BeschleunigungDas Beschleunigungsverhalten des MBL ex-driveZugkraftdiagrammZugkraftdiagramm - Erreichbare Höchstgeschwindigkeiten bei verschiedenen SteigungenBeschleunigungsverhalten und Zugkraftdiagramm
Durch das konstant hohe Drehmoment der Elektromotoren des MBL ex-drive über einen großen Drehzahlbereich, können mit nur einem Gang sowohl gute Beschleunigungswerte als auch hohe Endgeschwindigkeiten erreicht werden. Durch die Reduktion auf einen Gang, den Einsatz eines elektrischen Mittendifferentials anstatt eines mechanischen, den Entfall von Trilok-Wandler, Lamellenkupplungen und Kardanwelle ist das Massenträgheitsmoment der Antriebe zudem sehr gering, was sich ebenfalls positiv auf das Beschleunigungsverhalten auswirkt. Ein weiterer Vorteil: Bis zur Höchstgeschwindigkeit kann ohne Zugkraftunterbrechung beschleunigt werden.
Der Energieverbrauch des MBL ex-drive wurde mit Hilfe des NEFZ ermittelt. Der NEFZ setzt sich aus dem EUDC-Teilzyklus und viermal dem ECE-15-Teilzyklus zusammen. In dem EUDC-Teilzyklus wird eine Überlandfahrt und in dem ECE-15-Teilzyklus der Stadtverkehr simuliert.
Für 100 km benötigt der MBL ex-drive ca. 20 kWh Energie. Das ist weniger Energie als in 2 Liter Diesel stecken. Selbst bereinigt um den derzeitigen durchschnittlichen Wirkungsgrad des deutschen Energiemixes, ergibt dies nur einen Primärenergiebedarf von ca. 50 kWh / 100 km, vergleichbar mit einem Verbrauch von unter 5 Liter Diesel je 100 km. Gemessen an der Fahrzeugklasse ist das mehr als beachtlich - der elektrische Antrieb arbeitet bei gleicher Leistung weitaus effizienter als andere und das obwohl die Energie dafür heute noch überwiegend aus konventionellen Kraftwerken stammt. Selbst im Range Extender Betrieb macht der MBL ex-drive eine gute Figur, durch die Entkopplung des Verbrennungsmotors von den Antriebsrädern kann dieser permanent mit maximalem Wirkungsgrad betrieben werden, was ebenfalls zu einem beachtlichen Verbrauch von ca. 5,5 Liter Diesel je 100 km führt.
Fährt ein Fahrzeug so 20000 km im Jahr rein elektrisch, wären 4,0 MWh elektrische Energie erforderlich, das entspricht in etwa der jährlichen Ausbeute einer 5 mal 6 Meter großen Photovoltaikanlage. Ein anderer Vergleich: Mit der jährlichen Ausbeute eines einzigen durchschnittlichen Windrades, können ca. 500 solcher Fahrzeuge 20000 km weit fahren.
Energieverbrauch des MBL ex-drive im NEFZ
Rein elektrischer Betrieb ohne Rekuperation: 27,7 kWh / 100 km (ab Steckdose)
Rein elektrischer Betrieb mit Rekuperation: 20,5 kWh / 100 km (ab Steckdose)
Range Extender-Betrieb mit Rekuperation: 53,9 kWh / 100 km (ab Tank) bzw. 5,5 l Diesel / 100 km
Batterieladezustand nach zwei Durchläufen im NEFZ, blau: mit Rekuperation, rot: ohne Rekuperation
Wenn ein konventionelles Fahrzeug verzögert, wird der Großteil seiner kinetischen Energie über die Bremse in Wärme umgewandelt. Sie wird damit ungenutzt als Verlust an die Umwelt abgegeben. Beim Rekuperieren wird die Bewegungsenergie in nutzbare elektrische Energie gewandelt. Die elektrische Maschine arbeitet dazu im Generatorbetrieb, wodurch die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie gewandelt, der Batterie zuführt und das Fahrzeug somit verzögert wird. Beim Rekuperieren kommen die besonderen Vorzüge von Hybridantrieben zur Anwendung.
Dabei ist zwischen überlagerten regenerativen Bremssystemen und kooperativen regenerativen Bremssystemen zu unterscheiden. Überlagerte regenerative Bremssysteme nutzen die konventionelle Bremse weiterhin wie gehabt, simulieren im Generatorbetrieb aber das Schleppmoment eines Verbrennungsmotors, wodurch ein kleiner Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs in elektrische zurückgewandelt werden kann.
Wesentlich effizienter - aber auch komplexer - ist ein kooperatives regeneratives Bremssystem. Das Fahrzeug wird damit in der Bremsphase nicht mehr mit der mechanischen Bremse verzögert, sondern ausschließlich mit Hilfe der elektrischen Maschine, was den Verschleiß der mechanischen Bremse zudem drastisch reduziert. Für den Fall dass die Batterie keine Energie mehr aufnehmen kann oder die elektrische Bremsleistung nicht ausreicht, z.B. bei einer Vollbremsung, befindet sich die konventionelle Bremse weiterhin im Fahrzeug. Die größte Schwierigkeit besteht nun darin, von der elektrischen Bremse auf die mechanische Bremse zu wechseln - Fading genannt - oder die mechanische Bremse bedarfsgerecht zu überlagern, ohne dass es der Fahrer bemerkt. Um diese variable Verteilung der Bremsleistung auf mechanische und elektrische Bremse zu erreichen, muss die mechanische Bremse zwangsweise vom Bremspedal entkoppelt werden. Gleichzeitig muss ein sicheres Verzögern des Fahrzeugs im Fehlerfall gewährleistet sein.
Die Reichweitensteigerung die durch Rekuperation erreicht werden kann ist stark vom Fahrverhalten des Fahrers abhängig. Die Werte schwanken zwischen 5% und 25%. Allgemein kann jedoch gesagt werden, dass durch eine leistungsfähige kooperative Bremsanlage der Energieverbrauch eines seriellen Hybrid- oder Elektrofahrzeugs kaum mehr durch das Fahrverhalten des Fahrers beeinflusst werden kann, man bewegt sich immer nahe dem Minimum, egal ob bei "sportlicher" oder "schonender" Fahrweise. Somit würde ein "sportlicher" Fahrer eine große Energieeinsparung im Vergleich zu einer konventionellen Bremse verzeichnen, ein "schonender" Fahrer nur eine geringe.
Ein Hybridsynchronmotor des MBL ex-drive mit Sonnenrad für die Planetenstufe
Im MBL ex-drive werden Hybridsynchronmotoren als Antriebsmaschinen eingesetzt. Der Hybridsynchronmotor kombiniert die Vorteile der Asynchronmaschine mit denen der Reluktanzmaschine, was Antriebe mit erstaunlichen Eigenschaften ermöglicht. Hohe Leistungsdichte, konstant hohe Leistung bis in höchste Drehzahlregionen und hohes Drehmoment ab dem Stillstand sind Merkmale die diesen Maschinentyp besonders auszeichnen. Im MBL ex-drive ist davon je ein Motor für jede Fahrzeugachse im Einsatz.
Wechselrichter haben die Aufgabe Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln. Gleichrichter haben die Aufgabe Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Umrichter erfüllen beide Aufgaben und sind von großem Vorteil in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, da sie im Gegensatz zum reinen Wechselrichter das Rekuperieren ermöglichen. Beim Beschleunigen wird Gleichspannung aus dem Akkumulator in Wechselspannung gewandelt und den Motoren zugeführt. Beim Rekuperieren arbeiten die Motoren als Generator, stellen also Wechselspannung zur Verfügung, die vom Umrichter zum Laden des Akkumulators in Gleichspannung gewandelt wird. Im MBL ex-drive arbeiten zwei wassergekühlte IGBT-Umrichter mit sehr hoher Leistungsdichte.
Ein Lithium-Ionen-Akkumulator (kurz Li-Ionen) ist ein Akkumulator auf Basis von Lithium. Er ist im Gegensatz zur Lithium-Batterie wiederaufladbar. Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Er ist thermisch stabil, liefert über den Entladezeitraum eine konstante Spannung und kennt keinen Memory-Effekt. Weiterentwicklungen des Li-Ionen-Akkus sind der Lithium-Polymer-Akku, der Lithium-Titanat-Akku, der Lithium-Mangan-Akku und der Lithium-Eisen-Phosphat-Akku.
Ein Lithium-Ionen-Akku erzeugt die elektromotorische Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen. Beim Ladevorgang wandern positiv geladene Lithium-Ionen durch einen Elektrolyten hindurch, von der Kathode zwischen die Graphitebenen der Anode, während der Ladestrom die Elektronen über den äußeren Stromkreis liefert; die Ionen bilden mit dem Kohlenstoff eine Interkalationsverbindung. Beim Entladen wandern die Lithiumionen zurück in das Metalloxid und die Elektronen können über den äußeren Stromkreis zur Kathode fließen. Wesentlich für das Funktionieren der Interkalation ist die Ausbildung einer schützenden Deckschicht auf der negativen Elektrode, die für die kleinen Li+-Ionen durchlässig, für Lösungsmittelmoleküle jedoch undurchlässig ist. Ist die Deckschicht ungenügend ausgebildet, kommt es zur Interkalation von Li+-Ionen mitsamt den Lösungsmittelmolekülen, wodurch die Graphitelektrode irreversibel zerstört wird. Eine negative Elektrode aus Lithium-Metall wäre elektrochemisch optimal, ist für einen Akku aber ungeeignet, da sich die Elektrode beim Entladevorgang genauso wie bei einer Lithium-Batterie auflösen würde und beim Ladevorgang keine Möglichkeit mehr bestünde, ihre Geometrie zu rekonstruieren.
Die Traktionsbatterie des MBL ex-drive basiert auf der Lithium-Mangan Technik und stellt ein komplexes Gebilde aus 4752 verschweißten Einzelzellen dar. Zudem sind Zellen mit sehr geringem Innenwiderstand verbaut, was sehr hohe Lade- und Entladeströme ermöglicht und die Lade- und Entladeverluste gleichzeitig auf ein vernachlässigbares Minimum reduziert.
Die Batterie des MBL ex-drive kann über eine normale Haushaltssteckdose, eine Starkstromsteckdose oder eine Stromtankstelle nachgeladen werden, allerdings auch dynamisch während der Fahrt mit Hilfe des im Fahrzeug integrierten Range Extenders.
Range Extender dienen zur Erhöhung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs. Falls benötigt, treibt eine Wärme-Kraftmaschine, also z.B. ein Verbrennungsmotor, einen elektrischen Generator an oder eine Brennstoffzelle dient direkt als Generator. Der so während der Fahrt zur Verfügung gestellte elektrische Strom kann der Traktionsbatterie des Fahrzeugs zum Laden, dem elektrischen Antrieb zum Fahren oder beiden zugeführt werden.
Prinzipiell eignen sich verschiedene Technologien für den Einsatz als Range Extender. Alle Konzepte zeichnen sich durch ihre individuellen Stärken und Schwächen aus.
Der Dieselmotor mit Generator überzeugt durch seinen guten Maximalwirkungsgrad, der bewährten Technik und der günstigen Anschaffungskosten. Zudem ist die Adaption auf verschiedene Kraftstoffe möglich. Akustisch hingegen ist der Dieselmotor sehr anspruchsvoll, ein für Elektrofahrzeuge standesgemäßer "Flüsterbetrieb" ist kaum realisierbar und der Generator muss in der Regel von den starken Motorvibrationen entkoppelt werden. Das niedrige Drehzahlniveau macht zudem Generatoren mit großem Rotordurchmesser oder ein Getriebe erforderlich, wodurch die Gesamtleistungsdichte relativ gering ist.
Höhere Leistungsdichten ermöglichen Ottomotoren oder Wankelmotoren mit Generator, jedoch auf kosten des Wirkungsgrades. Zudem ist im Gegensatz zu Dieselmotoren eine Abgasnachbehandlung erforderlich. Ein "Flüsterbetrieb" ist zwar leichter realisierbar als bei Dieselmotoren, jedoch keineswegs einfach.
Brennstoffzellen ermöglichen den "Flüsterbetrieb" dagegen ohne besonderen Aufwand. Der Wirkungsgrad ist zudem sehr hoch und eine Abgasnachbehandlung nicht erforderlich. Die extrem geringe Leistungsdichte von Brennstoffzellen verhindert jedoch einen sinnvollen Einsatz, der Bauraumbedarf für eine praktikable Leistung ist extrem groß. Zudem sind die Anschaffungskosten sehr hoch und es existieren kaum praktische Erfahrungen.
Hohe Anschaffungskosten und kaum praktische Erfahrungen gelten ebenso für Gasturbinen mit Generator, jedoch sind sie mit verschiedenen Kraftstoffen betreibbar, können sich ausschließlich mit Ansaugluft kühlen und kommen dank aerodynamischer Gleitlager sogar ohne Schmierstoffe aus. Zudem sind sie akustisch leicht auf "Flüsterbetrieb" zu trimmen und ermöglichen durch die Ausnutzung des hohen Drehzahlniveaus von ca. 100000 U/min "winzige" Generatoren. Die Gesamtleistungsdichte ist dadurch in der Regel sehr hoch. Der Maximalwirkungsgrad ist geringer als bei Dieselmotoren und Vergleichbar mit Ottomotoren. Erweitert man die Gasturbine allerdings um einen Dampfkreisprozess und macht sie dadurch zum mobilen GuD sind SEHR hohe Maximalwirkungsgrade möglich die über dem Dieselmotor liegen, eine parktische Umsetzung des mobilen GuD ist derzeit allerdings nicht bekannt.
Der Range Extender - oder auch APU - des MBL ex-drive besteht aufgrund des hohen Wirkungsgrades aus einem Dieselmotor mit Turbolader, einem Synchrongenerator und einem geregeltem Gleichrichter. Der geregelte Gleichrichter ist eine Eigenentwicklung der Hochschule Landshut und kann an Stelle des Generators auch mit Netzstrom versorgt werden, um die eingangs erwähnten Möglichkeiten der Batterieladung an Steckdose bzw. Stromtankstelle zu ermöglichen.
Technische Daten des Range Extenders
Motor:
Turbodiesel R4 Wassergekühlt
Nenndrehzahl:
3000 U/min
Generator:
3-Phasen Synchronmaschine Luftgekühlt
Gleichrichter:
Eigenentwicklung Dynamische Regelung des Generator-Ladestroms CAN-Bus gestützt Luftgekühlt
Die Transaxle-Getriebe mit Planetendifferential des MBL ex-drive sind eine reine Eigenentwicklung der Hochschule Landshut. Die Getriebe wurden von Studenten konzeptioniert, berechnet, konstruiert, weitgehend selbst gefertigt und montiert.
Das Gesamtkonzept ermöglicht eine sehr hohe Leistungsdichte. Die Planetenstufe wurde wegen der hohen Laufruhe mit einer Schrägverzahnung ausgeführt. Durch das konstant hohe Drehmoment des Motors über einen großen Drehzahlbereich können mit nur einem Gang sowohl gute Beschleunigungswerte als auch hohe Endgeschwindigkeiten erreicht werden. Ein weiterer Vorteil: Bis zur Höchstgeschwindigkeit kann ohne Drehmomentunterbrechung beschleunigt werden. Durch den Entfall einer Kupplung und einer zweiten Planetenstufe wurde zudem die Anzahl an Verschleißteilen reduziert.
In konventionellen Fahrzeugen werden überwiegend Kegelraddifferentiale eingesetzt, in Fahrzeugen mit Standardantrieb nahezu ausschließlich. Im MBL ex-drive arbeiten dagegen Planetendifferetiale. Das Planetendifferenzial zeichnet sich, wie das Planetengetriebe auch, durch extrem kompakte Bauweise aus. Durch die niedrigen Relativdrehzahlen kann das Planetendifferential mit einer Geradverzahnung ausgeführt werden.
Um eine Zulassung für das umgebaute Fahrzeug zu erhalten muss eine formschlüssige Parksperre, die das Einlegen des 1. Ganges ersetzt, vorgesehen sein. Im MBL ex-drive ist das klassische Klinkenrad-Klinke System umgesetzt.
Technische Daten der Getriebe
Typ:
Ein-Gang Planetengetriebe mit integriertem Planetendifferential
CAN-SignalplanEin Signalplanauszug aus dem Hybrid-CAN des MBL ex-driveCAN-SchaltplanEin Schaltplanauszug aus dem Hybrid-CAN des MBL ex-driveDas Bussystem des MBL ex-drive unterteilt sich in Powertrain-CAN und Hybrid-CAN
Das Zusammenspiel der neuen Hybridkomponenten im MBL ex-drive wird durch die VCU gesteuert. Die VCU dient der Regelung von Leistungselektronik, Range Extender, Batterie und Nebenaggregaten sowie zur messtechnischen Erfassung und Aufzeichnung aller dafür notwendigen Zustandsgrößen. Auch die Kommunikation mit den serienmäßigen Steuergeräten im Fahrzeug gehört zu den Aufgaben. Dazu sind komplexe Regelalgorithmen nötig die auf der VCU ausgeführt werden.
Die Fahrzeug-Regelalgorithmen und die Software für das Batteriemanagementsystem werden ausschließlich an der Hochschule Landshut entwickelt, erprobt und optimiert.
Das Basisfahrzeug in transparenter Darstellung - Hervorgehoben ist der ursprüngliche Antriebsstrang, der so im MBL ex-drive nicht mehr existiert
Das BMW Werk Landshut hat für dieses Projekt freundlicherweise das Basisfahrzeug zur Verfügung gestellt. Den Anspruch an ein Premiumfahrzeug erfüllt der X5 3.0si bereits bestens, doch nicht nur dieses Kriterium macht das Fahrzeug als Basis interessant. Der serienmäßige Allradantrieb erleichtert die Arbeit, da bereits geeignete Punkte zur Drehmomentabstützung an der Karosserie oder zur Drehmomenteinleitung an den Rädern vorhanden sind. Außerdem bietet dieses Fahrzeug Platz, nicht nur für Passagiere, sondern für allerlei Elektronik und Messtechnik, was für einen Prototypen nicht irrelevant ist. Das verstellbare Luftfahrwerk lässt sich zudem ideal an die neue Massenverteilung des MBL ex-drive anpassen.
Technische Daten des Basisfahrzeugs
Modell:
BMW X5 3.0si
Antrieb:
Allradantrieb
Motor:
Zylinder/Ventile je Zylinder 6/4 Hubraum 2996 ccm
Getriebe:
6-Gang Automatikgetriebe
Fahrzeugmasse:
Leergewicht EU 2075 kg Zulässiges Gesamtgewicht 2890 kg Zuladung 890 kg Zulässige Achslast vorn/hinten 1245 kg/1735 kg
Leistung:
Nennleistung 200 kW bei 6650 U/min Max. Drehmoment 315 Nm bei 2750 U/min
Höchstgeschwindigkeit:
225 km/h
Beschleunigung 0 - 100 km/h:
8,1 s
Verbrauch:
EU städtisch 13,7 l/100 km EU außerstädtisch 8,2 l/100 km EU insgesamt 10,2 l/100 km
