PDF 1,39 MB - Bosch Engineering

Titelthema
Elektrifizierung
des Antriebsstrangs eines
Gepäckschleppers
Eine effiziente Antriebsstrangtechnik im Off-Highway-Markt gewinnt weltweit an Bedeutung. Die Hybridisierung
des Antriebsstrangs spielt dabei eine zunehmend wichtigere Rolle. Im Pkw-Segment werden elektrische
­Maschinen, Leistungselektroniken und Motorsteuerungen bereits in Serienanwendungen zur Hybridisierung
­eingesetzt. Bosch Engineering überträgt dieses Know-how auf den Antriebsstrang mobiler Arbeitsmaschinen.
Dies wird am Beispiel eines Gepäckschleppers dargestellt.
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a u t ore n
Dipl.-Ing. Heiko Weller
ist Leiter des Projektes
Elektromobilität bei der Bosch
Engineering GmbH in Abstatt.
Dr. Stefanie Freudenstein
ist zuständig für die System­
simulation im Projekt
Elektromobilität bei der Bosch
Engineering GmbH in Abstatt.
Dipl.-Ing. Christian Lingenfelser
ist zuständig für die System­
entwicklung im Projekt
Elektromobilität bei der Bosch
Engineering GmbH in Abstatt.
Dipl.-Ing. Martin Nordmann
ist zuständig für die Entwicklung
von Systemkomponenten im Projekt
Elektromobilität bei der Bosch
Engineering GmbH in Abstatt.
O k t ober 2012
Motivation
Flugfeldfahrzeuge werden heute überwie­
gend mit einem hydrostatischen Antrieb
ausgestattet. Zu den Flugfeldfahrzeugen
zählen dabei neben Scherenhubbühnen
und Flugzeugschleppern auch Gepäck­
schlepper. Bosch Engineering erwartet
eine zunehmende Elektrifizierung dieser
Anwendungen. Insbesondere die Antriebs­
technik von Gepäckschleppern wird sich
in den kommenden Jahren verstärkt hin
zu Hybridantrieben entwickeln, 1.
Die Gründe für diese Elektrifizierung
sind vielfältig. Einer ist die Verschärfung
der Abgasgesetzgebung für Verbrennungs­
motoren über 56 kW (EU Stage IV und
US Tier 4 Final). Da für die Erreichung
dieser Anforderungen innermotorische
Maßnahmen voraussichtlich nicht mehr
ausreichend sein werden, bedingt dies
eine aufwendige Abgasnachbehandlung.
Alternativ gibt es Überlegungen, statt­
dessen einen kleineren Verbrennungs­
motor einzusetzen, der zur Abdeckung
der ­selten benötigten Spitzenlast von
einer elektrischen Maschine unterstützt
wird. Daraus resultiert in der Regel
auch eine ­Reduzierung des Kraftstoff­
verbrauchs, da der Verbrennungsmotor
in effizien­teren Arbeitspunkten betrieben
werden kann.
Ein weiterer Treiber für die Elektrifi­
zierung mobiler Arbeitsmaschinen ist die
Vorgabe, innerhalb von Gebäuden kom­
plett emissionsfrei zu fahren. Gesetzliche
Vorschriften hierzu sind in Vorbereitung.
Weiterhin wird der Trend zur Elektrifizie­
rung durch die Themen CO2 Foot Print
und Green Image begünstigt. Zudem sind
durch die Elektrifizierung weitere Vor­
teile, wie geringere Geräuschemissionen,
bessere Regelbarkeit und weniger Vibra­
tionen, darstellbar. Für den Hallenbetrieb
sind elektrische Antriebe heute bereits weit
verbreitet, jedoch durch die 80-V-­Technik
auf Leistungen für kleinere Arbeitsmaschi­
nen beschränkt.
Die folgenden Ausführungen orien­tie­
ren sich am Beispiel eines Gepäckschlep­
pers, bei dem eine weitaus größere An­
triebsleistung durch den Einsatz der
400-V-Technik aus dem Automobilbereich
realisiert werden soll. Weiterhin ist es für
mobile Arbeitsmaschinen erforderlich,
nicht nur das Fahren, sondern auch das
Arbeiten elektrisch umzusetzen. Dabei
ist zu beachten, dass es nicht nur rotato­
rische Antriebe gibt, sondern auch häufig
Arbeitsgeräte mit Linearantrieben (zum
Beispiel Hydraulik zum Heben und Sen­
ken von Gabel, Mulde oder Räum­schild).
Diese sind nicht generell durch rein elekt­
rische Antriebe (zum Beispiel Spindel)
­ersetzbar. In diesem Fall finden weiterhin
hydraulische Antriebe Verwendung, die
von einer elektrischen Maschine ange­
trieben werden. Sobald der Verbrennungs­
motor nicht mehr permanent in Betrieb
ist, sind alle Nebenaggregate wie beispiels­
weise Lenkhilfepumpe, Bremskraftver­
stärker, Klimaanlage ebenfalls durch elek­
trische Komponenten zu ersetzen.
Serieller Hybrid
Im Folgenden werden die AntriebsstrangTopologien serieller Hybrid (S-HEV) und
paralleler Hybrid (P-HEV) für die Anwen­
dung des Gepäckschleppers detailliert
technisch analysiert und bewertet.
Der S-HEV, 2, besteht aus einem
­Verbrennungsmotor, zwei elektrischen
Maschinen sowie einem Energiespeicher.
Die erste elektrische Maschine setzt als
Generator die mechanische Energie des
Verbrennungsmotors in elektrische Ener­
gie um. Die zweite elektrische Maschine
dient als Antriebsmotor. Die Besonderheit
dieser Topologie besteht darin, dass der
Verbrennungsmotor nicht mechanisch
mit der Antriebsachse verbunden ist.
Die Energie vom Generator wird von der
Leistungselektronik je nach Fahrerwunsch
der zweiten elektrischen Maschine zum
Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung
gestellt. Sie kann aber auch zum Laden
der Batterie genutzt werden.
Abhängig von der Betriebsstrategie,
die in der Hybrid Control Unit (HCU)
­programmiert ist, kann der Verbrennungs­
motor dem geforderten Leistungsbedarf
folgen oder kontinuierlich im effizien­
testen Betriebspunkt betrieben werden.
Die Differenz zwischen geforderter
Antriebsleistung und kontinuierlicher
Leistung des Verbrennungsmotors wird
in der ­Batterie zwischengespeichert. Auf
diese Weise können besonders niedrige
Schadstoff­emissionen im Hybridbetrieb
realisiert werden.
Bei der Systemauslegung ist darauf
zu achten, dass die Leistung des Verbren­
nungsmotor und des Generators aufein­
ander abgestimmt sind. Beim S-HEV ist
rein elektrisches Fahren möglich, und die
29
COVER STORY
DriveTrain Electrification
of a Luggage Towing Tractor
Efficient drivetrain technology in the off-highway market is becoming increasingly important worldwide, with
hybridisation of the drivetrain playing an important role. In the passenger car segment, electrical machines,
power electronics and engine control units are already used for hybridisation in series applications. Bosch
Engineering is transferring this expertise to drivetrains for mobile work machines. This is illustrated by the
example of a luggage towing tractor.
Motivation
Today’s airport ground support vehicles
are mainly equipped with a hydrostatic
drive. Ground support vehicles include
not only scissor lift platforms and aircraft
tow tractors but also luggage towing trac­
tors. Bosch Engineering sees a trend in
which these applications will be increas­
ingly electrified in the future. In particular,
hybrid drives will increasingly be used as
the drivetrain technology for luggage tow­
ing tractor in the years ahead, 1.
There are various reasons for electrifi­
cation. One reason is the introduction of
more stringent legislation on exhaust gas
emissions for combustion engines over
56 kW (EU Stage IV and US Tier 4 Final).
As engine-internal measures are no longer
expected to be sufficient to meet these
requirements, this entails costly exhaustgas treatment. Alternatively, the use of a
smaller internal combustion engine is be­
ing considered instead, which is support­
ed by an electrical machine to cover the
rarely required peak load. This generally
results in reduced fuel consumption, as
the internal combustion engine can be
operated at more efficient operating
points. Another driving force behind the
electrification of mobile work machines is
the requirement that no emissions should
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be released when driving inside buildings.
Statutory regulations to this effect are
currently under consideration. The trend
towards electrification is promoted by the
topics carbon footprint and a green image.
Other advantages, such as lower noise
emissions, improved controllability, and
fewer vibrations, are also evident. Electric
drives are already in widespread use for
indoor operation; however, due to the
80 V technology, they are restricted to
power levels that can drive smaller work
machines.
The following designs are based on the
example of a luggage towing tractor
which achieves a far greater driving pow­
er, due to the use of 400 V technology,
which is employed in the automotive sec­
tor. Furthermore, in the case of mobile
work machines, electric power is neces­
sary for both driving and working. It
should be noted that this does not only
involve rotatory drives, but often includes
working applications with linear drives
(such as hydraulics for raising and lower­
ing the fork, recess or rake blade). As a
rule, these appliances cannot be replaced
completely by electrical machines (for ex­
ample spindle motors). In this case, hy­
draulic drives driven by an electrical ma­
chine are still used. In case the internal
combustion engine is no longer continu­
ously in operation, all auxiliary units –
such as power steering pumps, brake
boosters, or air conditioning units – must
also be replaced by electrical components.
Serial Hybrid Drivetrain
In the following article, the technical as­
pects of the serial hybrid (S-HEV) and
a u t H or S
Dipl.-Ing. Heiko Weller
is Director of the E-Mobility
Project at Bosch Engineering GmbH
in Abstatt (Germany).
Dr. Stefanie Freudenstein
is responsible for System Simulation
E-Mobility at Bosch Engineering
GmbH in Abstatt (Germany).
Dipl.-Ing. Christian Lingenfelser
is responsible for System
Development E-Mobility
at Bosch Engineering GmbH
in Abstatt (Germany).
Dipl.-Ing. Martin Nordmann
is responsible for the development
of System Components E-Mobility
at Bosch Engineering GmbH
in Abstatt (Germany).
October 2012
1Prognose der Marktentwicklung von Flugfeldfahrzeugen (links) und der Antriebstechnik von Gepäckschleppern (rechts)
Market development forecast for airport ground support vehicles (left) and luggage towing tractor drivetrain technology (right)
Bremsenergie kann bei Fahrzeugverzöge­
rungen rekuperiert werden. Durch den
modularen Aufbau des S-HEV lässt sich
dieser mit geringem Aufwand in einen
bestehenden Antriebsstrang integrieren.
Dies ist speziell für Nutzfahrzeuge und
Off-Highway-Anwendungen von Bedeu­
tung. Weiterhin lässt sich die S-HEV-Topo­
logie in vielen Anwendungsfällen einset­
zen, bei denen heute ein hydrostatischer
Fahrantrieb verwendet wird. Wird der
hydrostatische Antrieb häufig und lange
bei hohen Drehzahlen mit einem geringen
Wirkungsgrad betrieben, kann der S-HEV
Verbrauchsvorteile aufweisen.
2Systembild serieller Hybrid
System image serial hybrid
O k t ober 2012
31
COVER STORY
parallel hybrid (P-HEV) drivetrain topo­
logies for the luggage towing tractor appli­
cation are analysed and evaluated in de­
tail. S-HEV, 2, consists of one internal
combustion engine, two electrical ma­
chines, and one energy storage. The first
electrical machine acts as a generator to
convert the mechanical energy of the in­
ternal combustion engine into electrical
energy. The second electrical machine
serves as a drive motor. One particular
characteristic of this topology is that the
internal combustion engine is not con­
nected to the drive axle mechanically. The
energy from the generator is made availa­
ble to the second electrical machine by
power electronics for the vehicle’s drive
system operated by the driver. However, it
can also be used for charging the battery.
Depending on the operating strategy pro­
grammed into the hybrid control unit
(HCU), the internal combustion engine
can follow the requested power require­
ments or be operated continuously at the
most efficient operating point. The differ­
ence between the required drive power
and the continuous power of the internal
combustion engine is buffered in the bat­
tery. This allows particularly low pollutant
emissions to be realised in hybrid opera­
tion. When designing the system, it must
be ensured that the power of the internal
combustion engine and the generator
match each other. In the case of S-HEV,
pure electrical driving is possible and the
braking energy can be recuperated when
the vehicle decelerates. As a result of the
S-HEV’s modular design, it can be inte­
grated into an existing drivetrain at low
cost. This is especially important for com­
mercial vehicles and off-highway applica­
tions. Furthermore, the S-HEV topology
can be used in many applications in
which a hydrostatic traction drive is used
today. If the hydrostatic drive is operated
frequently and for long periods at high
speeds with low efficiency, S-HEV can be
advantageous in terms of consumption.
Parallel Hybrid Drivetrain
By contrast to S-HEV, only one electrical
machine is used in the parallel hybrid (PHEV) version. This electrical machine is
mechanically connected to the internal
combustion engine’s crankshaft via a first
clutch, and to the drive axle via a second
clutch and gearbox, 3. The electrical ma­
32
chine can be actuated in both generator
and motor mode. Due to this coupling,
the speeds of the internal combustion en­
gine and electrical machine are identical,
and the respective torques can vary freely.
By closing the second clutch, the mechan­
ical power is transmitted to the drive axle
and the required torque can be split be­
tween the internal combustion engine and
the electrical machine. If the first clutch is
closed, driving is only possible using the
internal combustion engine or in hybrid
mode, depending on the operating strate­
gy. Furthermore, there is an opportunity
to use the electrical machine as a genera­
tor for charging the battery during the ve­
hicle’s deceleration process. Based on the
operating strategy, the electrical machine
can also be used as a generator thanks to
the shift in the internal combustion en­
gine’s load point. The energy gained in
this way is fed to the battery. Depending
on the electrical machine’s power, the re­
cuperation potential can be restricted. If
the first clutch is open, then efficient,
pure electrical driving can be realised.
The internal combustion engine remains
switched off in this operating mode. To
ensure that the internal combustion en­
gine can be restarted by the electrical ma­
chine, a reserve of the electrical machine’s
power must be stored for this purpose.
Plug-in variants for electrification, in
which the battery is recharged during lug­
gage towing tractor downtimes (such as
prohibition of night flights), can also be
realised for both S-HEV and P-HEV. In this
case, it is also possible to realise pre-con­
ditioning of the drivetrain components,
particularly of the battery system.
Components for the
Electrification
The electrical machines used in this inves­
tigation are permanent magnet synchro­
nous motors, 4. Together with the power
electronics, these electrical machines are
used in the automotive industry today –
not only in hybrid vehicles, but also in
pure electric vehicles. They offer a maxi­
mum mechanical output power rating up
to 85 kW, and a maximum torque up to
200 Nm. The power electronics provide
the alternating voltage and the necessary
currents for the required power range. An
integrated DC/DC converter also supplies
power to the 12 V on-board electrical sys­
tem. The system, comprising electrical
machine, power electronics and battery, is
water-cooled and designed for voltages up
to 400 V. The scalable battery system is
made up of power-optimised lithium-ion
cells.
Analysis of the Systems
The results of the analysis of the overall
system for S-HEV and P-HEV are dis­
played below. This does not extend to a
direct comparison with hydraulic topolo­
gies. To aid comparability, the compo­
nents used are identical in both topolo­
gies. The detailed analysis of the real load
profile is crucial for the drivetrain design.
This makes it possible to define an effi­
cient overall system. The design of the
system is based on the following require­
ments:
:: vehicle weight, including loaded
luggage trailers: 15.6 t
:: combustion engine: 46 kW
:: battery system: nominal voltage 360 V
and capacity 25 Ah
:: S-HEV: two synchronous machines of
the type SMG 180/120 and two power
electronics of the type Invcon 2.3
:: P-HEV: one synchronous engines of
the type SMG 180/120 and one power
electronics of the type Invcon 2.3
:: maximum vehicle speed: 30 km/h
:: power of auxilliary devices: 3.6 kW.
5 shows a generic driving cycle of a lug­
gage towing tractor. Sections I and III of
the cycle show the speed characteristics of
the luggage towing tractor during emis­
sion-free driving indoors. Outdoors (sec­
tion II), pure electrical or hybrid driving is
possible, depending on the drivetrain to­
pology and the charge level of the battery
(state of charge (SOC)). In the case of PHEV, a further variant is driving without
electrical support. The average speed of
the cycle is 17 km/h, and the proportion
of electrical driving is 15 %. The battery’s
SOC is limited by the operating strategy,
so in the case of maximum deceleration,
the entire kinetic energy can be recuperat­
ed. Furthermore, if a specific SOC is
reached (here 25 %), the internal com­
bustion engine is started in order to re­
charge the battery and ensure emissionfree driving indoors. To ensure an ade­
quate service life, the battery is operated
in an SOC window of 15 to 80 %. The SOctober 2012
3Systembild paralleler Hybrid
System image parallel hybrid
Paralleler Hybrid
Beim parallelen Hybrid (P-HEV) kommt
im Vergleich zum S-HEV nur eine elektri­
sche Maschine zum Einsatz. Diese ist
über eine erste Kupplung mechanisch mit
der Kurbel­welle des Verbrennungsmotors
und über eine zweite Kupplung und ein
Getriebe mit der Antriebsachse verbun­
den, 3. Die elektrische Maschine kann
sowohl im Generator- als auch Motor­
betrieb angesteuert werden. Durch diese
Kopplung sind die Drehzahlen von Ver­
brennungsmotor und elektrischer Maschi­
ne identisch, wobei sich die Momente frei
variieren lassen. Durch das Schließen der
zweiten Kupplung findet die mechanische
Kraftübertragung auf die Antriebsachse
statt und das geforderte Moment kann
auf Verbrennungsmotor und elektrische
Maschine aufgeteilt werden. Ist die erste
Kupplung geschlossen, kann je nach Be­
triebsstrategie ausschließlich mit Verbren­
nungsmotor oder hybridisch gefahren
O k t ober 2012
werden. Des Weiteren besteht die Mög­
lichkeit, während des Verzögerungs­
vorgangs des Fahrzeugs die elektrische
­Maschine als Generator zum Laden der
Batterie einzusetzen. Auf Basis der Be­
triebsstrategie kann durch Lastpunktver­
schiebung des Verbrennungsmotors die
elektrische Maschine ebenfalls generato­
risch genutzt werden. Die so gewonnene
Energie wird der Batterie zugeführt. Je
nach Leistungsfähigkeit der elektrischen
Maschine kann das Rekuperationspoten­
zial beschränkt sein. Ist die erste Kupp­
lung geöffnet, ist ein effizientes, rein elek­
trisches Fahren realisierbar. Der Verbren­
nungsmotor bleibt in diesem Betriebszu­
stand abgeschaltet. Um den Wiederstart
des Verbrennungsmotors durch die elekt­
rische Maschine sicherzustellen, muss ein
Anteil der Leistung der elektrischen Ma­
schine dafür vorgehalten werden. Sowohl
für S-HEV als auch P-HEV sind Plug-inVarianten für die Elektrifizierung umsetz­
bar, bei denen die Batterie bei Stillstand­
zeiten des Schleppers (zum Beispiel
Nachtflugverbot) nachgeladen wird.
­Weiterhin ist es in diesem Fall möglich,
ein Vorkonditionieren der Antriebsstrang­
komponenten, insbesondere des Batterie­
systems, umzusetzen.
Komponenten für die
Elektrifizierung
Die in dieser Untersuchung zum Einsatz
gebrachten elektrischen Maschinen sind
permanenterregte Synchronmaschinen,
4. Zusammen mit der Leistungselektro­
nik werden diese heute in der Automobil­
industrie in Hybrid-, aber auch in rein
elektrischen Fahrzeugen eingesetzt. Sie
bieten eine maximale mechanische Aus­
gangsleistung von bis zu 85 kW. Das
maximale Drehmoment beträgt bis zu
200 Nm. Die Leistungselektronik stellt die
Wechselspannung und die notwendigen
Ströme für den geforderten Leistungs­
bereich zur Verfügung. Ein integrierter
33
COVER STORY
Eq. 1
hS-HEV, hyb. = hint. combust. eng. · helect. mach., Gen. · hPE, Gen. · hPE, Mot.
· helect. mach., Mot. · hGearbox · hWheel
Eq. 2
hS-HEV, el. = hBat. · hPE, Mot. · helect. mach., Mot. · hGearbox · hWheel
Eq. 3
hP2-HEV, hyb. =(x · hint. combust. eng. + (1-x) · hBat. · hPE, Mot. · helect. mach., Mot.)
· hGearbox · hWheel
HEV operating strategy operates the
internal combustion engine at the most
efficient operating point based on the
maximum continuous rated input power
of the generator, power electronics and
battery. In the case of P-HEV, an algo­
rithm is used to decide which mode is
pursued (purely electric, hybrid, fully
driven by the combustion engine). In
­order that the energy consumption can
be compared more easily, the start and
end SOC of each topology is identical.
6 shows the operating points of the inter­
nal combustion engine and electrical ma­
chine for the driving cycle of the luggage
towing tractor for the respective topology.
The internal combustion engine of S-HEV
is run as prescribed at the most efficient
34
operating point. By contrast, the internal
combustion engine operating points in the
case of P-HEV are less efficient. Both
topologies use the electrical machine in a
broad speed range, although they tend to
be more efficient with the S-HEV.
The average overall efficiency with
S-HEV in hybrid driving mode, Eq. 1,
from the combustion engine to the wheel
is approximately 25 %, and in the case of
pure electrical driving, Eq. 2, the efficien­
cy from battery to wheel is 75 to 80 %.
With P-HEV, by contrast, it is evident
that an average efficiency in hybrid driving
mode, Eq. 3 (with x being the ratio of driv­
ing power provided by the internal com­
bustion engine) of 23 % is realistic. This fig­
ure is derived primarily from the shifting of
the internal combustion engine operating
point though the torque distribution be­
tween the electrical machine and internal
combustion engine, based on the operating
strategy. In pure electrical mode, the aver­
age overall efficiency does not differ signifi­
cantly from that of the S-HEV. The convert­
ed overall energy consumption is 6.8 l/h of
fuel for S-HEV, and 7.2 l/h for P-HEV.
Conclusion
The analysis of the luggage towing tractor
shows that fuel consumption can be re­
duced by 6 % with S-HEV compared with
P-HEV. Compared with a conventional
drivetrain, P-HEV already produces a fuel
saving of around 10 %. With a lower tow­
ing load (such as less luggage on the lug­
gage trailers), the possible savings poten­
tial is reduced. The results of the simula­
tion are validated by the development of a
luggage towing tractor demo vehicle at
Bosch Engineering. It is therefore possible
to present a consistent, cross-domain simu­
lation environment for the system design
for off-highway use. The technical analyses
and results shown here are further trans­
ferred to other mobile work machines,
such as forklift trucks, communal vehicles,
wheel loaders, and excavators. This makes
it possible to identify efficient drivetrain
concepts individually for each application.
October 2012
4Antriebstrangkomponenten Leistungselektronik (Invcon 2.3 (links)) und E-Motor (SMG 180/120 (rechts))
Drivetrain components power electronics (Invcon 2.3 (left)) and electric machine (SMG 180/120 (right))
DC/DC-Wandler versorgt zusätzlich das
12-V-Bordnetz mit Leistung. Das System
aus elektrischer Maschine, Leistungselek­
tronik und Batterie ist wassergekühlt und
für eine Spannung von bis zu 400 V aus­
gelegt. Das skalierbare Batteriesystem
setzt sich aus leistungsoptimierten LiIonen-Zellen zusammen.
Analyse der Systeme
Im Folgenden werden die Ergebnisse der
Analyse des Gesamtsystems mit einem
S-HEV und P-HEV dargestellt. Der direkte
Vergleich zu hydraulischen Topologien ist
dabei nicht Gegenstand der Ausführung.
Für eine bessere Vergleichbarkeit sind die
verwendeten Komponenten in beiden
Topologien identisch. Ausschlaggebend
für die Auslegung des Antriebsstrangs ist
die detaillierte Analyse des realen Lastpro­
fils. Damit ist es möglich, ein effizientes
Gesamtsystem zu definieren. Für die Sys­
temauslegung werden folgende Anforde­
rungen zugrunde gelegt:
:: Fahrzeuggewicht inklusive beladene
Gepäckanhänger: 15,6 t
:: Verbrennungsmotor: 46 kW
:: Batteriesystem: Nominalspannung
360 V und Kapazität 25 Ah
:: S-HEV: zwei Synchronmotoren des
Typs SMG 180/120 und zwei Leis­
tungselektroniken des Typs Invcon 2.3
:: P-HEV: ein Synchronmotor des Typs
SMG 180/120 und eine Leistungselekt­
ronik des Typs Invcon 2.3
:: maximale Fahrzeuggeschwindigkeit:
30 km/h
:: Leistung Nebenaggregate: 3,6 kW.
O k t ober 2012
5 zeigt einen generischen Fahrzyklus
eines Gepäckschleppers. Die Abschnitte I
und III des Zyklus zeigen den Geschwin­
digkeitsverlauf des Gepäckschleppers
beim emissionsfreien Fahren in der Halle.
Außerhalb der Halle (Abschnitt II) ist je
nach Antriebsstrangtopologie und abhän­
gig vom Ladezustand der Batterie rein
elektrisches oder hybridisches Fahren
möglich. Beim P-HEV gibt es dazu den
weiteren Freiheitsgrad, ohne elektrische
Unterstützung zu fahren. Dabei beträgt die
mittlere Geschwindigkeit 17 km/h und der
Anteil des elektrischen Fahrens entspricht
15 %. Der Ladezustand der Batterie wird
durch die Betriebsstrategie begrenzt, so­dass
im Fall einer maximalen Verzögerung die
gesamte Bewegungsenergie rekuperiert
werden kann. Des Weiteren wird beim
Unterschreiten eines bestimmten Ladezu­
stands (hier 25 %) der Verbrennungsmotor
gestartet, um die Batterie nachzuladen
und das emissionsfreie Fahren in der Halle
sicherzustellen. Die Batterie wird in einem
Ladezustand von 15 bis 80 % betrieben,
um eine ausreichende Lebensdauer zu
gewährleisten. Die Betriebsstrategie des
S-HEV betreibt den Verbrennungsmotor
im effizientesten Betriebspunkt ausgehend
von der maximalen dauerhaften Aufnah­
meleistung der Wirkkette Generator, Leis­
tungselektronik und Batterie. Beim P-HEV
dagegen entscheidet ein Algorithmus, wel­
cher Betrieb verfolgt wird (rein elektrisch,
hybridisch, rein verbrennungsmotorisch).
Für eine bessere Vergleichbarkeit des Ener­
gieverbrauchs sind Start- und Endladezu­
stand jeder Topologie identisch. 6 zeigt
die Betriebspunkte des Verbrennungsmo­
tors und der elektrischen Maschine für
den Fahrzyklus des Gepäckschleppers für
die jeweilige Topologie. Der Verbrennungs­
motor des S-HEV wird wie vorgegeben im
effizientesten Arbeitspunkt betrieben. Die
Betriebspunkte des Verbrennungsmotors
beim P-HEV liegen hingegen bei schlechte­
5Generischer Fahrzyklus eines Gepäckschleppers
Generic driving cycle of a luggage towing tractor
35
Titelthema
6Betriebspunkte in den Kennfeldern S-HEV (links) und P-HEV (rechts)
Operating points in the map for the S-HEV (left) and P-HEV (right)
Gl. 1
hS-HEV, hyb. = hVerbr.-mot. · hel. Masch., Gen. · hLE, Gen. · hLE, Mot.
· hel. Masch., Mot. · hGetriebe · hRad
Gl. 2
hS-HEV, el. = hBat. · hLE,Mot. · hel. Masch., Mot. · hGetriebe · hRad
Gl. 3
hP2-HEV, hyb. =(x · hVerbr.-mot. + (1-x) · hBat. · hLE, Mot. · hel. Masch., Mot.)
· hGetriebe · hRad
ren Wirkungsgraden. Beide Topologien
nutzen die elektrische Maschine in einem
großen Drehzahlbereich; der S-HEV ten­
denziell jedoch bei höheren Wirkungs­
graden. Der mittlere Gesamtwirkungsgrad
beim S-HEV im Hybridbetrieb beträgt
vom Verbrennungsmotor bis zum Rad
circa 25 %, Gl. 1, und beim rein elektri­
schen Fahren von Batterie bis zum Rad
75 bis 80 %, Gl. 2. Im Vergleich dazu
zeigt sich, dass beim P-HEV ein mittlerer
Wirkungsgrad im Hybridbetrieb von
23 % ­realistisch ist, Gl. 3, wobei x der
36
­ erbrennungsmotorische Anteil an der
v
Antriebsleistung ist. Dieser ergibt sich im
Wesent­lichen durch die Verschiebung des
Be­triebs­punktes des Verbrennungsmotors
durch die Momentenverteilung zwischen
elektrischer Maschine und Verbrennungs­
motor basierend auf der Betriebsstrategie.
Im rein elektrischen Betrieb unterscheidet
sich der mittlere Gesamtwirkungsgrad
nicht signifikant zum S-HEV. Der umge­
rechnete Gesamtenergieverbrauch beträgt
für den S-HEV 6,8 l/h Kraftstoff und für
den P-HEV 7,2 l/h.
Fazit
Die Analyse des Gepäckschleppers zeigt,
dass bei einem S-HEV gegenüber einem
P-HEV der Kraftstoffverbrauch um 6 %
reduziert werden kann. Im Vergleich zum
konventionellen Antriebsstrang erreicht
der P-HEV bereits eine Kraftstoffersparnis
von circa 10 %. Bei geringerer Anhänge­
last (zum Beispiel weniger Gepäck auf
den Gepäckschleppern) verringert sich
das mögliche Einsparpotenzial. Die Simu­
lationsergebnisse werden durch den Auf­
bau eines Gepäckschlepper-Demonstrator­
fahrzeugs bei der Bosch Engineering
­validiert. Somit ist es möglich, eine durch­
gängige, Domänen übergreifende Simula­
tionsumgebung für die Systemauslegung
von Off-Highway-Anwendungen darzu­
stellen. Die hier gezeigten technischen
Analysen und Ergebnisse werden weiter­
hin auf andere mobile Arbeitsmaschinen
übertragen, beispielsweise Gabelstapler,
Kommunalfahrzeuge, Radlader und
­Bagger. Es ist somit möglich, effiziente
Antriebsstrangkonzepte für jede Anwen­
dung individuell zu identifizieren.