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  • 48-V-Hochleistungs-Vollhybridsystem von Vitesco

    48-V-Hochleistungs-Vollhybridsystem von VitescoElektrisches Fahren ist bereits mit 48-V-Hybridisierung möglich. Vitesco Technologies entwickelt ein System, das als Antriebsstrang in einem 48-V-Vollhybrid geeignet ist. Die Hochleistungstechnologie bietet eine kostengünstige Hybridisierung, um bis zu 20% weniger CO 2 -Emissionen im WLTP zu erzielen . Zusätzlich zum Antrieb enthält das System die kombinierte 12- und 48-V-Lithium-Ionen-Batterie Advanced Energy Storage und den elektrisch beheizten Katalysator Emicat.

    Je weiter die Zeit vergeht, desto dringlicher wird die Aufgabe, die CO 2 -Emissionen von Neuwagen weiter zu senken , um die von der EU geforderten Ziele zu erreichen, den Durchschnitt der Neufahrzeugflotte um 15 (2025) und 37,5% (2030) zu senken. Dies erfordert eine größere Verbreitung von elektrifizierten Antrieben. Neben rein elektrischen Fahrzeugen und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEV) sind auch vollhybride Elektrofahrzeuge (FHEV), die nicht extern aufgeladen werden, aber dennoch rein elektrisches Fahren ermöglichen, in diesem Zusammenhang besonders in städtischen Gebieten gefragt .

    Eine Analyse der öffentlich zugänglichen Zahlen auf dem deutschen Hybridmarkt zeigt folgendes Bild: Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV) decken eine breite Palette von Fahrzeugtypen und Preisklassen ab, Abbildung 1. Im Vergleich zu den anderen Systemen ermöglichen MHEV nur geringes CO 2 Ersparnisse. FHEVs sind vergleichsweise selten, werden jedoch überwiegend im Hochvolumensegment eingesetzt und ermöglichen im Vergleich zu MHEVs deutlich geringere CO 2 -Emissionen. PHEVs erreichen sehr niedrige CO 2 -Typ-Zulassungswerte, jedoch zum Nachteil einer signifikanten Preisprämie im Vergleich zu MHEVs und FHEVs, was bedeutet, dass sie in den höheren Preisklassen nur über den Segmenten A und B zu finden sind. Die nächste Aufgabe kann leicht aus dieser Marktsituation abgeleitet werden. Um das erforderliche CO zu erreichen 2 Reduktion für Neuwagen in der Flotte, wird es notwendig sein , um den Kraftstoffverbrauch weiter in dem kostenempfindlichen hochvolumige Segment zu reduzieren.

    Datengesteuertes Design des 48-V-Vollhybridantriebs

    Um die Frage zu beantworten, wie viel Leistung ein elektrischer Antrieb in einem FHEV benötigt, mussten datengesteuerte Analysen des Fahrverhaltens im realen Verkehr sowie Simulationen zur Bestimmung der Effizienz verwendet werden. Solche Untersuchungen sind möglich, weil Vitesco Technologies seine Test- und Benchmark-Fahrzeuge mit einem IoT-Client ausstattet und die im Fahrzeug erfassten Betriebsdaten zusammen mit Karteninformationen kontinuierlich in der Cloud speichert. Dies bedeutet, dass es immer möglich ist, neue Probleme zu untersuchen und darauf zu reagieren.

    Abbildung 2 zeigt eine solche Untersuchung. Die Verteilung der Traktions- und Rekuperationskraft im Antriebsstrang wird auf verschiedenen Streckenprofilen (Stadt, Land, Autobahn) dargestellt. Als Medium für die Datenerfassung diente hier ein Elektrofahrzeug aus dem C-Segment, das von mehreren Fahrern in unterschiedlichen Regionen eingesetzt wurde, um Einflüsse durch Schaltvorgänge oder die Turboladerdynamik auszuschließen. Die Fahrten erstreckten sich über eine Gesamtstrecke von 4887 km. Unter Traktionsbedingungen wurde festgestellt, dass eine Leistung zwischen 20 und 30 kW, genauer gesagt eine über 20 s gemittelte Leistung, ausreicht, um die meisten Fahrsituationen im innerstädtischen Betrieb abzudecken. Selbst während der Fahrt auf Landstraßen kann ein erheblicher Teil des Lastbedarfs problemlos abgedeckt werden. Nur auf Autobahnen ist der Großteil der vom Fahrer angeforderten Leistung deutlich höher. In Bezug auf die Rekuperation erweist sich die Leistungsklasse bis 30 kW als noch relevanter: Fast alle regenerativen Verzögerungsprozesse, unabhängig von der Art der Straße, werden abgedeckt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine elektrische Antriebsleistung zwischen 20 und 30 kW im C-Segment als FHEV geeignet ist, der in der Stadt rein elektrisch fahren kann und dank a eine gute Effizienz im realen Verkehr aufweist hohes Maß an Erholung.


    Das 48-V-Hochleistungslaufwerk

    Um die beschriebenen Anforderungen an einen elektrischen FHEV-Antrieb mit 48-V-Technologie so kostengünstig wie möglich zu erfüllen, hat Vitesco Technologies auf seine langjährige Erfahrung auf diesem Gebiet zurückgegriffen, um das Potenzial dieser Technologie zu steigern. Das Ergebnis ist ein elektrisches 48-V-Hochleistungsantriebssystem, das vorübergehend die doppelte Leistung einer herkömmlichen 48-V-Maschine liefern kann. Auf diese Weise können die Hauptmerkmale der konventionellen Hochspannungs-Vollhybridisierung erfüllt werden - zu einem Marktpreis für das System, der um rund 25% niedriger ist [1].

    Der 48-V-Hochleistungsantrieb, der sich derzeit in der Weiterentwicklung befindet, wird voraussichtlich ab 2024 für den Einsatz in Serienfahrzeugen verfügbar sein und im Motormodus eine mechanische Spitzenleistung von bis zu 30 kW für ein elektrisches Drehmoment von bis zu 5 s und 70 Nm erreichen 3. Die neue Maschine kann bis zu 20 s mindestens 20 kW und praktisch dauerhaft 12 kW Leistung liefern. Trotzdem misst die Maschine bei einer Länge von 235 mm nur 175 mm im Durchmesser - eine wesentliche Voraussetzung für den Einbau in eine Quergeometrie. Grundsätzlich sind alle Formen der Integration in Hybride möglich, dh P0, P2, P3 und P4. Die permanent erregte Synchronmaschine (PSM) ist flüssigkeitsgekühlt und erreicht eine Drehzahl von bis zu 20.000 U / min. Für den Stator dieses PSM wurde eine I-Pin-Wicklung ausgewählt. Permanentmagnete sind auf der Rotorseite so positioniert, dass der magnetische Reluktanzeffekt ebenfalls erheblich zum Drehmoment beiträgt. Der im Gerät integrierte Sechs-Phasen-Wechselrichter basiert auf einer flüssigkeitsgekühlten Leistungselektronik mit in die Leiterplatte integrierten Leistungshalbleitern (Embedded-Technologie) und ermöglicht so die hohe Leistungsdichte. Der Wirkungsgrad liegt bei den Erstmustern bei bis zu 90% und kann hinsichtlich des Produktionsdesigns weiter gesteigert werden.


    Demofahrzeug

    Um das volle Potenzial seiner 48-V-Technologie praktisch zu testen und die daraus resultierenden Synergien zu demonstrieren, integrierte Vitesco Technologies den 48-V-Hochleistungsantrieb, das AES-Modul (Advanced Energy Storage) und den elektrisch beheizten 48-V-Katalysator Emicat mit 4 kW Leistung in einem Demofahrzeug, Abbildung 4. Als Grundlage wurde die zuvor gemeinsam mit Partnern für ein 48-V-MHEV entwickelte P2-Hybridarchitektur verwendet [2]. Der bisherige 48-V-E-Motor wurde durch das neue Hochleistungsantriebssystem ersetzt. Als Energiespeicher stehen zwei Lösungen zur Verfügung: Entweder kann der 48-V-AES zur Realisierung eines FHEV verwendet werden, oder eine größere 48-V-Batterie wird verwendet, um das Potenzial eines 48-V-PHEV zu untersuchen. Die elektrische Maschine ist seitlich zwischen dem Verbrennungsmotor und einem Sechsgang-Schaltgetriebe mit zwei automatischen Kupplungen, K0 und K1, mit einem Riemenantrieb ausgestattet. Zwei elektrische Wasserpumpen kühlen den Verbrennungsmotor und den elektrischen Antrieb bei Bedarf für maximale Effizienz. Der Verbrennungsmotor im Testfahrzeug ist der turbogeladene 1,0-l-Dreizylinder-EcoBoost-Benziner von Ford (Modelljahr 2015).


    Kraftstoffeffizienz und Fahrbarkeit

    Das CO 2 -Einsparungspotential in WLTP mit dem 48-V-Hochleistungs-FHEV beträgt 19% auf Basis von Simulationen im Vergleich zum nicht elektrifizierten Referenzfahrzeug, Abbildung 5. Messungen mit dem Demofahrzeug bestätigen diesen Wert, wenn die folgenden Faktoren berücksichtigt werden zu berücksichtigen: Zum einen kann das Erholungspotential erhöht werden. Das Bremssystem des Prototypautos erlaubt nur eine begrenzte Bremsmischung und das manuelle Getriebe erfordert das Öffnen des Antriebsstrangs während der Erholung, um die Gänge zu schalten. Andererseits zeigen die ersten Beispiele des 48-V-Hochleistungsantriebs noch nicht das volle Potenzial von Produktionsteilen, was auf einen Wirkungsgrad von weit über 90% hindeutet. Ein weiteres Herunterdrehen unter Verwendung des Drehmoments des Elektromotors bringt schließlich ein zusätzliches Einsparpotential von 1%.

    Die hohe Energieeffizienz des 48-V-Hochleistungs-FHEV ist nicht nur für WLTP relevant, sondern auch für den realen Verkehr. Auf einem Stadtfahrrad in Regensburg (Deutschland) wurde ein Kraftstoffverbrauch von nur 4,7 l / 100 km als Durchschnitt über verschiedene Antriebe und Fahrer gemessen.

    Neben dem hervorragenden Wirkungsgrad ist die sofortige Verfügbarkeit des Drehmoments des Elektromotors ein wesentlicher Vorteil für das 48-V-Hochleistungssystem. Abbildung 6 zeigt die Dynamik des Demofahrzeugs beim Manöver beim Beschleunigen von 20 auf 60 km / h im dritten Gang im Vergleich zur Beschleunigung nur mit dem Verbrennungsmotor. Das elektrische Boosten reduziert die Zeit bis zum Drehmoment auf 200 ms und die Enddrehzahl wird fast doppelt so schnell erreicht, indem die Turboverzögerung vollständig kompensiert wird. Sobald der Verbrennungsmotor sein volles Drehmoment aufgebaut hat, erhöht die elektrische Maschine das Antriebsmoment weiter.


    AES und Fahrzeugelektrik

    Die Komplexität eines Hybrid-Bordnetzes für Fahrzeuge mit einer 12- und 48-V-Seite kann durch die Verwendung eines gemeinsamen Energiespeichers für beide Systeme erheblich vereinfacht werden. Zu diesem Zweck hat Vitesco Technologies ein kombiniertes Lithium-Ionen-Speichermodul mit 12- und 48-V-Ausgang entwickelt und in das 48-V-Hochleistungs-FHEV integriert. Innerhalb des AES-Moduls sind ein 12- und ein 36-V-Zellenstapel so miteinander verbunden, dass sie 12 und 48 V erzeugen und freigeben können (Abbildung 7). Zusätzlich ist ein bidirektionaler 3-kW-DC / DC-Wandler integriert als Batteriemanagementsystem für beide Spannungsstufen. Der getestete Prototyp hat eine Nennleistung von 1,45 kWh und kann bis zu 40 kW Strom liefern. Dies gibt ihm die richtigen Abmessungen für den 48-V-Hochleistungsantrieb mit 30 kW mechanischer Leistung. Das AES wird durch eine Reihe integrierter Lüfter gekühlt.

    Für die beiden Zellstapel im AES werden unterschiedliche Lithium-Ionen-Zellen verwendet. Die beiden Zellenstapel, die für das 12-V-System parallel zu insgesamt 40 Ah geschaltet sind, basieren auf Lithiumeisenphosphat (LFP) und sind aufgrund ihrer geringen Variation der Leerlaufspannung über den Ladezustandsbereich ( SoC) der Batterie sind sie ideal geeignet, um das 12-V-System mit seinen engen Spannungsgrenzen zu versorgen. Für den 36-V-Zellstapel werden dagegen Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) -Oxidzellen mit insgesamt 28 Ah verwendet, da sie eine besonders hohe Leistungsdichte bieten.

    Beim Umschalten auf AES kann auf die schwere 12-V-Blei-Säure-Batterie verzichtet werden. Neben der erheblichen Gewichtsersparnis und dem reduzierten Installationsraum (390 × 300 × 180 mm im hier beschriebenen Prototyp) im Vergleich zu einem Doppelbatterie-Design mit einer Blei-Säure-Komponente und einem externen DC / DC-Wandler bietet der AES weitere Vorteile. Einerseits ermöglicht die Lithium-Ionen-Technologie auch eine umfassende Nutzung der im 12-V-System installierten Kapazität durch zyklisches Entladen und Laden. Andererseits kann der DC / DC-Wandler verwendet werden, um die gespeicherte Energie flexibel zwischen den beiden Zellenstapeln zu verschieben (Zellenausgleich). So kann der AES ein geparktes Fahrzeug über einen typischen Zeitraum von sechs Wochen mit elektrischer Energie im 12-V-System versorgen, ohne die Startfähigkeit des Fahrzeugs zu beeinträchtigen.

    Der AES-Prototyp wurde sowohl auf einem Batterieteststand als auch in einem 48-V-Hybridfahrzeug getestet, um zu bestätigen, dass dieses System als einzige Stromquelle für einen 48-V-Hybrid geeignet ist. Abbildung 8 zeigt als Beispiel drei Betriebsarten: Fahren im Leerlauf mit anschließendem Neustart des Verbrennungsmotors (links), eine Erholungsphase (Mitte) und eine Parksituation mit Zellenausgleich (rechts).


    PHEV mit 48-V-Hochleistungsantrieb

    Die Fähigkeit, mit dem 48-V-Hochleistungsantrieb elektrisch zu fahren, warf schon früh die Frage auf, ob ein solches Fahrzeug mit einer größeren Traktionsbatterie auch als PHEV geeignet wäre, um noch mehr Kraftstoff zu sparen. Dies wurde anhand von Simulationen untersucht. Die externe Lademöglichkeit eröffnet die Möglichkeit, lange Strecken mit dem rein elektrischen Fahrzeugmodus (Charge Depleting Mode) zurückzulegen, wobei beispielsweise der WLTP nicht rein elektrisch angetrieben wird, sondern in dem der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine kombiniert werden eine effiziente Art und Weise. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass ein C-Segment-Fahrzeug mit diesem Antrieb CO 2 erreichen kann Emissionen von unter 50 g / km, gewichtet nach EU 2017/1151, sind daher in vielen Ländern als emissionsarmes Fahrzeug förderfähig, was in Deutschland eine Subvention von 4500 Euro (ab 2020) bedeutet.

    Es ist eine viel diskutierte Tatsache, dass die tatsächlichen Kraftstoffverbrauchswerte eines PHEV - unabhängig von den Homologationswerten - sehr stark vom Verhalten des Fahrers abhängen, insbesondere in Bezug auf die Häufigkeit des Ladens. Bei der vorgeschlagenen Darstellung eines 48-V-Hochleistungs-PHEV liegt der Fokus auf den niedrigstmöglichen realen Verbrauchswerten wie heute bei Dieselfahrzeugen. In WLTP beispielsweise, wo ein großer Teil einer Strecke rein elektrisch gefahren wird, solange genügend Energie in der Batterie verfügbar ist (hier mit einer Kapazität von 8,6 kWh angenommen), ergibt sich für a ein durchschnittlicher Verbrauch von nur 1,6 l / 100 km Entfernung von ca. 50 km - entsprechend zwei WLTC-Zyklen nacheinander, Abbildung 9.


    Fazit und Ausblick

    Der elektrische 48-V-Hochleistungsantrieb bietet eine Lösung für die Einführung der Elektrifizierung in kostensensitiven Volumensegmenten. Dies gilt insbesondere in Kombination mit dem AES als kompaktem, leichtem und leistungsstarkem Energieversorgungsgerät für das elektrische 12- und 48-V-System und mit dem elektrisch beheizten Katalysator Emicat, um auch bei niedrigen Temperaturen einen sauberen Einsatz des Verbrennungsmotors zu gewährleisten Temperaturen.

    Als 48-V-Hochleistungs-Vollhybridsystem bietet es Antriebsfunktionen, die bisher Hochspannungs-FHEVs mit einem viel höheren Systempreis vorbehalten waren. Beispielsweise wird erwartet, dass ein 48-V-FHEV den Marktpreis im Vergleich zu einem Hochspannungssystem um rund 25% senkt. Nach aktuellen Schätzungen dürfte ein 48-V-Hochleistungs-PHEV mit einer entsprechend größeren Batterie einen Preisvorteil von 10% gegenüber der Hochspannungstechnologie haben [1]. Mit dem 48-V-Hochleistungs-FHEV können Konzepte implementiert werden, die das rein elektrische Fahren unterstützen, insbesondere in städtischen Gebieten, oder der Verbrennungsmotor durch elektrisches Boosten so unterstützt werden, dass das Fahrverhalten viel attraktiver wird.
    Für das Volumensegment ist es entscheidend, dass dieser neue Antrieb in der 30-kW-Leistungsklasse mit der heutigen großtechnischen Produktionstechnologie umgesetzt wird und daher wirtschaftlich rentabel ist. Die Abmessungen wurden bewusst auf Plattformeignung optimiert. Mit einer CO 2 -Einsparung im WLTP von fast 20% und der Option einer besonders hohen Kraftstoffeinsparung im 48-V-PHEV-Design kann die Leistung der elektrischen Maschine einen wesentlichen Beitrag zur weiteren CO 2 -Reduktion leisten . Für zukünftige rein elektrische innerstädtische Fahrzeugkonzepte (Sub-A-Segment) eignet sich die 48-V-Hochleistungstechnologie als alleinige Antriebslösung mit erheblichen Kosten- und Verpackungsvorteilen.



    Verweise

    [1] Lauer, S; Perugini, M.; Weldle, R.; Graf, F.: 48 Volt High Power - viel mehr als ein milder Hybrid. 29 th Aachener Kolloquium Sustainable Mobility, Aachen, 2020

    [2] Wagner, U.; Rauch, M.; Eckl, T.; Schamel, A.; Weber, C.; Springer, M.; Maiwald, O.; Knorr, T.; Lauer, S.: 48 V P2 Hybridfahrzeug mit optimiertem Motorkonzept - Optimales Fahrverhalten bei hervorragendem Kraftstoffverbrauch und Wirtschaftlichkeit. 37 th Internationales Wiener Motorensymposium, Wien, 2016

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