FEV setzt den Diesel unter Strom

In den nächsten Jahren ist mit einer deutlichen Zunahme von 48 Volt-„Mild-Hybrid“-Konzepten zu rechnen, da diese ein großes Potential bieten, um Kraftstoffverbrauch sowie Schadstoff-Emissionen zu verringern. Gleichzeitig lassen sie sich verhältnismäßig einfach umsetzen, da keine komplette Neuauslegung des Antriebsstrangs notwendig ist.
Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts mit Valeo hat FEV ein D-Segment-Versuchsfahrzeug mit 48 Volt-Bordnetz, Riemen-Startergenerator (RSG) und elektrisch angetriebenem Verdichter (E-Verdichter) ausgestattet. Das Ergebnis: Die vorgenommenen Optimierungen addieren sich zu einem CO₂-Reduktionspotential von rund elf Prozent im WLTP.

Dank hochwirksamer Abgasnachbehandlungssysteme können aktuelle Dieselmotoren niedrigste NOx-Emissionen einhalten. Jedoch kann es in sehr transienten Betriebssituationen – beispielsweise bei einer starken Beschleunigung – kurzzeitig zu einer deutlichen Erhöhung der NOx-Rohemissionen kommen. Der Grund hierfür liegt darin, dass Abgasrückführ(AGR)-System und Turbolader erst nach einer gewissen Verzugszeit die notwendige AGR-Rate beziehungsweise den erforderlichen Ladedruck liefern können.

Potenziale elektrischer Komponenten

Elektrisch angetriebene Komponenten bieten eine sinnvolle Unterstützung: Ein Riemenstartergenerator (RSG) kann zusätzliches Drehmoment für den Fahrzeugantrieb zur Verfügung stellen und ermöglicht es somit, den Motor in einem niedrigeren Lastbereich zu betreiben. Zusätzlich kann ein E-Verdichter den gewünschten Ladedruck praktisch verzögerungsfrei und unabhängig von der AGR aufbauen und somit das “Turboloch” des Abgasturboladers überbrücken. Als weitere Maßnahme kann der Abgasturbolader daher mit Blick auf höhere Effizienz beziehungsweise Nennleistung ausgelegt werden.

Das HECS ECObrid-Konzept

Beim Primärantrieb des HECS ECObrid-Versuchsfahrzeugs handelt es sich um die dritte Generation des FEV-HECS – einen 1,6 Liter-4-Zylinder-Motor mit einstufiger Aufladung und kombinierter Hochdruck-/Niederdruck-AGR. Zusätzlich wurden ein 48 Volt-E-Verdichter und ein 48 Volt-RSG integriert. Die gesamte elektronische Steuerung des Motors und des Hybridsystems erfolgt über eine FEV-eigene modellbasierte Software, die auf einem Rapid Control Prototyping System (RCP) vom Typ dSpace MABX II implementiert wurde.

Der 48 Volt-E-Verdichter befindet sich stromabwärts vom wassergekühlten Ladeluftkühler (LLK) sowie Abgasturbolader, der über eine variable Turbinengeometrie verfügt. Durch diese Anordnung wird das Volumen nach e-Verdichter auf ein Minimum reduziert, was das Transientverhalten verbessert. Der reduzierte Volumenstrom erlaubt es außerdem, einen kleineren Verdichter mit nochmals verbessertem Ansprechverhalten zu wählen. Zum anderen verringert die Zwischenkühlung den Leistungsbedarf des E-Verdichters, da die Verdichtung auf einem niedrigen Temperaturniveau erfolgt.
Das Versuchsfahrzeug verfügt über ein 12 Volt/48 Volt-Bordnetz mit zwei Batterien. Das 48 Volt-System besteht aus dem in P0-Position angeordneten RSG, einer Lithium-Ionen-Batterie und dem E-Verdichter. Über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler erfolgt die Verbindung zum 12 Volt-System, das vom Serienfahrzeug übernommen wurde, zusätzlich jedoch die elektrischen Kühlwasserpumpen des Dieselmotors versorgt.

48 Volt-Komponenten

Der 48 Volt-RSG von Valeo basiert auf einer Klauenpolmaschine und verfügt über eine Leistungselektronik zur Effizienzerhöhung und Regelung des motorischen Betriebs. Die Maschine ist luftgekühlt, wodurch die kontinuierlich abrufbare Leistung auf 4 kW begrenzt ist, während eine kurzzeitige Spitzenleistung von bis zu 12 kW geliefert werden kann. Über das Übersetzungsverhältnis des Riementriebs können mit dem RSG bis zu 160 Nm an die Kurbelwelle abgegeben werden. Der Riemen wird für die bidirektionale Kraftübertragung mit einem Doppelarmspanner der Firma Mubea gespannt.

Der luftgekühlte bidirektionale DC/DC-Wandler verfügt über eine Nennleistung von 2,7 kW.
Er übernimmt die Versorgung des 12 Volt-Bordnetzes und wird daher im vorliegenden Fall nur als Tiefsetzsteller betrieben. Die Versorgung des 48 Volt-Bordnetzes erfolgt über eine Schaltung in der 48 Volt-Batterieeinheit.

Die 48 Volt-Prototypbatterie der Firma Voltabox basiert auf einer NMC/LTO-Zellchemie und verfügt über eine nominale Kapazität von 20 Ah. Diese vergleichsweise hohe Kapazität ermöglicht einen hohen Freiheitsgrad für Demonstrator-Anwendungen und erlaubt in Verbindung mit einer Luftkühlung Spitzenströme bis zu 15 C. Das Batteriemodul besteht aus 20 in Serie geschalteten Zellen, wodurch sich eine Betriebsspannung von 44 bis 48 Volt im relevanten SoC-Bereich (SoC = State of Charge) ergibt.

Der 48 Volt-E-Verdichter von Valeo wird durch einen geschalteten Reluktanzmotor angetrieben und kann mit bis zu 6,5 kW betrieben werden. Die geringe Massenträgheit führt zu einer sehr kurzen Ansprechzeit von weniger als 150 ms.

Spezielles Regelungskonzept

Die zusätzlichen Hybridkomponenten des HECS ECObrid erfordern neue Regelungsfunktionen, die in die existierende Software-Umgebung der Motorsteuerung integriert wurden.
Der Powertrain(PT)-Bereich beinhaltet die verschiedenen Hybrid-Betriebszustände und -funktionen. Diese Zustände können für jede Art von Hybrid-Antriebsstrang (Px, seriell oder leistungsverzweigt) verwendet werden und spezifizieren die übergeordneten Fahrbetriebsarten, beispielsweise Hybridbetrieb oder elektrisches Fahren, sowie die übergeordneten transienten Betriebsarten, wie beispielsweise Motorstart oder Motorstopp.
Die Software-Architektur umfasst Funktionen für alle gängigen Komponenten des 48 Volt-Systems, wie Batterien, Startergeneratoren, E-Verdichter, DC/DC-Wandler und deren Schnittstellen. Individuelle Funktionen für das jeweilige Komponentenmanagement, die Systemkoordination und die Diagnose sind ebenfalls enthalten. Die Schnittstellen der einzelnen Hardware-Komponenten werden dabei analog zu den dieselmotorischen Basisfunktionen mittels Input-/Output-Funktionen auf universelle und hardwareunabhängige Signale übertragen. Dadurch wird ein problemloser Austausch von Komponenten ermöglicht. Im Falle eines fehlenden Software-Features kann dieses im Software-Modul der jeweiligen Hardware-Komponente ergänzt werden.

Für Mild-Hybrid-Anwendungen ist der Hybrid-Modus die wichtigste Betriebsart. In dieser Betriebsart bestimmt das Energiemanagementmodul (EgyMgt) die Aufteilung der elektrischen Leistung auf den RSG und den E-Verdichter. Das EgyMgt sammelt alle Leistungsanforderungen und priorisiert diese gemäß der anliegenden Betriebsart. So wird beispielsweise für den Motorstart und eine Anfahrunterstützung der RSG priorisiert.
Die Drehmoment- und Drehzahl-Sollwerte werden in den Modulen des RSG und des E-Verdichters berechnet. Dabei werden der erforderliche Lade-/Entladestrom, die Begrenzungen des 48 Volt-Strategiemoduls und die Drehmomentanforderung seitens des Fahrers berücksichtigt.

Simulationsergebnisse

Um das Potential der zusätzlichen Elektrifizierung bezüglich der Reduktion von NOx-Rohemissionen und Kraftstoffverbrauch zu veranschaulichen, wurden Simulationsrechnungen für exemplarische Lastsprünge sowie für den Zertifizierungszyklus WLTP durchgeführt.

Dabei wird zwischen dem Ladedruckaufbau mit unverändertem Sollwert und einer transienten Ladedrucküberhöhung (Overboost) unterschieden. Der Ladedrucksollwert wird mit dem E-Verdichter praktisch verzögerungsfrei erreicht, wodurch bereits während des Lastsprungs die für den stationären Fall kalibrierte AGR-Rate ohne eine Erhöhung der Rußemissionen eingestellt werden kann. Bei einer kurzzeitigen Ladedrucküberhöhung kann die AGR-Rate noch weiter gesteigert werden, was zu einer weiteren rußneutralen Absenkung der NOx-Emissionen führt.

Deutlich reduzierte CO₂-Emissionen

Insgesamt ergibt sich ein CO₂-Reduktionspotenzial von rund elf Prozent im WLTP. Der größte Anteil – etwa fünf Prozent – wird durch die Rekuperation und elektrische Unterstützungsleistung des RSG realisiert. Aber auch der E-Verdichter liefert durch mehrere Effekte eine zusätzliche CO₂-Ersparnis von gut zwei Prozent, wenn die erforderliche elektrische Energie vollständig durch Rekuperation bereitgestellt wird. Zum einen reduziert der E-Verdichter durch den schnellen Druckaufbau die Ladungswechselverluste, und zum zweiten kann der vergrößerte Abgasturbolader (ATL) auf eine höhere Effizienz und einen niedrigeren Gegendruck ausgelegt werden. Zudem ermöglicht der größere ATL auch eine Erhöhung der spezifischen Motorleistung und somit eine Downsizing-Strategie, die zu einer weiteren CO₂-Ersparnis von mehr als vier Prozent führt.