6. Mai 2020
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Archiv des Autors: Stefan Kasprowski
NVH
NVH-Anforderungen von elektrischen Antriebseinheiten im Fahrzeuginneren
NVH-Anforderungen von elektrischen Antriebseinheiten im Fahrzeuginneren
Die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich der Reduktion von Emissionen und Kraftstoffverbrauch veranlassen OEMs dazu, innovative Antriebsstrang- und Fahrzeugtechnologien zu entwickeln. Neben neuen Technologien für klassische Verbrennungsmotoren gewinnt das Thema der Elektrifizierung immer mehr an Bedeutung. Daraus ergibt sich zugleich ein Bedarf nach Methoden zur Bewertung des NVH-Verhaltens von elektrischen Antriebseinheiten. Solche Einheiten erzeugen deutlich weniger Geräusche und Vibrationen als Verbrennungsmotoren. Die Methoden, die zur NVH-Bewertung und Aufstellung entsprechender Zielvorgaben für Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen, reichen demnach für Elektromotoren nicht aus. Während es bei der NVH-Entwicklung für Verbrennungsmotoren darum geht, die Anregung des Motors zu reduzieren, steht bei der NVH-Optimierung von elektrischen Antriebseinheiten die Eliminierung potenziell störender Geräusche angesichts eines sich stetig verändernden bzw. fehlenden Maskierungsgeräusches im Vordergrund. Zum Beispiel ergibt sich ein geringeres Hintergrundgeräusch zur Maskierung tonaler Störgeräusche durch das Fehlen eines laufenden Verbrennungsmotors.
Welche Erwartungen die Fahrzeuginsassen an die Geräuschkulisse mit konventionellen Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeug haben, d. h. an die „Präsenz des Antriebsstrangs“, hängt stark von der Fahrzeugklasse und der Zielgruppe ab: Während bei Luxusfahrzeugen eine möglichst geräuscharme Fahrgastzelle angestrebt wird, erwarten Insassen von Sportwagen, dass die Leistung des Antriebsstrangs auch akustisch wahrnehmbar ist (besondere Aufmerksamkeit wird dabei der Erzeugung des gewünschten „Markencharakters“ gewidmet). Im Gegensatz dazu werden die typischen tonalen Geräusche von elektrischen Antriebseinheiten gemeinhin als störend empfunden. Ziel ist es daher, den wahrnehmbaren Eintrag dieser Anteile im Fahrzeug so weit wie möglich zu verringern. Dies ist keine einfache Aufgabe, da Elektrofahrzeuge insgesamt ein geringeres Geräuschniveau zum Verdecken („Maskieren“) dieser tonalen Geräuschanteile aufweisen, als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. In Abbildung 1 zeigen FEV Streubänder den Unterschied zwischen konventionell und elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Die geringeren Gesamtschallpegel in Elektrofahrzeugen (EV), insbesondere bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten, sind deutlich zu erkennen.
Zur Vorhersage der Wahrnehmbarkeit von tonalen Geräuschanteilen im Fahrzeug wird eine sogenannte Maskierungsbandanalyse angewendet. Wie in der Abbildung unten zu sehen, wird dabei der Ordnungspegel mit dem Pegel der benachbarten Terz verglichen, um festzustellen, wie viel Geräusch zur Maskierung des tonalen Geräuschs zur Verfügung steht. Wenn der Ordnungspegel (des „Heul“-Geräuschs) im Vergleich zu den entsprechenden Terzband-Geräuschpegeln hoch ist, so deutet dies darauf hin, dass das Hintergrundgeräusch zu gering ist, um die Ordnung zu maskieren. Die Folge ist ein wahrnehmbares und damit subjektiv störendes „Heulen“.
Des Weiteren ist eine Maskierungsfläche dargestellt, die den Maskierungsgehalt für verschiedene Ordnungen im Betriebsbereich eines Beispielfahrzeugs abbildet. Bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten nehmen die Windgeräusche zu, wodurch der Maskierungsgehalt steigt und sich folglich das wahrgenommene Heulen reduziert.
Ursachenanalyse und Abhilfe-Massnahmen für NVH-Probleme
Der Trend zur Elektrifizierung und damit zusammenhängenden Technologien stellt die NVH-Entwicklung vor neue Herausforderungen. Neben dem Ziel der Minimierung der tonalen Geräuschanteile im Fahrzeuginneren ergeben sich mehrere mögliche NVH-Probleme im Zusammenhang mit transienten Instabilitäten (z. B. Getrieberasseln oder andere Triebstrangprobleme). Um diese Probleme zu lösen, setzt FEV auf einen strukturierten Ansatz, der auf umfassender Erfahrung mit der 8D-Analyse und der statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments, DoE) beruht. Im Rahmen der Ursachenanalyse (root-cause analysis) nutzt FEV verschiedene dem Branchenstandard entsprechende Methoden (z. B. Ishikawa-Diagramme) sowie von FEV entwickelte Werkzeuge und Prozesse. Die FEV Fahrzeuginnengeräuschsimulation (Vehicle Interior Noise Simulation, VINS) ist ein Beispiel für eine spezielle Methodik, die die Ursachenanalyse bei komplexen Geräuschuntersuchungen wirksam unterstützen kann. Der VINS-Prozess umfasst eine einzigartige Zeitbereichsanalyse der Übertragungspfade, die Aufschluss über die Geräuschquellen und Übertragungspfade gibt, welche die Geräuschqualität unter stationären und transienten Bedingungen beeinflussen. Alle im Fahrzeuginneren festgestellten Geräuschauffälligkeiten können so heruntergebrochen werden, dass die individuellen Anteile in den einzelnen Körperschall- und Luftschall-Übertragungspfaden erkennbar werden. Die kritischen Schallübertragungspfade können anschließend genauer analysiert werden, um mögliche Ansatzpunkte für Optimierungsmaßnahmen zu identifizieren (z. B. Lagerisolation, lokale Steifigkeit der Anbindungspunkte, vibroakustische Empfindlichkeit, akustische Dämpfung). Da die Ergebnisse im Zeitbereich erzeugt werden, können weiterführende Analysemethoden oder subjektive Beurteilungen (Höruntersuchungen) eingesetzt werden, um das gesamte simulierte Geräusch oder die Beiträge der einzelnen Pfade zu bewerten. In Abbildung 2 ist die Einbindung der VINS-Methodik in einen strukturierten 8D-Ursachenanalyseprozess schematisch dargestellt.
NVH-Bewertungen von elektrischen Antriebseinheiten auf Komponentenebene
FEV hat Standardmessverfahren zur Quantifizierung des abgestrahlten Schalls, der Schallleistung und der Vibration auf Komponentenebene entwickelt, um die Bewertung der Quellenbeiträge zu erleichtern und so das Thema NVH bei Elektrofahrzeugen voranzubringen. Analog der Vermessung von Verbrennungsmotoren werden die Gesamtpegel des von elektrischen Antriebseinheiten abgestrahlten Schalls üblicherweise auf Grundlage der durchschnittlichen Schallabstrahlung bewertet, die in einem Abstand von 1 m zur elektrischen Antriebseinheit gemessen wird (beispielsweise entsprechend der Norm SAE J1074). Zusätzlich dazu ist es bei Elektromotoren und elektrischen Antriebseinheiten üblich, diese Bewertungen durch die Messung der Schallleistung in einer halbkugel- oder quaderförmigen Anordnung (z. B. entsprechend den Normen ISO 3744 oder 3745) zu ergänzen. Die Körperschallanregungen können mittels Messung der Vibration an den Lagerungspunkten der elektrischen Antriebseinheit (d. h. den Verbindungspunkten zwischen elektrischer Antriebseinheit und Fahrzeug) bewertet werden.
Der Vergleich der gemittelten Schalldruckpegel von Verbrennungsmotoren und elektrischen Antriebseinheiten in der nachfolgenden Abbildung zeigt, dass die von elektrischen Antriebseinheiten abgestrahlten Schalldruckpegel signifikant geringer sind. Das bedeutet, dass die Bewertung einzelner Ordnungen, angeregt von Elektromotor und/oder den Zahneingriffsfrequenzen des Getriebes, für die Quantifizierung der NVH-Eigenschaften von elektrischen Antriebseinheiten wichtiger ist als der Vergleich des Gesamtschallpegels. Nachfolgend ist ein Vergleich zwischen Ordnungs- und Gesamtpegeln des abgestrahlten Schalldruckpegels dargestellt. Diesem Vergleich können Hinweise entnommen werden, in wie weit die Ordnungen den Gesamtpegel beeinflussen. Eine zusätzliche Untersuchung des Frequenzgehalts der Komponentenschallpegel kann Informationen über die Wahrnehmbarkeit dieses Geräusch in einer Prüfstandsumgebung liefern. Eine reine Analyse der Daten auf Komponentenebene gibt jedoch wenig Aufschluss für den Kunden über die Wahrnehmbarkeit dieser Ordnungen im Fahrzeug. Hierzu ist eine fahrzeugbezogene Datenanalyse wie nachfolgend beschrieben erforderlich.
Fahrzeugbezogene Entwicklung von NVH-Zielwerten für elektrische Antriebseinheiten
Aufbauend auf der VINS-Methodik hat FEV mit der sogenannten dBVINS ein zusätzliches Verfahren für die Vorhersage des Innengeräuschs entwickelt. Anders als VINS (wo fahrzeugspezifische Schallübertragungsfunktionen zum Einsatz kommen) prognostiziert das dBVINS-Verfahren das Innengeräusch anhand einer Kombination aus Quellendaten (Luft- und Körperschallmessungen vom Akustikprüfstand) und standardisierten Fahrzeugübertragungsfunktionen. Diese „standardisierten“ Schallübertragungsfunktionen beruhen auf gemittelten Werten, die aus der umfangreichen Datenbank mit von FEV untersuchten Fahrzeugen abgeleitet wurden. Durch die Standardisierung der Übertragungsfunktionen können die für das Innengeräusch relevanten NVH-Eigenschaften einer bestimmten Komponente (z. B. der elektrischen Antriebseinheit) unter Heranziehung von Komponentenprüfungen an einem NVH-Prüfstand beurteilt werden. So können die Innengeräusche, die bei verschiedenen elektrischen Antriebseinheiten oder bei verschiedenen Ausführungen einer in der Entwicklung befindlichen elektrischen Antriebseinheit zu erwarten sind, direkt miteinander vergleichen werden. Speziell für die Entwicklung von elektrischen Antriebseinheiten lässt sich mit diesem Verfahren der jeweilige Ordnungsgehalt im Fahrzeuginneren vorhersagen. Ein Vergleich dieses Ordnungsgehalts mit den oben genannten Maskierungsgeräuschpegeln wiederum gibt Aufschluss über die potenzielle Wahrnehmbarkeit von tonalen Geräuschen durch den Kunden. Unter Zuhilfenahme eines solchen fahrzeugbezogenen Ansatzes können geeignete Konstruktionsänderungen, beruhend auf CAE (z. B. Mehrkörpersimulation (MKS)/Finite-Elemente-Analyse (FEA) und prüfungsbasierten Ansätzen (z. B. Kalibrierungsänderungen, Entwicklung von NVH-Gegenmaßnahmen), eingesetzt werden, um die NVH-Eigenschaften der elektrischen Antriebseinheit auf Komponentenebene zu optimieren.
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Antriebsprüffeld
Workflow-Orientiertes Informationsmanagement im Antriebsprüffeld
Workflow-Orientiertes Informationsmanagement im Antriebsprüffeld
Verglichen mit der Menge der Rohmessdaten, die zum Beispiel von einem autonom fahrenden Fahrzeug generiert und verarbeitet wird, ist die eines Antriebstests noch relativ gut beherrschbar. Die Vielfalt aller Informationen eines Antriebstests und deren Interaktion stellen jedoch hohe Anforderungen an die Werkzeuge zur Verarbeitung dieser Informationen. Ein effizient organisierter Prüfbetrieb erfordert daher eine sinnvolle Strukturierung und Standardisierung der Informationen sowie die intelligente Vernetzung von Informationsmanagementwerkzeugen. Nur so lassen sich die Informationsverarbeitung im Prüfprozess beschleunigen und der Erkenntnisgewinn maximieren.
Aufgrund dieser Informationsvielfalt ist es sinnvoll, eine Aufteilung in Informationsdomänen vorzunehmen (Abbildung 1), worauf aufbauend sich der Informationsfluss zwischen den Domänen und einer adäquaten Werkzeugkette spezifizieren und aufbauen lässt.
FEVFLEX™ ermöglicht die Konfiguration von Projektstammdaten wie beispielsweise Teamdefinitionen und -verfügbarkeiten, Zeitkorridore und Budgetrandbedingungen sowie die Übertragung dieser Daten aus ERP- und Maschinendatenerfassungssystemen an die erste Informationsdomäne – die Prüfauftragsdatenbank. Die leistungsfähigen, grafischen Benutzeroberflächen in FEVFLEX™ ermöglichen dabei eine optimale Planung bzw. Kopplung von Prüfprogrammen und Ressourcen (Prüfstände, Messgeräte, Personal). Über ein angebundenes elektronisches Auftragsmanagement lassen sich zusammen mit den Stammdaten schriftlich gefasste Aufträge an Labore und Werkstätten erteilen, um frühzeitig die benötigten Messmittel vorzubereiten und den Prüfaufbau zu initiieren. Typischerweise werden Informationen zu Prüfobjekt und Prüfprogramm ebenso wie die Steuergeräte-Datensätze durch die jeweilige Fachabteilung beigesteuert.
Zuverlässig funktionierende Informationswerkzeuge optimieren auch die Zusammenarbeit und den Informationsaustausch zwischen den Prozesspartnern während der Prüfauftragsplanung, wodurch sie Informationen effizient und verlustfrei zusammenzuführen.
Dies geschieht bei FEV über das von Fachabteilung und Prüfbetrieb genutzte, identische Front-End der Prüfauftragsdatenbank (Abbildung 2).
Die Prüfauftragsdaten werden automatisiert an die zweite Informationsdomäne vererbt. FLEX Lab™ erstellt dabei die Konfiguration der Prüfstandsautomatisierung MORPHEE (andere Automatisierungssysteme auf Anfrage) und bildet die Basisdaten für die Versuchsdurchführung. In der Versuchsdatenbank werden dann in Abhängigkeit der geforderten Testarten, einzelne Versuchsschritte definiert, beispielsweise eine einzelne Kennfeldvermessung, eine Vollastkurve oder ein Emissionszyklus (Abbildung 2). Aufgrund der Informationsvererbung müssen für nachfolgende Versuchsschritte und zur Dokumentation lediglich noch Abweichungen von den geplanten Versuchsvorgaben erfasst werden. Der Prüfstandbediener wählt am Automatisierungssystem nun über eine Schnittstelle den jeweiligen Versuchsschritt in der Versuchsdatenbank aus und stellt so die Verknüpfung zu den Messdaten her.
Durch Verknüpfung der Prüfauftragsdaten und zugehörigen Vorgaben, der im Versuch tatsächlich gefahrenen Sollwerte sowie der zeitsynchronen Messdaten aus den verschiedenen Messsystemen erhält man einen vollständigen Datenbestand für die Berechnung von Versuchsergebnissen und für weitere Analysen. Berechnungen werden dabei nutzungsgemäß durchgeführt. Regelabweichungen oder bedeutende Qualitätskriterien, beispielsweise die Messpunktstabilität, werden während der Messung in Echtzeit im Automatisierungssystem berechnet und nach ihrer dortigen Verarbeitung in die Datenbank übertragen. Weitere Berechnungen auf der Grundlage eines einheitlichen Formelkataloges werden nach Einlagerung der Messergebnisse in der Versuchsdatenbank durchgeführt und als Berechnungsergebnis separat gespeichert.
Mit Abschluss des einzelnen Versuchsschrittes steht damit ein aussagekräftiger Bestand an Versuchsdaten für die Qualitätssicherung durch den Prüfbetrieb oder für weitere, auch projektübergreifende Analysen durch die Fachabteilung zur Verfügung.
In der dritten Domäne, der Betriebsdatenbank, ermöglicht die Logbuch Funktionalität in FEVFLEX™ das Loggen von codebasierten Betriebszuständen und von Fehlermeldungen der Automatisierungssysteme und Messgeräte im Prüffeld. Hiermit stehen weitere Informationen zur Verfügung. Diese werden vom Prüfstandbediener durch Berichte zu den Fehlerbildern und -ursachen ergänzt. Ebenso werden im Bedarfsfall durch das Personal 8D-Reports erstellt (Abbildung 3), die über ein Messaging zur Weiterverfolgung unmittelbar an die verantwortlichen Werkstätten oder Labore geleitet werden.
Damit ist die Betriebsdatenbank – neben der automatisierten Produktivitätsanalyse einzelner Projekte oder von gesamten Prüffeldern – ein wichtiges Instrument zur Betriebsunterstützung. In der Prüffeldorganisation wird dies durch Geräteverantwortliche gelöst, die jeweils Informationen über die ihnen zugeordneten Fehlercodes und über die darin berichteten Auffälligkeiten, Fehler und deren Ursachen erhalten. Sie werden über eine leistungsfähige Oberfläche umfassend informiert und können im Risikofall schnell und zielgerichtet eingreifen.
Durch die Weitervererbung von Prüfauftragsdaten sind alle Informationen aus den Versuchsschritten und aus den betrieblichen Informationen miteinander verknüpft. Alle Informationen bleiben zuordenbar und die Erstellung von Teilehistorien, also während der Versuchsphase erfahrene Lastkollektive, Messgrößen und Auffälligkeiten wird deutlich vereinfacht.
Qualitätssicherung durch Online-Plausibilisierung
Zur Prüfung und Plausibilisierung von Messergebnissen während der Versuchsdurchführung steht an der Schnittstelle zwischen Prüfstand und Versuchsdatenbank ein Datentransfer-Tool mit erweiterten Funktionen zur Verfügung (Abbildung 5). Dieses lagert die Rohmessdaten während der laufenden Messung schrittweise in die Versuchsdatenbank ein und führt in diesem Zuge automatisierte Analysen durch. Der Prüfstandbediener erhält über die Visualisierung fortlaufend Informationen zum Prüfungsergebnis (Abbildung 4) und kann gegebenenfalls manuell korrigierend eingreifen, sofern dies nicht bereits automatisiert erfolgt.
Im Rahmen dieser Plausibilisierung werden neben der Treue zu den Versuchsvorgaben die Messergebnisse hinsichtlich ihrer Vollständigkeit geprüft und die Messwerte gegen einen zu erwartenden, aber noch nicht kritischen Wertebereich abgeglichen. Des Weiteren kann das Transfer-Tool bei Emissionsmessungen eine datengetriebene Analyse von Gaslaufzeiten und eine Regressionsanalyse durchführen, um zeitnah spezifische Emissionsgrößen berechnen und plausibilisieren zu können. Das Plausibilisierungsergebnis wird ebenfalls in der Versuchsdatenbank abgelegt. Die Online-Plausibilisierung während des Datenimports trägt so wesentlich zur Qualitätssicherung im Prüfbetrieb bei.
Postprozess und Berichte
Eine maschinenlesbare Definition der Berichte, standardisierte Berichtsvorlagen und Namensgebung bilden die Basis für eine automatisierte Berichtserstellung. Eine typische Qualitätsmaßnahme in Prüffeldern ist die regelmäßige, zumeist tägliche Referenzvermessung auf Basis charakteristischer Betriebspunkte. Dabei werden der Datenstand des Prüflings und die Prüfrandbedingungen stets gleichgehalten. Hierüber sind Veränderungen oder driftende Größen über längere Versuchszeiträume oder nach Umbauten oder Reparaturen schnell zu erkennen. Über die im Datentransfer-Tool integrierte Analysefunktion wird die automatisierte Erstellung eines Berichtes im Auswerte-Tool UNIPLOT™ aufgerufen. Dort werden jeweils aktuell gemessene Daten um die seit Versuchsbeginn bereits eingelagerten Referenzmessungen ergänzt.
Zusätzlich zu den Qualitätsberichten werden weitere projektspezifische Versuchsberichte definiert, die durch eine automatisierte Verarbeitung der darzustellenden Versuchsergebnisse bereits kurz nach Abschluss eines jeden Versuches zur Verfügung stehen. Projektindividuelle Berechnungen werden als ergänzende Berechnungsvorschrift in die Datenbank zurückgeführt und ergänzen so den Inhalt der automatisierten Versuchsberichte.
Globale Vernetzung von Prüffeldern
Werden Prüfläufe standortübergreifend organisiert, beispielsweise wenn eine aufwändige Prüflings- und Teilelogistik vermieden werden soll, die Fachexpertise aber an einem anderen Standort verfügbar ist, ist ein schneller und sicherer Austausch der Informationen im globalen Unternehmensverbund erforderlich.
Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass sich die Datenbanken am gleichen Ort wie die Versuchsdurchführung oder die Fachbereiche befinden. Um einen effizienten Prüfbetrieb zu gewährleisten und gleichzeitig die Qualitätsstandards zu erfüllen, muss ein Teil der Versuchsergebnisse lokal nach kurzer Zeit bereitstehen. Möglich wird dies durch die Replikation des Datentransfer-Tools am lokalen Standort, welches dann die Online-Plausibilisierung durchführt und die Qualitätsberichte erstellt. Parallel dazu organisiert das lokale Datentransfer-Tool die Datenübertragung an die zentrale Datenbank und startet dort die weiteren Berechnungen und die Erstellung der Projektberichte (Abbildung 6). Im Prüffeld steht also nach wenigen Minuten ein umfassender Bericht zur Qualitätssicherung und Erstanalyse zur Verfügung.
Der direkte Zugriff auf die Prüfauftragsdatenbank und die Versuchsdatenbank erfolgt über eine virtuelle Desktop-Infrastruktur. Hierüber können vom Expertenteam neue Prüfaufträge oder einzelne Versuchsschritte definiert werden, die dem Prüfstandbediener in der zentralen Versuchsdatenbank als Auftragsbestand zur Verfügung stehen. Zur Unterstützung der Kommunikation und globalen Zusammenarbeit werden bei FEV zudem virtuelle Leitstände genutzt. Vergleichbar zur zentralen Leitwarte in einem Prüffeld (Abbildung 4) werden auch in der virtuellen Leitwarte Informationen zur Online-Plausibilisierung und der Status der Automatisierung und des Applikationswerkzeuges übertragen.
Über die Versuchsdatenbank können zwischen einem Expertenteam und einem fernen Prüfbetrieb kontinuierlich Versuchsschritte beauftragt und anschließend vollständige Prüfergebnisse zeitnah kommuniziert werden. In einer Reihe international organisierter Projekte, die bei FEV durchgeführt wurden, hat sich gezeigt, dass die globale Verfügbarkeit des vollständigen Versuchsergebnissatzes einschließlich aller automatisierten Berechnungen und Berichte für einen Versuchsschritt nach maximal 15 Minuten möglich ist.
Die gemeinsam genutzte Versuchsdatenbank der FEV bildet somit die zentrale Plattform für die global vernetzten Prüfaktivitäten innerhalb der Unternehmensgruppe.
Die notwendigen Standardisierungen und Informationsmanagementwerkzeuge wurden bei FEV entwickelt und werden kontinuierlich verfeinert. Auf dieser Grundlage steht auch für unsere Kunden ein attraktives Produkt-Portfolio vom Automatisierungssystem Morphee™ über das Datenmanagement in FEVFLEX™ und FLEX Lab™ bis hin zur Auswertung in UNIPLOT™ für das Informationsmanagement in Prüffeldern zur Verfügung.
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Know-how und Kapazität für E-Prüfprojekte
Prüfeinrichtungen
Prüfeinrichtungen
Im kommenden Jahr wird FEV zwei neue Batterieprüfzentren in Deutschland und Frankreich in Betrieb nehmen. Zusätzlich wurden in bestehende Prüfzentren von FEV und an Kundenstandorten modernste Prüfstände für E-Motoren und E-Achsen integriert. Diese massive Kapazitätserweiterung basiert auf der Grundlage langjähriger Erfahrung in der Planung, Konstruktion und im Betrieb eigener Prüfstände und Prüfzentren sowie in der Realisierung zahlreicher Kundenprojekte. Daraus resultierend bietet FEV eine effektive Methodik zur Lastenhefterstellung, zum Konzeptlayout und zur Planung sämtlicher Prüfeinrichtungen im Bereich der E-Mobilität. Diese umfasst die Hardware (Prüfausrüstung, technische Infrastruktur, Gebäude), die Software (Datenmanagement, Automatisierung, Simulation) sowie die Logistik und den Betrieb.
Der nachhaltige Erfolg beim Bau neuer Prüfzellen und -zentren hängt entscheidend von der Qualität und der Vollständigkeit der Spezifikationen und der Planung ab. Eine präzise Anforderungsanalyse, die Erstellung vollständiger Spezifikationen und eine gut durchdachte Konzeptentwicklung sind die Schlüsselfaktoren für eine erfolgreiche Realisierung hochkomplexer Projekte im Bereich der E-Mobilitätsprüfung. Dank des umfangreichen Erfahrungsschatzes von FEV können die beschriebenen Projektphasen in enger Zusammenarbeit mit den zukünftigen Anwendern/Kunden aktiv organisiert und geleitet werden, um die Entwicklung nachhaltiger und kosteneffektiver Lösungen sicherzustellen, die die zukünftigen Anforderungen in höchstem Maße erfüllen. Dazu wenden die Experten von FEV innovative Projektmanagement-Methodiken sowie in zahlreichen, weltweiten Projekten erprobte Berechnungs- und Simulationsinstrumente an, um unterschiedliche Szenarien bereits im Vorfeld zu simulieren. Abschließendes Ziel ist es, eine technische Lösung zu entwickeln, die Aspekte der Gebäudekonstruktion, Konzepte für die Prüfzellen und Prüfstände, die Labore, Werkstätten und die technische Infrastruktur einschließlich Versorgungsmedien und Energieversorgung sowie betriebliche und logistische Fragen abdeckt.
Optimierung der Leistung des Prüfzentrums
In modernen Prüfzentren lassen sich die sichtbaren Teile wie Gebäude, Gebäudeinfrastruktur und die Prüfstände selbst nicht mehr von den unsichtbaren Teilen – dem umfassenden Informationssystem mit einem hohen Grad an Automation – getrennt betrachten. Dieses Informationssystem steuert sämtliche Arbeitsabläufe und die Anwendungsfälle des Batterieprüfzentrums. Beim Eingang von Batteriepack, Batteriemodul oder -zelle und der zugehörigen (Teil-)Komponenten wird zunächst ein Barcode erstellt, der den Prüfling (engl. Unit Under Test oder kurz UUT) durch den gesamten Workflow identifiziert. Der Prüfling wird einem sicheren Lagerraum entnommen und anschließend in einem Vorbereitungsbereich mit Sensoren und Messinstrumenten ausgestattet. Der Verfügbarkeits- und Instandhaltungsstatus der Ressourcen (Ausrüstung, Prüfstände, Bediener) wird in einer Datenbank dokumentiert, um eine effiziente und effektive Planung und Zuweisung von Prüflingen und Ressourcen zu gewährleisten. Nach der Montage des Prüflings auf dem Prüfstand wird das Prüfprogramm ausgeführt. Anschließend erfolgt die Nachbearbeitung der Messdaten, die über das Automatisierungssystem und weitere Messvorrichtungen erfasst wurden. Die Messdaten werden auf Plausibilität geprüft und schließlich in standardisierten Prüfberichten dokumentiert. Mithilfe des Informationssystems können die Daten zum Prüfling, zu den zugewiesenen Ressourcen, zum Prüfprogramm und zu den gemessenen Ergebnissen über den gesamten Prüfablauf logisch miteinander verknüpft werden.
Das oben beschriebene Informationssystem basiert auf der Software-Suite FEVFLEX™. Diese modulare, ebenenbasierte Software-Suite beinhaltet jeweils eigene Module für die Steuerung der wichtigsten Arbeitsabläufe in einem Prüfzentrum – von den Prüfanforderungen bis hin zur abschließenden Berichterstellung.
- Enterprise-Funktionalität auf der Ebene des gesamten Prüfzentrums:
FEVFLEX™ ermöglicht Versuche auf dem Gebiet der Simulation oder des Benchmarkings für Komponenten- und Systemprüfstände bis hin zur Prüfung ganzer Fahrzeugflotten. Auch Kombinationen aus diesen Bausteinen sind möglich. Auf dieser Ebene werden Daten aus den ERP- und MES-Systemen (z.B. Kunden- und Projektdaten, Kostenstellen) mit Informationen zum Prüfling, zum Prüfprogramm sowie zur Verfügbarkeit und zum Status der Ressourcen (Ausrüstung, Prüfstände, Bediener) kombiniert und daraus Arbeitsaufträge erstellt. Die einzelnen Aufgaben werden geplant und anschließend den Prüfständen und Ressourcen zugewiesen. Darüber hinaus ist es Mithilfe der FEVFLEX™-Software möglich, den Prüfling samt seiner (Teil-)Komponenten in einer Stückliste, die aus dem Benchmarking-Kontext bekannt ist, zu definieren und dadurch die Steuerung des Prüflingslebenszyklus zu erleichtern. In der letzten Phase des Workflows verarbeitet FEVFLEX™ die Prüfergebnisse aus der jeweiligen Quelle (Benchmarking- oder Simulationsdaten und die vom Automatisierungssystem und den Messinstrumenten erfassten Messdaten), welche anschließend zeitlich synchronisiert und an Tools zur Datenauswertung weitergeleitet werden.
- Host-System-Funktionalität als Bindeglied zwischen Prüfzentrum und Prüfständen:
FLEX Lab™ übernimmt die allgemeine Datenverarbeitung und Parametrisierung des Automatisierungssystems MORPHEE® auf der Ebene von Komponenten- und Systemprüfständen. Auf dieser Ebene werden die FEVFLEX™-Arbeitsaufträge in die Vorbereitung des Automatisierungssystems umgesetzt, um eine Basisparametrisierung zu erhalten (einschließlich z.B. Messplan, Kanalgrenzen, Log-Listen, Integration der Messinstrumente, Prüfprogramm). Darüber hinaus unterstützt FLEX Lab™ die Verwaltung der MORPHEE®-Konfigurationen einschließlich Back-up und Versionierung. Der Start der Ausführung der Prüfprogramme am Prüfstand wird durch die Kommunikation zwischen dem Host-System FLEX Lab™ und dem Automatisierungssystem MORPHEE® sichergestellt. Abschließend leitet FLEX Lab™ die mithilfe des Automatisierungssystems erfassten Messdaten an Datenauswertungs-Tools wie beispielsweise UniPlot weiter.
Und schließlich wird der Workflow in FEVFLEX™ durch SCADA-Fernüberwachung und Runtime-Statistik unterstützt:
- Die Fernüberwachung ermöglicht sofortige Warnsignale und Eingriffe bei Zwischenfällen.
- Die Runtime-Statistik unterstützt die Betriebsleiter bei der nachhaltigen Behebung von Schwachstellen im Arbeitsablauf.
Dank dieses umfassenden Informationssystems auf Basis von FEVFLEX™ wurde eine effektive Prüfstandauslastung von 95 Prozent in dem Batterie-Dauerlaufprüfzentrum von FEV erzielt.
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Hochleistung durch innovatives Zweigang-Getriebe
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Der Trend zu batterieelektrischen Fahrzeugen wird sich in Zukunft fortsetzen und wahrscheinlich noch beschleunigen. Besagte Fahrzeuge werden einen signifikanten Beitrag zur Erfüllung zukünftiger Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsziele für Fahrzeugflotten leisten. Um kommerziell erfolgreich zu sein, benötigen diese neuen Fahrzeuge moderne und intelligente Lösungen für ihren Antriebsstrang einschließlich Batterie und Antriebseinheit.
Das optimale Konzept für eine Antriebseinheit muss auf Grundlage einer Beurteilung von Leistung, Effizienz und Kosten auf Systemebene entwickelt werden. Dies schließt alle Komponenten des Antriebsstrangs wie Batterie, Umrichter, Elektromotor und Getriebe ein. Dieses Ziel haben FEV und YASA mit Blick auf einen Hochleistungs-Pkw der oberen Mittelklasse verfolgt. Das Ergebnis ist ein Konzept für eine Antriebseinheit mit außergewöhnlicher Leistungsdichte und Effizienz auf Basis der einzigartigen Axialflussmotor-Technologie von YASA und eines innovativen Zweigang-Getriebekonzepts von FEV.
Abbildung 1 zeigt eine Außenansicht der Antriebseinheit einschließlich der wichtigsten technischen Daten. Mit einer Spitzenleistung von 300 kW und einem Gewicht von weniger als 85 kg bietet die Antriebseinheit eine herausragende Leistungsdichte von 3,5 kW/kg auf Systemebene. Das maximale Achsdrehmoment von 6.000 Nm übertrifft die typischen Radschlupfgrenzen bei Anwendungen sowohl mit Vorder- als auch mit Hinterradantrieb und gewährleistet eine überragende Beschleunigungsleistung auf Fahrzeugebene.
Elektromotor und Umrichter
Bei dem YASA-Motor handelt es sich um eine Axialfluss-Elektromaschine mit Dauermagneterregung. Diese Maschine wurde aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte (bis zu 15 kW/kg bei kundenspezifischen Motorkonstruktionen), ihrer hohen Effizienz (insbesondere im Teillastbetrieb) und ihrer kostengünstigen Herstellung ausgewählt. Bei diesem Motor umspült die Kühlflüssigkeit unmittelbar die Kupferwicklungen und sorgt so für eine sehr effiziente und gleichmäßige Kühlung jeder Wicklung. Die Umrichter von YASA zeichnen sich ebenfalls durch eine hohe Leistungsdichte aus. Dies wird durch eine direkte Ölkühlungstechnologie ermöglicht, die den Einsatz von schweren und kostenintensiven Kühlkörpern und Leistungshalbleiter-Packagings deutlich reduziert. Bei koaxialer Integration von Motor und Umrichter teilen sich diese einen gemeinsamen Kühlkreislauf, was zu weiter reduziertem Volumen sowie zu geringerer Masse und Komplexität der Verbindungen führt.
Getriebekonzept
Passend zu der beschriebenen Motor-Umrichter-Kombination wurde ein lastschaltfähiges Zweigang-Konzept entwickelt. Abbildung 3 zeigt verschiedene Ansichten der Antriebseinheit. Die Zweigang-Funktionalität wird mithilfe eines Ravigneaux-Planetensatzes realisiert.
In Abbildung 4 ist die Topologie des Getriebes erläutert. Das Planetengetriebe ist koaxial zum Elektromotor angeordnet. Das kleine Sonnenrad (SS) dient als Eingang, und der Ring (R) als Ausgang zur Zwischenwelle und zum Differenzial. Die beiden Gänge werden mithilfe zweier Bremsen B1 und B2 realisiert. Bremse B1 ist mit dem Träger verbunden und mit einem Freilauf (One-Way Clutch, OWC) parallel geschaltet, B2 ist mit dem großen Sonnenrad (LS) verbunden. Obwohl diese Anordnung mechanisch komplexer ist als Architekturen mit einem einfachen Planetengetriebe, hat sie eine Reihe technischer Vorteile. Wie in der Tabelle „Schaltelement-Relativdrehzahlen“ dargestellt, liegt die Relativdrehzahl an den offenen Bremsen immer unter der Antriebsdrehzahl am kleinen Sonnenrad, eine wichtige Eigenschaft für minimale Schleppverluste. Gleichzeitig sind die von den Bremsen aufzubringenden Reaktionsmomente günstig, wie der Tabelle „Schaltelement-Drehmomente“ zu entnehmen ist. Die Bremse B2 muss weniger als die Hälfte des Eingangsdrehmoments abstützen. Die Bremse B1 muss zwar das 1,5-fache des Eingangsdrehmoments abstützen, wird aber vom parallel geschalteten Freilauf unterstützt. Dadurch kann die Bremse selbst kleiner ausgelegt werden, was die Schleppverluste weiter reduziert. Im Gegensatz zu Kupplungen wird bei Bremsen der Einsatz von Drehdurchführungen oder Einrücklagern zur Betätigung des Schaltelements vermieden. Außerdem kann die Wärmekapazität der Bremsen über die Dicke ihrer (nicht rotierenden) Stahllamellen skaliert werden, ohne dass sich dies negativ auf die rotierenden Trägheiten auswirkt. Die ausschließliche Verwendung von Bremsen war daher ein wichtiges Kriterium bei der Wahl des Konzepts. Beide Bremsen werden über einen in Serie befindlichen, bedarfsgerecht arbeitenden Aktuator der Firma LuK betätigt. Die auch als HCA (Hydrostatic Clutch Actuator, hydrostatischer Kupplungsaktuator) bezeichnete Einheit arbeitet mit einem bürstenlosen Elektromotor für jedes Schaltelement, das über eine Spindel einen hydraulischen Hauptkolben betätigt. Aufgrund der leckagefreien Übertragungsstrecke ist dieses System sehr effizient. Dank der guten axialen Zugänglichkeit der Bremsen könnten alternativ auch elektromechanische Betätigungskonzepte verwendet werden.
In Abbildung 5 werden die Funktionen der Bremsen und des Freilaufs erläutert. Dort wird noch ein weiterer Vorteil dieser Anordnung genannt: Im ersten Gang kann im Zugbetrieb die Bremse B1 geöffnet werden, wobei das Reaktionsmoment am Planetenträger nur vom Freilauf bereitgestellt wird. Aus diesem Zustand heraus kann das Hochschalten unter Last, das hinsichtlich Schaltkomfort am kritischsten ist, einfach durch das Schließen der Bremse B2 erfolgen. Diese Art der Schaltung ist einfacher und robuster als eine konventionelle Lastschaltung, die normalerweise die gleichzeitige Regelung von zwei Schaltelementen erfordert. Der gleiche Vorteil gilt für das Herunterschalten unter Last, wobei nur B2 geöffnet werden muss. Bei Null-Drehzahl des Trägers übernimmt automatisch der Freilauf und schaltet so in den ersten Gang.
Kühl- und Schmierkonzept
Wie oben bereits erwähnt, teilen sich der Elektromotor und der Umrichter einen gemeinsamen Kühlkreislauf. Durch die Verwendung eines speziellen Öls für elektrische Antriebseinheiten, das die Anforderungen sowohl der elektrischen als auch der mechanischen Bauteile erfüllt, kann das Getriebe ebenfalls in diesen Kühlkreislauf integriert werden. Derzeit ist eine solche Kühlflüssigkeit noch in der Entwicklung, sie kann aber innerhalb einer 3-jährigen Serienentwicklung bereitgestellt werden. Der offensichtliche Vorteil eines so hoch integrierten Kühl- und Schmierölkreislaufs liegt darin, dass diese Lösung weniger komplex und kostengünstiger ist, da nur eine Pumpe, ein Kühler und nur wenige externe Schlauchleitungen erforderlich sind. Zudem werden die Schnittstellen zum Fahrzeug erheblich vereinfacht. Alternativ können auch separate Ölkreisläufe für Elektromotor/Umrichter und Getriebe verwendet werden. In diesem Fall stehen die benötigen Öle sofort zur Verfügung und können für die Anforderungen der einzelnen Kreisläufe individuell angepasst werden. Das Entwicklungsrisiko wird so reduziert, allerdings steigen die Komplexität und die Kosten des Gesamtsystems. In Abbildung 6 ist die Variante mit einem gemeinsamen Kühl- und Schmierkreislauf erläutert.
Eine elektrische Ölpumpe saugt Öl aus dem Ölsumpf und leitet es über einen Öl/Wasser-Wärmetauscher zum Umrichter. Von dort fließt das Öl durch den Elektromotor und anschließend zurück zum Getriebe, wo der Volumenstrom geteilt wird. Ein Teil des Öls wird in die Hauptwelle des Planetengetriebes eingespeist, von wo aus es nicht nur den Radsatz schmiert, sondern auch bei Bedarf die Bremsen kühlt. Der Rest des Öls läuft nicht in den Ölsumpf ab, sondern wird in einem Tank (Reservoir) im Getriebe zwischengespeichert. Von dort aus werden weitere Komponenten über verschiedene Kanäle geschmiert, darunter die Zahnradeingriffe und die Lager der Zwischenwelle. Dank einer intelligenten Regelungsstrategie für die Ölpumpe lassen sich der Füllstand des Tanks und damit auch der Ölstand im Getriebe variieren, was wesentlich zu einer Reduktion der Getriebeverluste durch Planschen und damit zu einer Effizienzsteigerung beiträgt. Abbildung 7 zeigt zwei Innenansichten des Getriebes einschließlich des integrierten Ölreservoirs. Ein Parksperren-System ist auf der Zwischenwelle angeordnet und kann durch einen eigenständigen elektromechanischen Park-by-Wire-Aktuator betätigt werden.
Zusammenfassung
Die hier vorgestellte Zweigang-Antriebseinheit nutzt eine Kombination aus einem elektrischen Axialflussmotor und einem koaxial angeordneten Umrichter, welche sich durch ihre hohe Leistungsdichte auszeichnet und dennoch modular aufgebaut ist. Das Getriebe basiert auf einem Ravigneaux-Planetensatz mit zwei Bremsen als Schaltelementen. Zusammen mit einem Freilauf ist dies ein vorteilhafter Aufbau sowohl im Hinblick auf Schleppverluste als auch hinsichtlich Regelbarkeit und Schaltkomfort. Durch die bedarfsgerechte Betätigung der Bremsen wird der Energieverbrauch minimiert. Der Elektromotor, der Umrichter und das Getriebe teilen sich optional einen einzigen gemeinsamen Kühl- und Schmierölkreislauf. So kann die Komplexität reduziert und die Schnittstellen zwischen Antriebseinheit und Fahrzeug vereinfacht werden. Mit einer Spitzenleistung von 300 kW und einem Gewicht von weniger als 85 kg bietet die Antriebseinheit eine herausragende Leistungsdichte von 3,5 kW/kg auf Systemebene. Das maximale Achsdrehmoment von 6.000 Nm übertrifft sogar die typischen Radschlupfgrenzen bei Anwendungen sowohl mit Vorder- als auch mit Hinterradantrieb und gewährleistet eine überragende Beschleunigung auf Fahrzeugebene.
Schlussbemerkung
Das in diesem Artikel vorgestellte Konzept für eine Antriebseinheit wurde von YASA und FEV gemeinsam entwickelt. Eigentümer der hier beschriebenen Motor- und Umrichtertechnologie ist YASA Limited, ein Entwickler und Hersteller von Elektromotoren und Umrichtern mit Sitz in Großbritannien. Das beschriebene Zweigang-Getriebekonzept ist Eigentum von FEV.
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48 Volt
48 Volt
Bei der Betrachtung gegenwärtiger Antriebsentwicklungen und Marktprognosen nimmt die 48 V-Technologie einen beachtlichen Stellenwert im Kraftfahrzeugsektor ein. Sie ist damit ein wichtiger Bestandteil in der Elektrifizierungsstrategie vieler Automobilhersteller. Mit moderatem technischen Aufwand lassen sich kurzfristig CO2-Einsparungen in der Fahrzeugflotte realisieren. Gleichzeitig bietet eine 48 V-Elektrifizierung erhebliches Potenzial zur Verringerung der Emissionen im Realbetrieb (Real Driving Emissions, RDE). Bei der Vielzahl an Funktionalitäten, zum Beispiel Bremsenergierückgewinnung, Lastpunktoptimierung, Motorstoppsegeln sowie Elektrifizierungsmöglichkeiten im Bereich der Aufladung, Fahrdynamik, Klimatisierung und Abgasanlage, ist schon heute absehbar, dass die Leistungs- und Energiereserven konkurrenzfähig ausgelegter 48 V-Systeme eingeschränkt sind.
Der Vergleich mit Hochvolt-Hybridsystemen in Abbildung 1 veranschaulicht, dass sich der Betriebsbereich von 48 V-Mildhybridsystemen deutlich in Richtung der Systemgrenzen verlagert. Die steigende Zahl an 48 V-Komponenten erhöht zusätzlich die Dynamik der Lastanforderungen sowie die Freiheitsgrade hinsichtlich der Betriebsstrategie. Damit einher gehen Wechselwirkungen, dynamische Randbedingungen und eine hohe Systemkomplexität, die regelbasierte Betriebsstrategien an ihre Grenzen führen. Die Umsetzung eines prädiktiven Energiemanagements ist daher vielversprechend, da die verfügbare elektrische Energie und Leistung im 48 V-Bordnetz optimal verteilt und somit einen bestmöglichen Betrieb kosten- und ressourcenschonend dimensionierter 48 V-Systeme ermöglicht.
Konzeptfahrzeug
FEV hat in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen University ein 48 V-Mild-Hybrid-Konzeptfahrzeug entwickelt. Das Fahrzeug basiert auf einem Mercedes-Benz AMG A45 mit Allradantrieb und einem Siebengang-Doppelkupplungsgetriebe. Das Serienfahrzeug ist mit einem turboaufgeladenen 2,0-l-Ottomotor mit einer spezifischen Leistung von 133 kW/l ausgestattet. Diese beachtliche Leistung wird durch den Einsatz eines großen Abgasturboladers (ATL) erreicht, der trotz Twin-Scroll-Technologie das maximale Drehmoment im unteren Drehzahlbereich signifikant einschränkt und zu einem spürbar verzögerten Ansprechverhalten führt. In diesem Kontext kann eine elektrifizierte Aufladung und/oder eine elektrische Drehmomentunterstützung die Elastizität insbesondere im verbrauchsgünstigen, niedrigen Drehzahlbereich erheblich verbessern. Der 48 V-Mildhybrid-Antriebsstrang ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Zentrales Element ist der Riemenstartergenerator (RSG) im Riementrieb des Verbrennungsmotors (VM). Die P0-Topologie ermöglicht Hybridfunktionen wie Rekuperation, Lastpunktverschiebung und elektrische Drehmomentunterstützung. Da die mit dem Riemen maximal übertragbare Leistung begrenzt ist und eine permanente Koppelung zum Verbrennungsmotor besteht, ist das System nicht für rein elektrisches Fahren prädestiniert.
Weiterhin ist ein elektrischer Verdichter (eV) im Ladeluftpfad stromaufwärts des Ladeluftkühlers positioniert. Der eV erreicht ein maximales Druckverhältnis von 1,45 und kann den Ladedruck und damit das Ansprechverhalten in Betriebsbereichen niedriger Abgasenthalpie, unabhängig vom Betriebszustand des ATL, signifikant erhöhen. Das Konzeptfahrzeug wird mithilfe eines Rapid-Control-Prototyping-Entwicklungssteuergerätes (RCP) betrieben.
Regelbasierte Betriebsstrategie
Die elektrische Aufladung über den eV sowie die elektrische Drehmomentunterstützung des RSG werden über eine fahrleistungsorientierte regelbasierte Betriebsstrategie mit prioritätsbasierter Leistungsaufteilung gesteuert (Abbildung 3). Die Betriebsstrategie besteht aus den drehmomentunterstützenden Funktionen im Antriebsmanagement sowie der übergeordneten Leistungsaufteilung im elektrischen Energiemanagement. Die elektrische Aufladung wird über das Druckverhältnis von gewünschtem und aktuellem Ladedruck im Saugrohr gesteuert. Solange der Wastegate(WG)-geregelte ATL nicht den gewünschten Ladedruck liefert, wird der Druck im Luftpfad über den eV zusätzlich erhöht. Die erforderliche Drehzahl wird anhand des Verdichterkennfeldes des eV berechnet und anschließend entsprechend der verfügbaren elektrischen Leistung begrenzt.
Im Gegensatz zur elektrischen Aufladung, bei der die Antriebsenergie aus der zusätzlichen Luft- und Kraftstoffmasse resultiert, wandelt der RSG elektrische direkt in mechanische Antriebsenergie um, die den Verbrennungsmotor unterstützt (Abbildung 2). Das vom RSG geforderte Drehmoment folgt aus der Differenz zwischen dem aktuellen Drehmoment des Verbrennungsmotors und des Fahrerwunsches. Bei Betätigung des Fahrpedals ist diese Differenz positiv, sodass der RSG das Drehmomentdefizit transient auffüllt. Das RSG-Drehmoment wird anschließend entsprechend der verfügbaren elektrischen Leistung limitiert.
Die elektrischen Leistungsgrenzen der einzelnen 48 V-Komponenten werden vom elektrischen Energiemanagement vorgegeben. Während einer Beschleunigung muss die 48 V-Batterie neben dem eV und dem RSG auch noch die Kühlmittelpumpe sowie das 12-V-System über den DC/DC-Wandler versorgen. Daher ist es erforderlich, eine situationsabhängige Priorisierung der 48 V-Komponenten vorzunehmen. Die verfügbare Batterie-Entladeleistung wird dabei vom Batteriemanagementsystem (BMS) vorgegeben. Die verfügbare elektrische Entladeleistung für die jeweilige 48 V-Komponente wird anschließend in Abhängigkeit ihrer Priorität und der tatsächlichen Leistungsaufnahme höher priorisierter Verbraucher berechnet. Um einen zuverlässigen Fahrzeugbetrieb sicherzustellen, haben dabei die Motorkühlung und das 12 V-System eine hohe Priorität. Die verbleibende Leistung wird dem eV und dem RSG unter Berücksichtigung eines kalibrierbaren Leistungsverhältnisses zur Verfügung gestellt.
Auch wenn solche regelbasierten Ansätze durch weiterführende Abhängigkeiten verbessert werden können, gibt es prinzipbedingte Nachteile. So reagiert die Betriebsstrategie lediglich auf den aktuellen Systemzustand und passt die Stellgrößen unabhängig vom erwarteten Lastszenario an. Da aber das zeitliche Verhalten des Drehmomentaufbaus sowie die Effizienz maßgeblich von dem Lastszenario, der gewählten Betriebsstrategie des elektrifizierten Antriebs (VM mit ATL, eV und RSG) und den elektrischen Systemgrenzen abhängen, ist diese Ansteuerung in der Regel suboptimal.
Optimiertes Energiemanagement
Prädiktive optimierungsbasierte Energiemanagementstrategien nutzen dynamische Streckeninformationen aus dem elektronischen Horizont zur langfristigen Optimierung der Routenführung und Geschwindigkeitstrajektorie. Auf Basis dieser Informationen sowie geeigneter Fahrzeugsensorik zur Umfelderkennung berechnet das Hybridmanagement unter Berücksichtigung der elektrischen Leistungsgrenzen und Lastprädiktion optimale Trajektorien für Gangwahl, Antriebsdrehmoment und Ladestrategie über einen mittelfristigen Horizont. Aus den prädizierten Systemgrößen kann weiterhin ein erwartbarer Ladezustandsverlauf des elektrischen Energiespeichers abgeleitet werden, der einen Energiegewichtungsfaktor adaptiert. Dieser Faktor repräsentiert den Stellenwert der elektrischen Energie in der Energiebilanz und nimmt unmittelbar Einfluss auf die energetische Optimierung im Antriebsmanagement (Gleichung 1).
Gleichung 1
ETot = ∑N k=0E Chem(kT) + ξE El(kT)
Gleichzeitig wird das Ansprechverhalten über die Regelung des Antriebsmoments, das sich aus dem verbrennungsmotorischen und elektrischen Drehmoment zusammensetzt (Gleichung 2), unter Einhaltung dynamischer Systemgrenzen des 48 V-Systems optimiert.
Gleichung 2
ΔMAntrieb = ∑N k=0M Antrieb, Soll (kT) − MVM(kT) − iRiemenMRSG(kT)
Die nichtlineare modellprädiktive Regelung (NMPR) greift auf ein echtzeitfähiges, vereinfachtes Prozessmodell des 48 V-Mildhybrid-Antriebsstrangs zurück und arbeitet bei einem zeitlichen Horizont von wenigen Sekunden mit einer Zeitschrittweite im Hundertstel- bis Zehntelsekunden-Bereich zur Abbildung der nichtlinearen Systemdynamik.
Die NMPR berechnet den optimalen Stellgrößenverlauf des WG und des eV, die über den Luftpfad das verbrennungsmotorische Drehmoment beeinflussen, sowie den des RSG, dessen Moment sich über den Riementrieb addiert. Auf diese Weise werden sowohl die Unterschiede im zeitlichen Verhalten des Ladeluftpfads und des RSG-Drehmoments als auch deren Einfluss auf die Gesamteffizienz des elektrifizierten Antriebsstrangs in der Optimierung berücksichtigt.
Ergebnisse
Die NMPR wurde in einer validierten Co-Simulation eines B-Segment 48 V-Mildhybrids mit turboaufgeladenem Ottomotor, elektrischer Verdichtung und P0-RSG näher untersucht. Abbildung 4 zeigt einen Vergleich der NMPR und des regelbasierten Ansatzes bei einer Volllastbeschleunigung für verschiedene Energiegewichtungsfaktoren ξ. Ein Energiegewichtungsfaktor von 4 ist gleichbedeutend mit einem Gesamtladewirkungsgrad von 25 Prozent, während die elektrische Energie im Grenzfall Null, beispielsweise aufgrund eines hohen Batterieladezustands und einer bevorstehenden Bergabfahrt, kostenlos ist. Wegen der fehlenden Vorausschau reagiert die regelbasierte Betriebsstrategie in beiden Fällen gleich, während die NMPR die Stellgrößen für WG, eV und RSG zur Erreichung eines gewünschten Antriebsmoments situationsabhängig anpasst. Darüber hinaus zeigt die Variation der Optimierungsparameter, dass die NMPR das Antriebsmoment mit zunehmender Gewichtung der Energie (h˜NMPR ↑) reduziert, um den Energieaufwand zu minimieren. Ist die elektrische Energie kostenlos (ξ = 0), wird das Antriebsmoment auf den RSG verlagert, während der eV bei geöffnetem WG Ladedruck aufbaut, um die Ladungswechselverluste zu reduzieren. Im Gegensatz dazu unterstützt die NMPR bei ξ = 4 nur kurzzeitig mit dem RSG, um die schnelle Dynamik der elektrischen Maschine auszunutzen und anschließend elektrische Energie einzusparen.
Die Betriebsstrategie ist in einem derartigen Beschleunigungsszenario immer ein Kompromiss zwischen Ansprechverhalten und Energieeffizienz. Das Ansprechverhalten wird über die Beschleunigungszeit und die Energieeinsparung über den Kehrwert des effektiven Antriebswirkungsgrads beschrieben. Über eine Variation der elektrischen Leistungsbegrenzung wurden die Randbedingungen verändert.
Zusätzlich wurden für jede dieser Leistungstrajektorien die Priorisierung der regelbasierten Betriebsstrategie sowie das Gewichtungsverhältnis der NMPR-Optimierung variiert. Es wird deutlich, dass eine zunehmende Energieeinsparung zu Lasten des Ansprechverhaltens geht. Allerdings löst die NMPR den Zielkonflikt deutlich besser und kann sowohl den Energieverbrauch als auch die Energieeinsparung über den Kehrwert des effektiven Antriebswirkungsgrads beschreiben. Über eine Variation der elektrischen Leistungsbegrenzung wurden die Randbedingungen verändert. Je stärker die elektrische Leistungsbegrenzung ist und je geringer der Fokus auf dem Ansprechverhalten liegt, desto stärker entfaltet sich das Potenzial der NMPR.
Mehr Informationen zu 48V Mildhybrid Antrieben erhalten Sie unter 48v.fev.com
Autoren:
Philip Griefnow, RWTH Aachen University
Prof. Jakob Andert, RWTH Aachen University
Dr. Georg Birmes, FEV Europe GmbH
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FEV Indien
10 Jahre Ingenieurdienstleistung auf Top-Niveau
10 Jahre Ingenieurdienstleistung auf Top-Niveau
FEV Indien wurde 2006 in Delhi gegründet. Im Jahr 2009 eröffnete das Unternehmen auf einer Fläche von zwei Hektar sein technisches Zentrum in Pune in der Region Talgaon. Zu Beginn mit zwei Prüfständen, einem Prüfstand mit einer Gleichstrombelastungseinheit zur Leistungs- und Emissionsprüfung und einem weiteren mit einer Wirbelstrombelastungseinheit für Dauerläufe ausgestattet, wurden die verfügbaren Ressourcen seither kontinuierlich ausgebaut.
Bereits im Jahr 2013 nahm FEV Indien ein Softwarezentrum in Chennai in Betrieb, das den Bedürfnissen der indischen OEMs in Bezug auf Hybrid- und Elektroantriebstechnologien gerecht wird
Im Jahr 2016 folgte die Aufrüstung um sieben hochmoderne Prüfstände, so dass seither unterschiedlichste Leistungen hinsichtlich der Fahrzeug- und Motorenentwicklung, mechanischen Entwicklung und -prüfung, Prototypenprüfung, -anfertigung und -bewertung und Motorleistung und -emissionen angeboten werden. Hinzu kommen Leistungen unter anderem in den Bereichen der Getriebe- und OBD-Kalibrierung.
2017 folgte die Eröffnung des neuen „Vehicle Development Centers“ in Pune. Die Einrichtung verfügt über einen 250 kW 4×2 Rollenprüfstand mit drei Abgasmesslinien (eine verdünnte, zwei Rohabgasmesslinien) der optional auf 4×4 Antrieb aufgerüstet werden kann. Die Anlage ermöglicht außerdem Messungen nach indischen und europäischen Emissionsvorschriften mit den anstehenden Emissionsvorschriften wie WLTP (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure) und RDE (Real Driving Emissions) durchzuführen.
Mit einer Ausweitung der Kapazitäten begegnete das Unternehmen im Jahr 2018 den zusätzlich wachsenden Anforderungen durch neue Emissionsvorschriften und der Elektrifizierung. Dafür umfasst die neue Anlage insgesamt acht den neuesten Vorgaben entsprechenden Prüfstände, darunter ein dynamischer Rollenprüfstand mit zwei Rohabgasmesslinien und der Möglichkeit zur Höhensimulation und der Vermessung von PM-, PN- und Rußemissionen mit PEMS Messgeräten. Außerdem ist ein Labor zur Schwingungsvermessung in der Umsetzung.
Im Mai 2019 erweiterte Indien seinen Standort in Pune um ein neues Mobilitätszentrum. Das Mobilitätszentrum, welches nahe der Metropolregion Mumbai liegt, soll den Weg für fortschrittliche Technologien im indischen Markt ebnen. Neben modernen Entwicklungsprüfständen für den Antriebsstrang mit BS6-Kalibrierung und der Virtual Calibration Platform „VCAP“ verfügt das Zentrum unter anderem über einen neuen NVH-Prüfstand (Noise, Vibration, Harshness). Die bereits vorhandenen Einrichtungen wie z.B Entwicklungsprüfstände für den Antriebsstrang, Fahrzeugrolle mit PEMS, HiL-Prüfstand und Reibungsprüfstand werden so ideal ergänzt. Damit verfügt FEV am Standort Pune über insgesamt 20 Prüfstände.
Emissionsreduzierung
Zylinderabschaltstrategien für Dieselmotoren
Zylinderabschaltstrategien für Dieselmotoren
Die Zylinderabschaltung in Dieselmotoren birgt Potenzial zur weiteren Reduzierung von Schadstoffemissionen sowie zur gleichzeitigen Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs. Das wurde in der Vergangenheit mit verschiedenen Untersuchungen belegt. Dennoch ist eine statische Abschaltung der Hälfte der Zylinder durch ihren Betriebsbereich eingeschränkt. Eine zusätzliche dynamische Abschaltung mehrerer Zylinder ermöglicht weitere Freiheitsgrade, die eine Erweiterung des Betriebsbereichs für die Zylinderabschaltung bieten könnte.
In diesem Artikel werden unterschiedliche Simulationstools wie die stationäre 1D-Motorprozessrechnung und ein transientes Mittelwertmodell zur Untersuchung einer dynamischen Zylinderabschaltung in Dieselmotoren herangezogen.
Für das Untersuchungsprogramm wurde sowohl ein moderner Pkw-Dieselmotor als auch ein mittelschwerer Nfz-Diesel verwendet. Für die Pkw-Anwendungen wurde ein 2,0-Liter-Vierzylinder-Dieselmotor mit einstufigem Aufladesystem und einem Kompressionsverhältnis von 15,5 betrachtet. Weitere Motorenkomponenten waren ein erweitertes Abgasrückführungssystem (AGR) (ungekühlter Hochdruck- und gekühlter Niederdruck-AGR) sowie ein 2000 bar Kraftstoffeinspritzsystem. Es wurde beschlossen, zwei verschiedene Fahrzeuge – ein Kompaktklassefahrzeug sowie ein mittelgroßer SUV – zu untersuchen. Die Fahrzeuge wurden mit einem 7- bzw. 8-Gang-Doppelkupplungsgetriebe ausgestattet. Das Abgasnachbehandlungssystem hat einen motornahen
Dieseloxidationskatalysator (DOC), SCR-beschichteten Dieselpartikelfilter (SDPF) sowie einen passiven Unterboden-SCR (selektive katalytische Reduktion) installiert. Alle Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems (AGN) wurden als gealtertes System verwendet. Bei den Zyklusuntersuchungen wurden der WLTC- und ein RDE-Betrieb betrachtet.
Das mittelschwere Nfz wird von einem 7,7 Liter großen Sechszylinder-Dieselmotor angetrieben. Der Luftpfad weist ein Standard-Wastegate-Turboladersystem zusammen mit einem gekühlten Hochdruck-AGR-System auf. Das Brennverfahren verfügt über ein 2.400 bar Einspritzsystem und ein Verdichtungsverhältnis von 17,7. Es wurde ein modernes Abgasnachbehandlungssystem mit motornahem DOC, Dieselpartikelfilter (DPF) sowie einem SCR installiert. Für die Anwendung des mittelschweren Nfz wurde der WHTC betrachtet.
1D-Motorprozesssimulation
Zur Untersuchung des thermodynamischen Einflusses der verschiedenen Abgasheizstrategien wurde die kommerzielle Software GT-SUITE für die 1D-Motorprozesssimulation verwendet. Das 1D-Motormodell berücksichtigt die gesamte Motorkonfiguration, wie das Aufladesystem, den Luft- und Abgaspfad, die AGR-Pfade (Hochdruck und Niederdruck) und Zylinder. Die Kraftstoffumsetzung wurde mittels aufgeprägter, lastpunktabhängiger Wärmefreisetzungsraten implementiert. Diese wurden mithilfe einer Standard-0D-Zylinderdruckanalyse aus experimentellen, stationären Messdaten generiert. Die gesamte AGR-Regelung des Modells wurde von einer luftmassenstrombasierten Regelung zu einer Sauerstoffkonzentrationsregelung geändert. Das Kraftstoffeinspritzverhalten, der Raildruck sowie die Ladedruck-Sollwerte wurden konstant gehalten. Das 1D-Modell wurde soweit abgeglichen, dass es Untersuchungen im gesamten Motorkennfeldbereich ermöglicht. Zur Regelung von Komponenten wie AGR-Ventilen oder Turboladern wurden standardmäßige PID-Regler verwendet, um AGR-Raten oder den Ladedruck unter stationären Bedingungen zu regulieren. Zuletzt wurde dem Motorenmodell ein Sub-Modell für die Vorhersage der Motor-Rohemissionen hinzugefügt. Dieses Modell nutzt den physischen Korrelationsansatz der Sauerstoffkonzentration im Zylinderinneren zur Prognose der NOx- und Rußrohemissionen. So werden instationäre Effekte auf die Emissionsproduktion berücksichtigt, die in der Regel beim dynamischen Motorbetrieb auftreten. Darüber hinaus wurden HC- und CO-Rohemissionen mittels betriebspunktabhängiger Kennfelder implementiert. Dieser Ansatz stellt den Standard bei FEV dar und wurde in der Vergangenheit bereits eingesetzt. Die Validierung des 1D-Simulationsmodells weist eine Abweichung des Ladedrucks von maximal 1 Prozent auf. Das Kalibrierungsniveau der Emissionsmodelle stellte eine größere Herausforderung dar und wies eine Maximalabweichung von 5 Prozent auf.
Kennfeldbedatung der betrachteten Heizstrategien
Zur Untersuchung der Potenziale der verschiedenen Abgasheizstrategien mittels des Mittelwert-Antriebsstrangmodells (MWM) müssen die Basis-Motorkennfelder – auf Grundlage der 1D-Simulationsergebnisse – angepasst werden. Dafür wurden Differenz- und Faktorkennfelder erstellt und in die Basiskennfelder integriert. Daraus zusammen wurde eine neue Motorkalibrierung zur Berücksichtigung der spezifizierten Abgasheizstrategie ermöglicht.
Mittelwert-Antriebsstrangmodell
In der Studie wurde die ganzheitliche Powertrain Simulation Plattform der FEV, ein Bestandteil der erweiterten VCAP-Kalibrierungsplattform, eingesetzt. Im Antriebsstrangmodell sind fünf wesentliche Sub-Modelle für Rand-/Umgebungsbedingungen, Fahrzeugeinstellungen, Getriebe, Motor und des Nachbehandlungssystems integriert. Das Sub-Modell für Rand-/Umgebungsbedingungen beschreibt die unterschiedlichen Straßenverhältnisse, Zertifizierungszyklen und verschiedenen Fahrerverhaltensweisen. Zur Modellierung der Längsdynamik des Fahrzeugs werden im Fahrzeugmodell Rollwiderstand, Straßeneinfluss, Aerodynamik sowie Schwerkraft betrachtet. Die wichtigsten Getriebe- und Antriebsstrangkomponenten werden mittels idealer Torsionssysteme modelliert, korrigiert über einen öltemperatur-individuellen Wirkungsgrad. Ausgehend von diesen Sub-Modellen werden so die erforderlichen Ist-Werte von Motordrehzahl und Lastanforderung für das Motormodell bereitgestellt. Das Modell berechnet anschließend für den spezifischen Betriebspunkt die entsprechenden Motorbedingungen, die wiederum abhängig von der Kühlwassertemperatur einer Korrektur erfahren.
Selektive, dynamische Zylinderabschaltung
Die dynamische Zylinderabschaltung (Dynamic Skip Fire, DSF) ist eine erweiterte Zylinderabschaltungsstrategie. Ein mit DSF ausgestatteter Motor kann selektiv Zylinder auf Einzelfallbasis abschalten, um einen optimalen Verbrennungswirkungsgrad bei gleichzeitig akzeptablem NVH-Niveau für den gegebenen Drehmomentbedarf zu erzielen. Abbildung 1 zeigt zur Illustration dieses Konzepts ein Beispiel des DSF-Betriebs in einem Vierzylindermotor. Ein variierender Drehmomentbedarf ist grün dargestellt; dieser führt dazu, dass Zylinder gefeuert (rot) oder abgeschaltet (grau) werden. Die kombinierte Zündimpulsfolge für alle vier Zylinder ist in Blau dargestellt. Mit Anstieg des Drehmomentbedarfs steigt auch die Dichte der zündenden Zylinder. Wenn der Drehmomentbedarf „Null“ beträgt oder negativ ist, werden sogar alle Zylinder abgeschaltet. Dieser Vorgang wird als vollständige Zylinderabschaltung im Schubbetrieb oder Deceleration Cylinder Cut-off (DCCO) bezeichnet.
Auswertung der Simulationsergebnisse
Der Auswertungsprozess wurde in zwei Abschnitte unterteilt. Der erste Abschnitt befasst sich mit den Untersuchungen der stationären Simulation verschiedener Heizstrategien mittels 1D-Motorprozessmodellen. Der zweite Abschnitt konzentriert sich dagegen auf die transienten Untersuchungen.
Ergebnisbewertung der stationären 1D-Motorprozesssimulation
Die stationären 1D-Untersuchungen wurden wesentlich im Teillastbetrieb durchgeführt. Die Untersuchungen wurden bei vier verschiedenen Zünddichte-Stufen durchgeführt, wobei 1 den Vollzylinderbetrieb darstellt. Eine Zünddichte von 0,25 entspricht dem Ein-Zylinderbetrieb dieses Vierzylindermotors. Die Schritte dazwischen sind als 0,75 und 0,5 definiert.
Der Motorbetrieb mit einer Zünddichte unter 1 führt aufgrund der geänderten Abgasdynamik zu einem anormalen Turboladerbetrieb. Daher wurden niedrigere Ladedruckniveaus erzielt, was zu einer Beschränkung der maximalen Motorlast führte. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des maximalen Motorlastbetriebs bei den unterschiedlichen Zünddichte-Stufen.
Durch die Abschaltung eines oder mehrerer Zylinder erfahren die weiter gefeuerten Zylinder eine Anhebung der inneren Last damit weiterhin eine konstante effektive Motorausgangsleistung besteht. Die erhöhte innere Last führt zu einem verbesserten Verbrennungswirkungsgrad bei gleichzeitiger Anhebung der Abgastemperatur. Abbildung 3 fasst die relevanten Simulationsergebnisse bei einer Zünddichte = 0,5 zusammen. Es ist zu erkennen, dass die Zylinderabschaltung im betrachteten Kennfeldbereich zu einer Verbesserung des Motorwirkungsgrads führt (abgeleitet über den spezifischen Kraftstoffverbrauch) und eine Anhebung der Abgastemperatur verursacht. Eine mittlere Wirkungsgradsteigerung von etwa 15 Prozent wurde erreicht. Gleichzeitig wurde im Vergleich zum Vierzylinderbetrieb ein Anstieg der Abgastemperatur von knapp 130 K bei einem effektiven Mitteldruck von 3 bar (Mean Effective Pressure, BMEP) erzielt.
Zusätzlich zu den erwähnten Vorteilen zeigten sich bei einer stationären Zylinderabschaltung noch andere Effekte. Einerseits wurde durch die Zylinderabschaltung eine Reduktion des Abgasmassenstroms erreicht. Es wurde also auch ein niedrigerer Motorrohemissionsmassenstrom erzielt. Dadurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade in einer reduzierten AGR-Kalibrierung um weiterhin ein zum Vollzylinderbetrieb vergleichbares NOx-Rohmassenstromniveau zu erreichen.
Auswertung und Beurteilung transienter Simulationsergebnisse des Mittelwert-Antriebsstrangmodells
Zur Bestimmung des Einflusses der dynamischen Zylinderabschaltung auf die relevanten Zyklen wurden WLTC und RDE für die Pkw-Anwendung betrachtet. Das mittelschwere Nfz wurde im WHTC untersucht. Abbildung 4 zeigt die transienten WLTC-Ergebnisse der Kompaktklasse- und Kompakt-SUV-Anwendungen. Es werden Zünddichte, Abgastemperatur vor SDPF sowie die kumulierten NOx-Endrohremissionen dargestellt. Der WLTC startet bei einer Umgebungstemperatur von 23 °C. Aufgrund von vordefinierten Hardwarebegrenzungen erfolgt die Aktivierung von DSF erst ab einer Kühlwassertemperatur von 60 °C, sodass in diesen Fällen der DSF-Betrieb erst nach 140 Sekunden einsetzt. Die Abgastemperaturen vor SDPF zeigen aufgrund der thermischen Masse des DOC nach der Kaltstart- und Warmlaufphase nur einen geringen Anstieg. Danach ist beim Kompaktklassefahrzeug ein Anstieg der Abgastemperatur von rund 20 K mit DSF-Betrieb zu erkennen. Die höhere Abgastemperatur verbessert die NOx-Konvertierung im SDPF und reduziert die NOx-Endrohremissionen auf 43 mg/km. Im Vergleich zum Vierzylinderbetrieb entspricht das einer Reduktion um 4,4 Prozent. Gleichzeitig konnte eine Verminderung der CO2-Emission um 1,5 Prozent erzielt werden. Die Ergebnisse des Kompakt-SUVs zeigen ein geringeres NOx-Reduktionspotenzial bei DSF-
Betrieb. Die Anwendung bei einem schwereren Fahrzeug führt zu einem höheren Motorbetrieb mit einer höheren Abgastemperatur. Zudem reduziert die erhöhte Lastanforderung die Aktivierung des DSF-Betriebs. Daher ist eine nur leicht höhere Abgastemperatursteigerung vor dem SDPF zu erkennen. Dennoch konnte eine Verbesserung der CO2-Emissionen um rund 1 Prozent erzielt werden.
Abbildung 5 fasst die Simulationsergebnisse von WLTC und RDE zusammen. In den RDE-Untersuchungen konnte eine weitere Verbesserung im Zielkonflikt zwischen NOx- und CO2-Emissionen erreicht werden.
Abbildung 6 zeigt die Simulationsergebnisse der mittelschweren Nfz-Anwendung für den kaltgestarteten WHTC. Wie zu sehen ist, steigert die Aktivierung von DSF die Abgastemperatur vor SCR um 10?–?30 K in einem breiten Bereich des Zyklus. Daher konnte eine verbesserte NOx-Konvertierung erreicht werden und hat zu einer Reduktion der Endrohremissionen um 15 Prozent im Vergleich zur Basiskonfiguration geführt. Aufgrund der dynamischen Zylinderabschaltung konnte gleichzeitig eine Kraftstoffverbrauchsverbessung um ca. 1,6 Prozent erzielt werden.
Abb. 6: Transiente Simulationergbnisse der Zünddichte, SCR-Einlasstemperatur und kumulierte NOx-Endrohremissionen des kaltgestarteten WLTC einer mittelschweren Nfz-Anwendung
Abbildung 7 zeigt die zusammenfassenden Ergebnisse des mittelschweren Nfz im gewichteten WHTC. Die Gewichtungsfaktoren berücksichtigen eine Verteilung von 14 Prozent kaltgestartetem WHTC und 86 Prozent warmgestartetem WHTC.
Abb. 7: Zusammenfassende Ergebnisse der DSF-Potentiale für einen mittelschweren LKW im WHTC (Kalt- und Warmstart gewichtet)
Die Untersuchungen zeigen eine Verbesserung der effektiven spezifischen NOx-Endrohremissionen von rund 30 Prozent bei gleichzeitiger Verbesserung des effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauchs von 1,6 Prozent.
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Ottomotoren
200 kW/L bei Lambda = 1
200 kW/L bei Lambda = 1
Die Verschärfung weltweiter Emissionsgesetzgebungen fördert die Weiterentwicklung ottomotorischer Antriebe mit dem Anspruch in allen realen Fahrzuständen sauber zu arbeiten. Gleichzeitig steigen die Leistungsanforderungen und Hochleistungsmotoren werden zur CO2-Reduktion im Hubraum verringert. Weiterhin konkurrieren Ottomotoren zunehmend mit elektrischen Komponenten um den verfügbaren Bauraum. Vor diesem Hintergrund behandelt dieser Artikel den Zielkonflikt zwischen spezifischer Leistungssteigerung und Umstellung auf Lambda = 1 im gesamten Betriebskennfeld.
Warum Lambda = 1 im ganzen Kennfeld?
Der Schutz von Bauteilen im Abgasstrom von Ottomotoren vor zu hoher thermischer Belastung erfolgt bei hohen Leistungen heute durch Kraftstoffanreicherung (Lambda < 1). Gleichzeitig ist eine solche Betriebsstrategie wie folgt verknüpft:
- Der Kraftstoffverbrauch bei hoher Leistung ist überproportional hoch.
- Die CO-Rohemissionen steigen durch die Kraftstoffanfettung stark an und der Drei-Wege-Katalysator arbeitet außerhalb des Lambda = 1 Fensters mit nur sehr geringen onvertierungsraten.
- CO-Emissionen werden beim realen Fahren (RDE) in der Euro 6d Gesetzgebung nicht begrenzt – aber sehr wohl gemessen und erfasst („Monitoring“).
- Neben dem Monitoring von CO im Homologationsprozess erfassen auch einige Nichtregierungsorganisationen CO-Emissionen im realen Fahrbetrieb.
- AES (Auxiliary Emission Strategies), also Applikationsstrategien mit Emissionseinfluss wie Kraftstoffanfettung, können seit der Einführung von RDE-Paket-4 nur noch zeitlich begrenzt zugelassen werden.
Die Umstellung auf Lambda = 1 führt zu Leistungsverlust und reduziert die spezifische Leistung bei heute repräsentativen Technologiepaketen von Ottomotoren auf ~ 65 kW/L. Dies erfordert die zunehmende Einführung von technologischen Maßnahmen, welche die spezifische Leistung bei Lambda = 1 erhöhen. Zu diesen zählen:
- Integrierter Abgaskrümmer (iEM)
- Hochtemperaturfeste Turboladerturbinen
- Miller-Verfahren in Kombination mit entsprechenden Aufladeverfahren wie variable Turbinengeometrie (VTG) oder elektrisch-unterstütze Turboaufladung (eTC)
- Gekühlte Abgasrückführung (cEGR)
- Variable Verdichtung (VCR)
Für Volumensegmente sind spezifische Leistungen von 85 bis 100 + kW/L gut erreichbar. Bei der Entwicklung von Antrieben für sportliche Fahrzeuge besteht mehr Freiheit in Bezug auf Kosten und einsetzbare Technologie. FEV hat sich vor diesem Hintergrund der Frage gestellt: „Sind 200 kW/L bei Lambda = 1 möglich?“
Brennverfahren für 200 kW/L bei Lambda = 1
Die Realisierung einer spezifischen Leistung von 200 kW/L bei Lambda = 1 erfordert einen Aufbruch des Zielkonflikts zwischen Hochaufladung und Klopfneigung. Wassereinspritzung im Einlasskanal stellt dafür die Schlüsseltechnologie dar. Die mit der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers einhergehende Absenkung der Gemischtemperatur am Verdichtungsende ermöglicht eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrads der Hochdruckschleife. Abbildung 3 zeigt eine Variation des Wasser-/Kraftstoff-Verhältnisses (WKV) bei einer Drehzahl von 7.800 min-1 und stöchiometrischem Motorbetrieb. Mit der gewählten Verdichtung von 9,3:1 lässt sich der effektive Mitteldruck mit zunehmendem Wasseranteil bei nur geringer Spätverstellung der Verbrennungsschwerpunktlage bis auf 30,8 bar steigern, so dass der Wert von 200 kW/L bei einem WKV von 55 Prozent erreicht wird. Zur Darstellung des 200 kW/L Betriebspunkts ist ein absoluter Ladedruck von ca. 3,3 bar erforderlich, welcher mit einem einstufigen Verdichter bereitgestellt werden kann. Die Position des Wasserinjektors im Einlasskanal wurde unter Verwendung von 3D CFD Brennraumströmungssimulationen optimiert. Bei entfernter Positionierung weist der Wandfilmanteil einen zu hohen Wert auf, da das Wasser die größte Fläche benetzen kann. Mit Annäherung an das Ventil sinkt der Anteil signifikant, wobei die Verbesserungen bei Annäherung auf unter 60 mm nur noch gering ausfallen. Eine Analyse der Temperaturverteilung im Brennraum zeigt, dass die 60 mm Position der 30 mm Position trotz gleicher Mitteltemperatur vorzuziehen ist. Dem Ziel einer hohen Ladungsbewegung steht angesichts des hohen Massendurchsatzes und Ladedruckbedarfs die Forderung nach einer geringen Drosselwirkung der Einlassventile gegenüber.
Abbildung 5 zeigt, wie 3D-bearbeitete Ventilsitzringe zur Erzielung einer hohen Ladungsbewegung bei gleichzeitig gesteigerten Durchflusskoeffizienten genutzt werden.
Konstruktion für hohe mechanische und thermische Belastung
Eine Motorkonstruktion für eine spezifische Leistung von 200 kW/L muss hoher thermischer Beanspruchung und hoher mechanischer Belastung standhalten. Das Turbinenrad wird aus MAR 246 gefertigt und hält einer Maximaltemperatur von 1.050 °C stand. Neben der Abgasturboladerturbine, sind die Auslassventile einer besonders hohen thermomechanischen Belastung ausgesetzt. Abbildung 6 zeigt einen Vergleich der maximalen Ventiltelleroberflächentemperatur und des minimalen mechanischen Sicherheitsfaktors bei Einsatz von Natrium im Ventilschaft, einer erweiterten Ventilteller-Kühlung und einer optimierten Lösung, die das Natrium in den Ventilteller führt und gleichzeitig dessen Struktur weitestgehend erhält. Der Aluminiumblock ist als steife Closed-Deck-Konstruktion mit Bed-Plate ausgeführt. Die Gusseisenzylinderliner sind eingegossen. Eine Aluminium-Spritzschicht stellt eine gute Verbindung zwischen Zylinder und Kurbelgehäuse sicher. Der extrem hohen thermomechanischen Belastung mit entsprechend ausgeprägter Zylinderdeformation wird mit Freiformhonen begegnet.
Hochleistungsaufladung und -peripherie
Das System verfügt an beiden Zylinderbänken über jeweils einen Abgasturbolader. Die Turbinen sind mit einer variablen Turbinengeometrie ohne Wastegate ausgestattet. Die Nutzung des gesamten Abgasmassenstroms zur Erzeugung der Verdichterantriebsleistung mindert zum einen das Turbinendruckverhältnis und somit auch den Druck stromaufwärts der Turbine, wodurch geringere Ladungswechselverluste und Abgastemperaturen bei Nennleistung erzielt werden können. Zum anderen entfällt die Beimischung des heißen Wastegatemassenstroms stromabwärts der Turbine mit entsprechend inhomogener thermischer Belastung des Katalysators in Folge fehlender Durchmischung. Die Verdichter sind mit einer Trim-Variabilität ausgestattet, die Turbolader zur Verbesserung des Transientverhaltens mit einem elektrischen Motor auf der Welle.
Powertrain-Architektur und Antriebselektrifizierung
Der Hochleistungsmotor ist in das dargestellte Antriebssystem eingebettet. Es besteht aus:
- Verbrennungsmotor 600 kW
- E-Motor EM1 30 kW (Peak 90 kW) in P1 Anordnung
- 7-Gang Doppelkupplungsgetriebe
- E-Motor EM2 55 kW (Peak 160 kW) als Electric Drive Unit (EDU)
- Hochleistungsbatterie 120 kW und 4,0 kWh
Der Verbrennungsmotor und der E-Motor EM1 treiben gemeinsam die Hinterachse an. Der E-Motor EM2 ist als Electric Drive Unit ausgeführt. Die Hochvolt-Lithium-Ionen-Batterie ist aus Gewichtsreduktionsgründen mit einer Kapazität von 4,0 kWh klein ausgeführt und liefert bei einer hohen C-Rate von 30 eine Leistung von 120 kW. Die Drehmomentcharakteristiken aller drei Motoren sind in Abbildung 10 dargestellt.
Im hohen Drehzahlbereich ist der Verbrennungsmotor die dominante Antriebsquelle. Er liefert über 85 Prozent der Gesamtsystemleistung von 710 kW. Die Höchstgeschwindigkeit wird im sechsten Gang erreicht und ist auf 350 km/h begrenzt. Eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h erfolgt ohne Gangwechsel in weniger als 3 Sekunden und ist durch das hohe Abtriebsmoment an der Hinterachse traktionsbegrenzt. Die Betriebsstrategie des Hybridantriebs ist am Beispiel des Durchfahrens einer Kurve auf dem Nürburgring dargestellt (Abbildung 12). Beim Anbremsen vor der Kurve wird Energie rekuperiert. Das Herausbeschleunigen aus einer Kurve wird durch elektrisches Zuboosten über die EDU auf der Vorderachse unterstützt (EM2). Auf geraden Streckenabschnitten bei voller Leistungsanforderung treiben alle Motoren an.
Thermomanagement
Das hier zum Einsatz kommende Kühlkonzept im Gesamtfahrzeug und die Aufteilung der Wärmeströme bei einer Systemleistung von 710 kW sind in Abbildung 13 dargestellt. Der Hochtemperaturkreislauf (HT) des Motorkühlsystems muss 232 kW abführen. Der Getriebeölkühler führt zusätzlich 18 kW an die Umgebung ab. Im linken hinteren Radkasten befindet sich der Kühler für den Niedertemperaturkreislauf (LT) der E-Maschine EM1. Die Abwärme der Batterie wird über einen Wasserzwischenkreislauf an einen Kältekreislauf abgegeben. Dieser führt die Wärme über einen Kondensator an die Umgebung ab (6 kW). Ein zweiter Kondensator wird für den Kältemittelkreislauf der Innenraumkühlung benötigt. Die umgebungsseitige Wärmeabgabe des Kühlwassers der Luft-Wasser-Ladeluftkühler erfolgt durch zwei Niedertemperaturkühler. Die abgegebene Wärmeleistung beträgt in Summe 80 kW.
Emissionierungskonzept für Euro 7
Die Verschärfung weltweiter Emissionsgesetzgebungen fördert die Weiterentwicklung ottomotorischer Antriebe mit dem Anspruch in allen realen Fahrzuständen emissionsarm zu arbeiten:
1 Die mit Euro 6d-TEMP eingeführte Begrenzung der zulässigen Partikelanzahlemission auf 6 x 1011 PN/km x CF im realen Fahren.
2 Die zunehmend geringe Akzeptanz findenden Auxiliary Emission Strategies und die Diskussion über die Einführung von Konformität für die Schadstoffkomponente CO unter RDE-Bedingungen.
3 Die mit Euro 7 erwartete deutliche Reduktion der Emissionsgrenzwerte für gasförmige Schadstoffkomponenten auf ~50 Prozent der heute mit Euro 6d-TEMP gültigen Grenzwerte bei gleichzeitiger Begrenzung des CF = 1 und verschärften Bezug auf verkürzte Fahrstrecken nach Kaltstart (< 10 km).
Abbildung 14 zeigt das Abgasnachbehandlungssystem. Die dargestellte Anlage ist für eine Bank ausgeführt und wird für die zweite Bank gespiegelt. Die Abgasnachbehandlung ist zweiflutig aufgebaut. Sie ist mit einem Adsorberkatalysator von 1,5 L pro Bank ausgestattet. Sein keramisches Trägermaterial ist mit hoher Wärmekapazität ausgeführt und speichert HC-Emissionen nach Kaltstart bis zum Erreichen des Light-Off des Hauptkatalysators. Beim Hauptkatalysator wird zur Reduktion dieser Light-Off-Zeit metallisches Trägermaterial niedriger Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit gewählt. Das Hauptkatalysatorvolumen beträgt 3,5 L pro Bank ohne Adsorberkatalysator und ohne Partikelfilter. In den Hauptkatalysator sind pro Bank zwei elektrisch beheizte Scheiben integriert. Nachgeschaltet ist ein beschichteter Partikelfilter (4WC) mit einem Volumen von 4,0 L.
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Zuverlässiger Partner bei der Gesamtfahrzeugentwicklung
Aus einer Hand – Teil III
Aus einer Hand – Teil III
Teil drei aus der Reihe „Gesamtfahrzeugentwicklung aus einer Hand“
Den ersten Teil aus dieser Reihe finden Sie hier.Und den zweiten Teil aus dieser Reihe hier.
FEV hat sich innerhalb der letzten Dekade zu einem Engineering-Dienstleister entwickelt, der das gesamte Service-Spektrum in der Fahrzeugentwicklung abdecken kann. In drei Beiträgen wird auf die Fahrzeugmodule Rohbau, Exterieur/Interieur, Licht und Sicht und das Fahrwerk eingegangen. Dabei werden Fahrzeugeigenschaften wie Akustik, Fahrdynamik, passive und aktive Sicherheit und auch Dauerfestigkeit betrachtet. Entwicklungswerkzeuge sind hier die virtuelle und reale Erprobung. Begleitet werden die Aktivitäten von diversen Steuerungsaufgaben wie Benchmarking mit anschließendem Targetsetting, Versuchs- und Prototypenplanung, Gewichtsmanagement und Homologation.
FEV übernimmt Verantwortung für die komplette Bandbreite der Gesamtfahrzeugentwicklung sowie für die Entwicklung einzelner Module und für punktuelle Konstruktions- und Berechnungsumfänge einzelner Bauteile. Die Tatsache, dass die Entwicklungskompetenz für Antrieb, Getriebe und Fahrzeug aus einer Hand kommen, macht FEV zu einem optimalen Entwicklungspartner – auch für elektrifizierte Fahrzeuge. Besondere Expertise bietet FEV bei der Konversion konventionell angetriebener Fahrzeuge zu Elektromobilen, da gerade hier die eng verzahnte und parallele Entwicklung von Antriebsstrang und Fahrzeug zu einem optimalen Ergebnis führt. Im Weiteren werden einige Aufgaben aus der Gesamtfahrzeugentwicklung vorgestellt.
Fahrwerk und Fahrdynamik
Das Fahrwerk stellt bei Fahrzeugen jeglicher Art die Verbindung zur Fahrbahn herund ist somit die Baugruppe, welche die auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte und Momente überträgt. Die Hauptaufgabe des Fahrwerks ist deshalb, diesen Kontakt immer zu gewährleisten, da ohne ihn keine Kraftübertragung möglich ist. Die Tatsache, dass die Fahrbahn nie eben und gerade verläuft und zusätzlich noch unterschiedliche Reibkoeffizienten vorweist, macht diese Aufgabe so anspruchsvoll. Insgesamt ist das Fahrwerk verantwortlich für Fahrsicherheit, Fahrkomfort und das dynamische Fahrzeugverhalten, das sich grob in Längsdynamik (Bremsen), Querdynamik (Lenkung) und Vertikaldynamik (Federung/Dämpfung) unterteilen lässt. Gerade im Spannungsfeld zwischen Fahrkomfort und Fahrsicherheit gibt es viele Zielkonflikte, die im Bereich der Auslegung von Fahrwerken zu lösen sind.
FEV deckt auch den Entwicklungsprozess in der Fahrwerk- und in der Fahrdynamikentwicklung komplett ab. Über das Erarbeiten von neuen Konzepten und Zielwerten, die Konstruktion von Bauteilen und Modulen bis hin zum Testen und finalen Abstimmen der Prototypen ist FEV imstande, seine Erfahrung und Kompetenz in die Projekte einfließen zu lassen. Für das Tuning von fahrdynamischen Eigenschaften steht ein Team von geschulten Fahrern bereit, um die Fahrzeuge subjektiv und objektiv mit Hilfe von entsprechender Messtechnik zu bewerten und zu optimieren. Hierzu ist die unmittelbare Nähe von FEV zum Aldenhoven Testing Center (ATC), Deutschland, ein großer Pluspunkt. Zusätzlich kommen immer mehr elektronische Systeme ins Fahrzeug. Neben den heute gesetzlich vorgeschriebenen ABS- und ESP-Systemen wirken viele Fahrerassistenzsysteme über das Fahrwerk auf die Kurshaltung und Stabilisierung des Fahrzeugs. Damit wird die Bedeutung des Fahrwerks für moderne Fahrzeuge erneut unterstrichen und die Notwendigkeit deutlich, warum FEV auch in der Entwicklung dieser neuen Systeme aktiv ist.
Auch alternative Antriebskonzepte mit einem oder mehreren Elektromotoren bieten die Möglichkeit, neue Fahrwerkskonzepte zu entwickeln, die aufgrund der Bauraumsituation mit klassischem Verbrennungsmotor bisher nicht möglich gewesen sind.
Passive Fahrzeugsicherheit
Die passive Fahrzeugsicherheit steht seit Jahren im besonderen Fokus der Entwicklung und auch im besonderen Interesse der Käufer, da davon im Fall eines Unfalls Leben und Gesundheit entscheidend abhängen. Neben gesetzlichen Vorgaben, die für die Zulassung und Inbetriebnahme eines PKW erfüllt werden müssen (Homologation), gibt es Verbraucherschutzorganisationen wie zum Beispiel EuroNCAP (European New Car Assessment Programme), die über das gesetzliche Mindestmaß hinaus unter anderem die passive Fahrzeugsicherheit von PKW bewerten.
Die Bedeutung der Verbraucherschutzratings hat in der Vergangenheit einen immer größeren Stellenwert eingenommen, wobei die Anforderungen zum Erreichen eines hohen Ratings (5-Sterne) stetig gestiegen sind. Die Geschwindigkeit bei der Einführung von neuen Testmethoden, neuen Prüfmitteln und Crashdummies stellt die Fahrzeughersteller jährlich vor große Herausforderungen. Bei global agierenden Fahrzeugherstellern müssen weltweit nicht nur unterschiedliche gesetzliche Anforderungen erfüllt werden, sondern es muss auch bei den regional unterschiedlichen Verbraucherschutzratings ein Top-Rating erzielt werden, zum Beispiel für J-NCAP in Japan, C-NCAP in China, US-NCAP in den USA oder Bharat NCAP in Indien.
Die Einführung des Fußgängerschutz-Beinimpaktors a-PLI (advanced Pedestrian Leg Impactor) ist ein repräsentatives Beispiel für die Änderungsgeschwindigkeit des EuroNCAP zur Implementierung neuer Prüfkörper. Die Entscheidung für diesen neuen Impaktor wurde im Februar 2019 getroffen, wodurch die Entwicklungsstrategie für bereits gestartete Projekte mit SOP 2022 geändert werden muss. Der Beinimpaktor existiert jedoch bisher nur als physischer Impaktor, ein virtuelles Entwicklungsmodell für die Simulation soll erst in der zweiten Jahreshälfte 2019 erhältlich sein.
Durch das Wissen und das Netzwerk der Experten bei FEV können Kunden frühzeitig die richtigen Hebel in ihren Projekten stellen, um weittragende Entwicklungsstrategien möglichst frühzeitig in das Entwicklungsprojekt zu bringen. Darüber hinaus bietet FEV die entwicklungsbegleitende Funktionsauslegung im Bereich der passiven Fahrzeugsicherheit an, neben den virtuellen Crash-Simulationen werden Bauteil-, Komponenten- und Gesamtfahrzeugtests organisiert, durchgeführt und ausgewertet. Für Bauteil- und Komponententests können Anlagen von FEV genutzt werden, im Bereich der Gesamtfahrzeug-Crashs arbeitet das Unternehmen mit langjährigen Partnern zusammen. Die Integration von sicherheitsrelevanten Bauteilen, wie zum Beispiel Airbags, wird dabei durch die Safety-Experten gesteuert – hierzu ist ein steter und enger Austausch zwischen der virtuellen Funktionsauslegung, den Systemlieferanten und der Konstruktion gegeben.
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