Hybridantriebe / Elektrifizierte Antriebe

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Einführung Hybrid

Unter Hybridantrieben werden Antriebssysteme mit mehr als einer Antriebsquelle verstanden, wobei die derzeit diskutierten Fahrzeuge zusätzlich zum Verbrennungsmotor mindestens einem Elektromotor mit dazugehöriger Leistungselektronik, Gleichspannungswandler und einem oder mehreren elektrischen Energiespeicher als Hauptkomponenten aufweisen. Je nach Grad der Hybridisierung, d.h. Anteil der installierten elektrischen Leistung und Batteriegröße, lassen sich mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Antriebskonzepten erzielen.

So reichen die Optionen vom Verbrennungsmotor mit Start-Stopp über eine Anfahrunterstützung durch die elektrischen Maschinen (Boosten) und Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) bis hin zum rein elektrischen Fahren über weite Strecken bei Plug-In-Hybriden. Zusätzlich können die Verbrennungsmotor-Betriebspunkte in verbrauchsgünstigere Bereiche verschoben werden. In Summe können hierdurch Wirkungsgradverbesserungen erzielt, Emissionen gesenkt und die Fahrdynamik, insbesondere bei Downsizing-Motoren im unteren Drehzahlbereich verbessert werden.

 

Systemdesign und Systemsimulation

Hybridsystemoptimierung Urheberrecht: © RWTH Aachen | TME

Um die Vorteile eines Hybridantriebes voll ausnutzen zu können, kommt der Auslegung der Hybridkomponenten und der Betriebsstrategie während des Entwicklungsprozesses eine besondere Bedeutung zu. Aufgrund der Vielzahl der Antriebsstrangkomponenten ist eine optimierte Auslegung des Gesamtsystems mit herkömmlichen Methoden nicht zu bewältigen.

Im Rahmen der von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraft-maschinen (FVV) geförderten Forschungsprojekte „Optimierte Auslegung von Benzinmotoren in Hybridantriebs-strängen (FVV 863)“ und „Untersuchung zur optimierten Auslegung von Hybridantriebsträngen unter realen Fahrbedingungen (FVV 1011)“ wurde am VKA in Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie ein neuartiger Ansatz zur Optimierung von Benzinmotoren für Hybridantriebe sowie der Antriebsstrangkomponenten entwickelt. Hierzu wurde eine Kombination aus Simulation des Hybridantriebsstrangs und numerischen Optimierungsverfahren genutzt.

Die Optimierung der Antriebsstrang- und Betriebsstrategieparameter geschieht durch die Methode der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments). Aus den so vorgegebenen Verbrennungsmotor- und Antriebstrang-Kombinationen kann zusammen mit dem errechneten Kraftstoffverbrauch eine optimale Kombination der Parameter gefunden.

Dieses für PKW-Antriebsstränge entwickelte Verfahren aus den vorhergehenden Forschungsprojekten wird im Forschungsvorhaben „Alternative Nutzfahrzeugantriebe für LKW und BUS ("ANFAHRT") – Sauberer und energieeffizienter Straßentransport“ auf Nutzfahrzeuge angewandt und auf die geänderten Anforderungen von Nutzfahrzeugen weiterentwickelt. Dies sind vor allem die Änderung der Verbrennungskraftmaschine auf einen Dieselmotor, das geänderte Getriebe und die höheren Lasten durch das gestiegene Gewicht. Auch die Testzyklen für die Auslegung sind verschieden vom PKW. Außerdem sind die elektrischen Komponenten leistungsfähiger zu dimensionieren.

Das Forschungsvorhaben "ANFAHRT" ist gefördert durch das Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung NRW (MIWFT). Die deutlichen Vorteile von Hybridantrieben - vor allem im Stadtverkehr - bieten ein großes Potential zur Verbrauchseinsparung bei gleichzeitiger Verbesserung der Fahrdynamik, was sich vermutlich in steigenden Marktanteilen von hybriden Konzepten widerspiegeln wird.

 

Hybridkomponenten

Kombinierte Batterie Urheberrecht: © FEV Europe GmbH

Zusätzlich zum Systemdesign und -simulationen hat das TME zahlreiche Hybridkomponenten entworfen und realisiert. Mit der kombinierten Batterie zum Beispiel hat das TME in Zusammenarbeit mit der FEV Europe GmbH ein innovatives und kosteneffizientes Batteriekonzept vorgestellt, welches eine individuelle Konfiguration der Batterie durch die Kombination von Energie- und Leistungsmodulen ermöglicht.

Der Stromfluss zwischen den Energie- und Leistungsmodulen wird durch einen kosteneffizienten Stromregler realisiert. Die kombinierte Batterie verwendet eine optimierte Ladestrategie, welche Lebensdauervorteile bietet. Zusätzlich generiert sie Kostenvorteile von 12% und eine Gewichtsersparnis von 18%, verglichen mit konventionellen Batterietechnologien. Der Stromregler ermöglicht die Kombination verschiedener Zelltypen, gleichzeitig erlaubt es die Auslegung modularer Systeme für eine große Spanne an Applikationen mit potentiellen Skaleneffekten. Mit dem neu erbauten CMP hat das TME die Möglichkeit alle Komponenten eines Hybridantriebsstrangs einzeln und im Verbund zu testen.

 

Funktionsentwicklung

Aufgrund des komplexen Zusammenspiels der vorgestellten Komponenten eines Hybridantriebs, kommt der Steuerung sowie Koordination der Komponenten eine hohe Bedeutung zu. Die Steuerung dieses mechatronischen Gesamtsystems übernehmen Funktionen, welche auf Steuergeräten umgesetzt werden, was im Allgemeinen als Funktionsentwicklung bezeichnet wird. Um das vorhandene Potential der Hybridantriebe vollends auszunutzen, beschäftigen sich Mitarbeiter des TME deshalb mit der Funktionsentwicklung aller beteiligten Komponenten. Zusätzlich zum Motorsteuergerät sind dies unter anderem das Batteriesteuergerät, der Wechselrichter und das Getriebesteuergerät.

Neben der Komponentensteuerung kommt der Komponentenkoordination eine besondere Bedeutung zu, welche innerhalb des Hybridsteuergeräts durch die Betriebsstrategie realisiert wird. Hierbei wird unter Berücksichtigung von Komponentengrenzen die Leistungsaufteilung auf die vorhandenen Energiewandler realisiert um den aktuellen Fahrerwunsch umzusetzen. Durch den erhöhten Freiheitsgrad handelt es sich hierbei um eine komplexe Themenstellung, welche aber maßgeblich die Systemeffizienz bestimmt. Aus diesem Grund ist das prädiktive Energiemanagement ebenfalls Gegenstand aktueller Forschungsvorhaben am Lehrstuhl. Hierbei werden unter Verwendung der Fahrzeugkommunikation (V2X), Fahrzeugsensoren (z.B. Radar, Kamera) und GPS-Kartendaten Informationen über den zukünftigen Streckenverlauf sowie des Verkehrszustands generiert. Dies bildet die Basis für eine nachgeschaltete Echtzeitoptimierung, welche das Ziel hat die Fahrstrecke wirkungsgradoptimal zu befahren.

 

Umsetzung

Die beschriebenen Kompetenzen werden in verschiedenen Forschungsvorhaben gebündelt und in Demonstratoren umgesetzt. Zwei Beispiele hierfür sind einerseits ein erdgasbetriebener Rangeextender im Forschungsvorhaben GreenREX sowie ein Brennstoffzellenrangeextender im Forschungsvorhaben Breeze!

 

 

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Seyedmehdi Hosseininasab

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Batterie

Lithium Ionen Batterie Urheberrecht: © RWTH Aachen | TME

Neben der Forschung und Entwicklung von Verbrennungsmotoren hat das Institut seit mehr als zehn Jahren auch seine Kompetenz im Bereich Elektromobilität erweitert. Zu den Aktivitäten gehören die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS), Simulationsmodellen und Diagnosealgorithmen sowie die Batteriezellencharakterisierung und die Batterielebensdauerprüfung.

Experimentelle Untersuchung
Für den Simulations- und Validierungsprozess zur Erforschung neuartiger Batterietechnologien sind unterschiedliche Messungen erforderlich. Die Charakterisierungen des elektrischen Verhaltens, des thermischen Verhaltens und des Alterungsverhaltens kann am TME selber durchgeführt werden. Ebenso wurde im Zusammenwirken mit dem CMP ein Batterieprüfstand aufgebaut, der für eine Vielzahl von thermischen Tests zur Verfügung steht. Hier ist es möglich, unter kontrollierten thermischen Bedingungen Batterien in einem Spannungsbereich von 0 bis 800 V und einer Spitzenleistung von bis zu 300 kW zu vermessen.

 

Zellmodellierung
Forschungen auf dem Gebiet der Modellierung werden auf verschiedenen Arten am TME durchgeführt. Hierbei wird nicht nur die empirische und elektrische Ebene betrachet, sondern auch die sehr detaillierte elektrochemische Ebene. So wurde z.B. im Rahmen des NanoLiBa-Projektes, das von der DFG unterstützt wurde, die Methodik zur Analyse der sehr detaillierten und komplizierten Elektrodengeometrie entwickelt.

 
  Lithium Ionen Temperaturverhalten Urheberrecht: © RWTH Aachen | TME

Thermisches Management
Das thermische Management ist entscheidend für die Anwendung des Batteriesystems in der Elektromobilität. Innerhalb eines von BMWi unterstützten Projektes wurde bei der Analyse des thermischen Managements unter realistischen EV-Betriebsbedingungen eine Kombination aus einem äquivalenten Stromkreis-Batteriemodell und einem 3D-Finite-Elemente-Thermomodell verwendet. Für die Modellkalibrierung wurden Temperatur- und elektrische Potentialmessungen durchgeführt, die auf Zellen- und Modulebene durchgeführt wurden.

  Battery management system Urheberrecht: © FEV Europe GmbH

Batterie-Management-System
Für eine sichere und effiziente Nutzung des Batteriesystems in elektrifizierten Fahrzeugen ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) erforderlich. Im Rahmen des Projekts "Europahybrid" hat das TME in Zusammenarbeit mit der FEV Europe GmbH einen prädiktiven Batteriemanagement-Algorithmus in EV- und HEV-Anwendungen entwickelt. Dieser Algorithmus erlaubt die Vorhersage des elektrischen und thermischen Zustands der Batterie auf der Grundlage des Zellenwiderstandes und der Spannungsgradienten.