Konzept für Kostengünstigen Niedrigspannung-Hybridantrieb

KONZEPT FÜR KOSTENGÜNSTIGEN NIEDRIGSPANNUNG-HYBRIDANTRIEBEin elektrisch angetriebener Kompressor, ein riemengetriebener Starter-Generator und eine

Turbine zur Rück gewinnung der Abgasenergie: Mit diesen Techniken, deren Herzstück

jeweils ein geschalteter Reluktanzmotor ist, arbeitet ein Hybridkonzept des britischen Unter-

nehmens Controlled Power Technologies (CPT). In Verbindung mit einem im Hubraum um

50 % reduzierten Verbrennungsmotor soll das Kosten-Nutzen-Verhältnis deutlich günstiger

sein als bei klassischen Vollhybridlösungen.

INDUSTRIE HYBRIDANTRIEB

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WENIGER CO2

Die Automobilindustrie hat erfolgreich CO2-reduzierende Konzepte über kleinere Motoren, effiziente Übersetzungen, Start-Stopp-Anwendungen oder teure Voll- Hyb ridlösungen umgesetzt und dem Verbrau cher angeboten. Doch speziell in dem Seg ment milder Hybride fehlen kurzfristig kostenattraktive Lösungen. Deshalb bleibt dieses Marktsegment weit-gehend unbearbeitet [1] – zumal einige Lösungen keinen Fahrspaß erlauben.

Unter diesen Voraussetzungen hat CTP gemeinsam mit ausgewählten Beratern ein Konzept entwickelt, das sowohl wirtschaft-liches Autofahren und als Fahrspaß ermög-li chen soll. Der Ansatz kombiniert einen elektrischen Kompressor mit der Start-Stopp-Technik und einem Konzept zur Rückge-winnung der Abgasenergie.

DREHMOMENTSTEIGERUNG DURCH ELEKTRISCHEN KOMPRESSOR

Die Aufladung des Verbrennungsmotors erfolgt bei dem Konzept von CPT durch eimen reaktionsschnellen elektrischen Kom pressor mit integrierter Steuerungs- und Leistungselektronik. Als Antriebs-motor dient eine luftgekühlte geschaltete Reluktanzmaschine. Sie verfügt über ein insta tionäre Leistung von mehr als 4 kW und kann stufenweise auf bis zu 400.000 min-1/s beschleunigen, .

Anders als ein Abgasturbolader oder ein Kompressor, der über die Kurbel-

welle angetrieben wird, arbeitet der elek-trisch getriebene Kompressor unabhängig von der Motorgeschwindigkeit und ohne di rek ten parasitären Verlust. Dieser ent-schei den de Unterschied ermöglicht es, Fahrspaß auch mit einem radikal verein-fachten Ag gregat bereit zu stellen.

Ein extremes Motor-Downsizing, bei dem das Hubraumvolumen um 50 und mehr sinkt, ist denkbar. Wegen der geringeren parasitären Verluste und den effizienten Teillast-Betriebsbedingungen werden bis zu 30 % Kraftstoff eingespart und dement-sprechend der CO

2-Ausstoß reduziert [2].Ein typischer 2,0-l-Motor aus dem C-

Seg ment mit einer Nennleistung zwischen 80 und 110 kW kann ersetzt werden durch ei nen 1,0-l- bis 1,2-l-Motor mit Direktein-spritzung und und Aufladung. Leider geht die Auslegung des Turboladers auf Maxi-malleistung einher mit einem wenig ak -zeptablen Ansprechverhalten im nieder-tourigen Betrieb.

Um dieses Phänomen auszuschließen, wird steigert der elektrische Kompressor die Luftladedichte über die ersten 500 ms im niedrigen Drehzahlbereich nachhaltig. In der 12-V-Konfiguration beschleunigt der Kompressor aus dem Stand auf 70.000/min innerhalb von weniger als 350 ms. Der Wert kann mit höheren Stromspannungen auf weniger als 200 ms reduziert werden. Die Impulsge-schwindigkeit erlaubt es dem System, kontinuierlich auf verändernde Lastbe-dingungen zu reagieren, indem signifi-kant zusätzliche Ladeluft zugeführt wird

GUY MORRIS ist Entwicklungschef von

CPT Controlled Power Technologies in Laindon (Großbritiannien).

MARK CRIDDLE verantwortet den Bereich elektrische Aufladung bei


MIKE DOWSETT leitet den Bereich Mikrohybrid bei


DR. RICHARD QUINN ist leitender Vorentwickler bei CPT

Controlled Power Technologies in Laindon (Großbritiannien).

AUTOREN

Beschleunigung des elektrischen Kompressors bei Hochlauf auf 70.000/min

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und so bis zu 20 kW zusätzliche Leistung zur Verfügung steht.

Wird der elektrische Kompressor beispiels-weise mit einem 1,2-l-Motor mit Direktein-spritzung und Abgasturbolaufladung [3] ver-bunden, steigert das System das stationäre Drehmoment um 55 % bei einer Drehzahl unter 2500/min und das verfügbare Dreh-moment bei Beschleunigung aus niedriger Drehzahl um mehr als 88 %, [3].

Die Kombination eines hochdyna-mischen, präzise kontrollierten elektri-schen Kompressors mit einem serien-mäßigen konventionellen Wastegate-

Turbolader vereinfacht die Optimierung des System-Ansprechverhaltens im Ver-gleich zu komplexen, weniger empfäng-lichen und signifikant parasitären Metho-den der zweistufigen Aufladung [4].

NIEDERSPANNUNGS-REKUPERATION MIT START-STOPP-AUTOMATIK

CPT hat eine Stopp-Start-Lösung der nächsten Generation entwickelt, die auf-grund einer sensiblen Kontrollstrategie erheblich weniger Stopps verhindert und den zusätzlichen Nutzen einer effektiven

Niedrigspannungs-Rekuperation der Brems- energie bietet.

Konfiguriert ist das System als ein riemen-getriebener Starter-Generator mit vollinteg-rierter Elektronik. Es ist nicht nur der welt-weit leistungsstärkste riemengetriebene Starter-Generator, der mit 12 V arbeitet, sondern das erste System, das die Einstel-lung des Fahrers gegenüber der Start-Stopp-Technik ändern könnte. Diese fehlende Akzeptanz war bislang dafür verantwort-lich, dass die Autohersteller von einer Mas-senproduktion dieser Technik absahen.

Für Start-Stopp-Applikationen wird die mit 72 Nm Drehmoment und mit 2,4 kW Leistung arbeitende geschaltete Reluktanz-maschine mit Flüssigkeit gekühlt. Sie ent-wickelt Stromspitzen von 205 A und eine maximale Dauerleistung von 2,7 kW. Der Systemwirkungsgrad beträgt zirka 90 % über einen signifikanten Bereich seines Leistungsspektrums, .

Bei Reaktionszeiten von unter 10 ms, die erforderlich sind, um die volle Strom-leistung in die Wicklungen einzuleiten, schließt der Reluktanzmotor Hochlaufver-zögerungen gesichert aus und erlaubt dem Motor einen unmittelbaren Neustart. Die-ses umgehende Reaktionsverhalten wen-det sich in vollem Umfang an die Einstel-lung des Fahrers und unterscheidet sich vollständig von einem konventionellen Startgenerator, bei dem der Fahrer darauf warten muss, dass der Motor vollständig herunter gefahren ist, bevor der Neustart in Gang gesetzt werden kann, .

Unter NEDC-Testbedingungen liefert die „SpeedStarts“ genannte Technik 3 bis 5 % CO2-Emissionsreduktion. Die ausgewiesene Effizienz des geschalteten Reluktanzmotors eröffnet im Vergleich zu einer konventionel-len Alternative nochmals 1 % Verbesse-rung. Eine Bremsenergierekuperation in Verbindung mit einem optimierten Spei-chersystem bietet – abhängig von der ein-gesetzten Spannung – weitere 3 bis 5 % Fortschritt. Eine mit höherer Spannung ausgestatte Maschine kann entsprechend bis zu 10 % geringere Kohlenstoff-Emissio-nen bewirken.

Fortschrittliche Start-Stopp-Technik, entwickelt als eine massentaugliche Mikro-Hybridlösung, ist eine kosteneffektive CO

2-Reduktion über breite Fahrzeugseg-mente hinweg. Das System von CPT hat seine Leistungsfähigkeit sowohl in einem 2,0–l-Dieselmotor wie auch in einem 4,4-l-Ottomotor unter Beweis gestellt.

Drehmomentverlauf bei Volllastbeschleunigung eines 1,2-l-Motors mit und ohne elektrischen Zusatzkompressor

Kennfeld für den Systemwirkungsgrad bei einem riemengetriebenen Starter-Generator


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ABGASENERGIE-RÜCKGEWINNUNG AUF DER GRUNDLAGE ERPROBTER TECHNIK

„Tigers“ (Turbo-generator Integrated Gas Energy Recovery System) nennt CPT ein turbinenbasiertes System zur Abgasen-ergie-Rückgewinnung. Es befindet sich aktuell in der Testphase und wird bis 2015 als produktionsreif erwartet. Auch für diese Anwendung kommt eine flüssiggekühlte geschaltete Reluktanzmaschine zum Ein-satz. Verbunden mit einer optimierten Niedrigdruck-Abgasturbine ist sie darauf ausgerichtet, bei Abgastemperaturen von 900 °C und bei Drehzahlen bis 80.000/s zu arbeiten. Ein derartiges Konzept kann eine elektrische Leistung von bis zu 2 kW bei 12 V sowie potenziell bis zu 6 kW Leistung bei einer Spannung von 50 V entwickeln.

Das System verfügt zusätzlich über ein Bypass-Ventil, das den Abgasstrom im Turbogenerator moduliert. Das versiegelte Wälzlagersystem benötigt keine Motoröl-Zuführung. So kann der Generator an nahezu jedem Ort im Abgassystem ange-bracht werden, an dem Raum für ein flüs-sigkeitsgekühltes System ist.

Die primäre Aufgabe des Systems ist die Umwandlung von Abgashitze in elektrische Energie und kann damit praktisch den Ruhestrom eines kurbelwellengetriebenen Generators eliminieren oder sogar poten-ziell die Kurbelwellen-Leistung eines

riemengetriebenen Starter-Generators erset-zen. Dies eröffnet besonderen Chancen bei höheren Autobahngeschwindigkeiten, bei denen konventionelle gedrosselte Ottomo-toren 25 % weniger Effizienz aufweisen als Common-Rail-Dieselmotoren.

Reaktion auf Neustart nach „Motor aus“

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KOSTENEFFEKTIVES MANAGEMENT DER REKUPERIERTEN ENERGIE

Das Konzept „RegEnBoost“ verbindet alle drei Techniken [5] und erlaubt es, den elektrischen Kompressor und den Starter-Generator aus dem geschlossenen Kreis höherer Spannung (bis zu 50 V) Energie zu beziehen. Die Energie wird wiederum vom Startergenerator (im Rekuperations-modus) und dem Abgasgenerator gelie-fert. Diese beiden „Rekuperatoren“ sind mit einer verschlossenen Bleibatterie ver-bunden, die durch zusätzlichen Kohlen-stoff am Negativpol für Hochleistungs-Energiespeicherung und -entnahme opti-miert ist. Diese neue Technologie der Bleisäurebatterie [6] hält die Kosten nied-rig, akzeptiert jedoch ein hohes Maß an regenerativer Leistung ohne den bei kon-ventionellen Batterien bekannten Subs-tanzverlust. So ist es möglich, mindestens 3 kW aus regenerativem Bremsen zu speichern und zusätzlich die Start-Stopp-Funktion bereitzustellen.

Die rekuperierte Energie aus Abgas und Bremsen wird in Höhe von 20 bis 40 kJ gepuffert, um die Zuverlässigkeit des elektrischen Laders sicherzustellen. Zusätzlich kann über einen Wechselstromrichter eine

stabile Versorgung des 12-V-Systems des Fahrzeugs gewährleistet werden.

Für eine typische Volllastbeschleunigung wird bei dem Konzept von CPT eine elekt-rische Energie von 3 bis 6 kJ benötigt, . Um eine vergleichbare Drehmoment-Unter-stützung mit einem auf der Kurbelwelle montierten Elektromotor zu erreichen, sind 25 bis 50 kJ erforderlich.

ZUSAMMENFASSUNG

Durch Einführung des RegEnBoost-Konzepts bei C- oder sogar CD-Segment-Fahrzeugen könnten die Emissionsziele von weniger als 100 g/km CO2 mit einem aufgeladenen 1,0-l-Ottomotor mit Direkteinspritzung erreicht werden, der das gewohnte Drehmoment eines 2,0-l-Saugmotors bereitstellt. Die bes-ten Dieselmotoren im C-Segment erreichen derzeit CO2-Emissionswerte von 105 bis 115 g/km. Gleichzeitig ist die Anpassung eines Euro-5-Dieselmotors an die gesetz-lichen Anforderungen kostenintensiv; die bevorstehenden Euro-6-Standards werden die Verbrauchsvorteile des Dieselmotors weiter erodieren lassen und zusätzliche Kos-ten hinzufügen. Benzingetriebene Hybrid-fahrzeuge erreichen heute bereits die CO2-Emissionsgrenzwerte unterhalb von 100 g/

km. Ihr Hochspannungssystem hat jedoch erheblichen Einfluss auf Fahrzeugkosten, Abmessungen und Zuladung.

Durch den Einsatz kosteneffektiver Hybridtechniken mit Niedrigspannung analog des vorgestellten Baukastensys-tems entwickelt RegEnBoost die Chancen für eine realistische CO2-Reduzierung bei deutlich niedrigeren Systemkosten ver-glichen mit einem Voll-Hybridmotor oder Euro-5/6-Dieselmotoren.

LITERATURHINWEISE[1] Bastien, R.: Sustainable Mobility for All. 31. Wiener Motorensymposium 2010[2] Downsizing – Realized with a 1.2 l 3-Cylinder Engine, 17. Aachener Kolloquium[3] SAE paper 2009-01-1053[4] Morris, G., Criddle, M.: Transient Torque Enhancement and Emissions Reduction Potential of a Highly Dynamic Supercharger. 13. Auflade-technische Konferenz, Dresden 2008 [5] Lam, L.T.; Louey, R.: Development of ultra- battery for hybrid-electric vehicle applications. CSIRO Energy Technology, 25 August 2006

Vergleich zwischen elektrischem Kompressor und elektrischer Maschine im Antriebsstrang

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