Range- Extender, Plug-In Kraftfahrzeuge und Wasserstoffkraftfahrzeuge vermessen und analysiert. Dies mit dem Ziel die Potenziale dieser Antriebskonzepte hinsichtlich Nachhaltigkeit und Klimaschutz sowie Energieeffizienz und Kundenanforderungen zu beurteilen. Die Untersuchungen erfolgen dabei unter realitätsnahen Betriebsbedingungen. Dies betrifft insbesondere die Klimatisierung (Heizen/Kühlen) des Fahrzeuginnenraumes und das Geschwindigkeitsprofil.
Diese Arbeit fasst im Zuge der letzten Jahre entstandene Analyseergebnisse zusammen. Im Fokus der Untersuchungen stand die Bestimmung der Potenziale moderner PKW-Antriebskonzepte zur Senkung des Energiebedarfs und der Treibhausgasemissionen, ohne dabei die Kosten und Alltagstauglichkeit zu vernachlässigen. Je nach Elektrifizierungskonzept sind die Potenziale unterschiedlich groß und gegebenenfalls auch mit Nutzungseinschränkungen verbunden. Die Vor- und Nachteile von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen gegenüber einem modernen konventionellen Diesel-PKW wurden unter Berücksichtigung der sich im Jahresverlauf ändernden Anforderungen praktisch untersucht. Neben realen Betriebsbedingungen fand die Energiebereitstellung von Elektrizität und Dieselkraftstoff Berücksichtigung. Die Ermittlung der realisierbaren Reichweiten, des Energiebedarfs, der Energiekosten, der Wirkungsgrade der Hochvoltkomponenten, der Ladevorgang und der CO2-Emissionen standen dabei im Vordergrund. Da im Besonderen Plug-In-Hybride, aufgrund der hohen Batteriekosten und der teilweise stark eingeschränkten Reichweiten von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen, eine interessante Alternative darstellen, welche die Vorteile des elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebes verbinden sollen, wurden zur Bewertung der Auswirkungen der Elektrifizierung eines konventionellen Antriebskonzeptes mit Verbrennungsmotor vier Plug-In-Hybride im Hinblick auf deren Energieeffizienz, Energiebedarf, Wirkungsgrade der Hochvoltkomponenten, Ladevorgang, Treibhausgasemissionen, Zustartbedingung und elektrische Reichweite untersucht. Die Ermittlung der elektrischen Reichweite unter variierenden Umgebungsbedingungen, bei verschiedenen Fahrsituationen und bei wechselnden Batterieladezuständen war dabei eine der Kernfragen. Neben rein elektrischen und Plugin-Hybriden wurde auch das Konzept des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuges praktisch analysiert, sodass eine umfassende Betrachtung der Potentiale aller wesentlichen elektrifizierten PKW-Antriebe möglich wurde.
Autor: Dr. Werner Tober
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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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