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01.10.2016 | Titelthema | Ausgabe 10/2016

MTZ - Motortechnische Zeitschrift 10/2016

Forschungsprojekt Ecochamps

Zeitschrift:
MTZ - Motortechnische Zeitschrift > Ausgabe 10/2016
Autoren:
Dipl.-Ing. Raphael Hummel, Dipl.-Ing. Leonhard Häußler, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Lutz Eckstein
Die deutlichen Zusatzkosten von Hybridantrieben sind bisher das größte Hindernis für eine breite Marktdurchdringung. Ein internationales Konsortium aus 25 Partnern, bestehend aus Herstellern, Zulieferern und Forschungseinrichtungen, hat es sich zur Aufgabe gemacht, im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojekts Ecochamps dies auf gleich zweierlei Weise zu ändern: Standardisierung und Modularisierung von Hybridkomponenten über Fahrzeugklassen hinweg sollen die Kosten senken. Gleichzeitig soll die Amortisierungsdauer der neuen Antriebe durch höhere Kraftstoffeinsparungen weiter verkürzt werden.

Modularisierung vorantreiben

Ambitioniertes Ziel des Ecochamps-Projekts ist es, effiziente, kompakte, leichte, zuverlässige und vor allem kosteneffiziente Hybridantriebskomponenten und elektrifizierte Nebenverbraucher für Antriebsstränge in Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen zu entwickeln. Quantitativ resultiert dieses Ziel in einem 20 % höheren Antriebsstrangwirkungsgrad, bei einem um 20 % reduzierten Gewicht und Volumen des Hybridantriebsstrangs, wobei die Kosten um nur 10 % im Vergleich zum konventionellen Antriebsstrang steigen dürfen. Synergien über die verschiedenen Fahrzeugsegmente sollen diese teils konträren Ziele ermöglichen. Das Projekt ist im Rahmen der Horizon-2020-Förderung der EU finanziert und startete bereits im Mai 2015. Die Projektlaufzeit endet planmäßig im April 2018.
Die im Ecochamps-Projekt angestrebten Maßnahmen zur Erreichung der Projektziele sind Standardisierung, Modularisierung und Skalierbarkeit. Durch die Beteiligung der Hersteller über verschiedene Fahrzeugklassen ist ein breites Anforderungsfeld definiert, in dem geeignete Synergien identifiziert werden können. Dieser Teil des Projekts gliedert sich in zwei übergeordnete Arbeitspakete, in denen zum einen die Ziele für die unterschiedlichen Fahrzeugklassen definiert und zum anderen die Standardisierung und Modularisierung vorangetrieben werden. Dies mündet in die Entwicklung der Einzelkomponenten, Bild 1.
Weitere fünf Arbeitspakete schließen sich an, in deren Rahmen fünf Demonstratorfahrzeuge vom Pkw (Klassen B und C) über Pritschenwagen, Stadtbus bis hin zur schweren Sattelzugmaschine aufgebaut werden. Für alle fünf Demonstratorfahrzeuge sind vergleichbare Entwicklungsziele angesetzt. Die Steigerung des Antriebsstrangwirkungsgrads von 20 % sowie die Gewichtseinsparung von ebenfalls 20 % beziehen sich auf ein für jedes Arbeitspaket individuell ausgewähltes Referenzfahrzeug, das im Jahr 2013 das beste seiner Klasse darstellte. Die Mehrkosten werden hingegen auf das aktuelle, konventionelle Basisfahrzeug des jeweiligen Ecochamps-Prototypen bezogen. Die Emissionen sollen unter den Grenzwerten von Euro 6b beziehungsweise Euro VI liegen.
Neben diesen technischen Zielen soll sichergestellt werden, dass die Nutzerfreundlichkeit der Fahrzeuge gewährleistet bleibt. Deswegen werden ebenfalls die Endanwenderanforderungen (End User Requirements, EUR) betrachtet, die hauptsächlich auf qualitativer Ebene die Wünsche der Endanwender beschreiben. Hierzu zählen zum Beispiel Komfort, Zuverlässigkeit und geringe Fahrzeugkosten. Weiterhin sind die wichtigsten Leistungskennziffern (Key Performance Indicators, KPI) entscheidend, die die technische Interpretation der EURs für die Fahrzeugentwicklung darstellen. Dazu zählen zum Beispiel die verfügbare Transport- oder Passagierkapazität sowie der Kraftstoff- beziehungsweise Energieverbrauch.
Durch die sehr unterschiedlichen EURs und KPIs der einzelnen Segmente sind, ausgehend von einer gemeinsamen Definition der Zielkategorien, die Ziele für jedes Fahrzeug separat festgelegt und berücksichtigen dabei auch die individuellen Randbedingungen. Beispielsweise kann bei der Entwicklung eines Plug- in-Hybriden aufgrund des hohen Batteriegewichts mit aktueller Zelltechnologie keine Gewichtsreduktion gegenüber einem nicht extern aufladbaren Hybridfahrzeug erreicht werden.
Die Entwicklungen werden mit Hinblick auf die definierten Ziele im Laufe des Projekts durch unabhängige Experten von JRC, Ricardo und dem Fraunhofer IVI überwacht. Am Ende der Projektlaufzeit erfolgt durch sie eine abschließende Evaluierung der Demonstratorfahrzeuge gemeinsam mit den Fahrzeugherstellern.

Modularisierung und Standardisierung

Das zweite Arbeitspaket verfolgt die Standardisierung, Modularisierung und Entwicklung von elektrischen Hybrid-Antriebskomponenten und elektrifizierten Nebenverbrauchern. Ziel ist die Formulierung eines modularen Vorstandards, genannt "Modular System and Standardisation Framework" (MSF). Auf dessen Basis werden elektrische Hybrid-Antriebskomponenten und elektrifizierte Nebenverbraucher entwickelt, die dem Technologie-Reifegrad Level (TRL) 6 oder 7 entsprechen und somit auch für den längerfristigen Einsatz im Prototypendemonstrator geeignet sind. Dabei werden Synergien zwischen den Anforderungen aller das Projekt betreffenden Fahrzeugklassen identifiziert, um in Einklang mit dem MSF Skaleneffekte der volumenstärkeren leichten Fahrzeugklassen so weit wie möglich auch für Nutzfahrzeuge zugänglich zu machen und die daraus resultierenden signifikanten Kosteneinsparpotenziale zu erschließen. Die bei der Integration der entwickelten Komponenten in die Demonstratorfahrzeuge gewonnenen Erfahrungen fließen in die Standardisierung zurück, sodass darauf basierend aktualisierte Empfehlungen für die weitere Standardisierung abgeleitet werden können.
Das MSF soll Standards für elektrische Antriebskomponenten und elektrifizierte Nebenverbraucher für Nutzfahrzeuge empfehlen. Dabei werden bereits bestehende Standards aus dem Automotive Bereich auf Komponentenebene berücksichtigt und soweit möglich als Grundlage verwendet. Der Standardisierungsvorschlag setzt dabei nicht auf eine Standardisierung der Komponenten als Ganzes, sondern beinhaltet je Komponente Anforderungen wie Spannungsniveaus, mechanische sowie elektrische oder Kommunikationsschnittstellen.
Der Einsatz des MSF ergibt eine Reihe von Vorteilen:
  • Planungssicherheit für Zulieferer
  • Unterstützung des kommerziellen Wettbewerbs und Skalierbarkeit
  • Verkürzung von Entwicklungs- und Zulassungszyklen
  • mittelfristig signifikante Kostenreduktionen für elektrische Antriebskomponenten und damit für Hybridfahrzeuge.
Das Ecochamps-Konsortium beabsichtigt, das MSF im Rahmen des European Council of Automotive R&D (EUCAR) zu veröffentlichen. Des Weiteren ist eine Weitergabe des MSF als Vorschlag an nationale Standardisierungskomitees geplant.
Bei der Ausarbeitung des Standardisierungsvorschlags wurden Schlüsselanforderungen der einzelnen Komponenten sowie auf komponentenübergreifender Systemebene identifiziert und in Workshops mit den Fahrzeug- und Komponentenherstellern diskutiert und ausgearbeitet. Zum jetzigen Stand wurden unter anderem Einigungen über Systemspannungen, elektrische, mechanische und Kommunikationsschnittstellen, Lebensdaueranforderungen sowie die Leistungsklassen verschiedener Komponenten erzielt.
In der verbleibenden Projektlaufzeit werden weitere Kenngrößen erarbeitet. Erkenntnisse aus der Komponentenentwicklung und -integration im Rahmen des Aufbaus der Ecochamps-Demonstratorfahrzeuge werden fortlaufend in die Entwicklung des MSFs integriert.

CRF-Demonstrator – B-Segment

Der Demonstrator im B-Segment wird unter der Leitung von CRF, der zentralen Forschungseinrichtung des Fiat-Chrysler-Automobiles-Konzerns, entwickelt. Er basiert auf einem Fiat 500X und ist als Plug-in-Hybrid mit einer elektrischen Reichweite von 25 km konzipiert. Das Fahrzeug verfügt über einen parallelen Hybridantriebsstrang, der eine Kombination der Strukturvarianten P1f und P4 darstellt. Dabei ist eine elektrische Maschine über einen innovativen Riementrieb (Front End Auxiliary Drive, FEAD) mit der Kurbelwelle eines kleinen Verbrennungsmotors verbunden, der die Vorderachse antreibt (P1f). Zusätzlich treibt eine zuschaltbare zweite elektrische Maschine über eine feste Übersetzungsstufe die Hinterachse an (P4). Diese bislang lediglich für größere Fahrzeugklassen übliche Strukturkombination wird im Rahmen des Ecochamps-Projekts erstmalig in einem Fahrzeug aus dem B-Segment eingesetzt. Bild 2 zeigt die Topologie des Antriebsstrangs. Die im Projekt entwickelte Hybridarchitektur ist modular aufgebaut und lässt sich auf kleinere A- oder größere C/D-Segment Fahrzeuge bis 3,5 t übertragen.
Die Leistungselektronik, die elektrische Maschine sowie die Traktionsbatterie sind Komponenten, die im Zuge der Standardisierung und Modularisierung im Ecochamps-Projekt entwickelt werden. Die Traktionsbatterie des Demonstratorfahrzeugs setzt auf Li-Ionen-Zellen und ermöglicht eine rein elektrische Reichweite von über 25 km. Dies wie auch die Antriebsstrangstruktur sind für diese Fahrzeugklasse unübliche Features. Die Flüssigkühlung des Batteriesystems wird von einem übergeordneten Thermomanagement koordiniert, das zusätzlich die thermische Konditionierung der übrigen Hybridkomponenten sowie des Gesamtfahrzeugs übernimmt.

Renault-Demonstrator – C-Segment

Für den C-Segment Demonstrator in Ecochamps wird Renault zusammen mit den Partnern Ricardo und Daimler einen 48-V-Hybrid auf Basis eines Renault Megane aufbauen, Bild 3. Ziel dieses Versuchsträgers ist es, eine vergleichbare Kraftstoffeinsparung im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Hochvoltsystem durch 48-V-Komponenten bei halbierten Kosten zu demonstrieren. Um den Antriebsstrangwirkungsgrad signifikant zu steigern, werden das Downsizing des Verbrennungsmotors mit Turboaufladung und reduzierter Reibung mit einem hocheffizienten elektrischen Antriebssystem kombiniert sowie durch den Einsatz eines Doppelkupplungsgetriebes die Getriebeverluste reduziert.
Die elektrische Maschine ist im Doppelkupplungsgetriebe mit dem Teilgetriebe der geraden Gänge (2, 4, 6 und Rückwärtsgang) verbunden. Dadurch ist sowohl rein elektrisches manövrieren, als auch elektrisch unterstütztes Segeln bei höheren Geschwindigkeiten möglich. Ein intelligentes Energiemanagement ermöglicht eine für Elektro- und Verbrennungsmotor unabhängig optimierte Gangwahl sowie schnelle und effiziente Wiederstarts des Verbrennungsmotors über die Reibkupplungen. Damit sind häufige, kurzzeitige Wechsel zwischen hybridem und rein elektrischem Betriebsmodus möglich, sodass beide Maschinen stets im bestmöglichen Bereich betrieben werden können.
Die Leistungsfähigkeit eines 48-V- Hybridsystems limitiert in der Regel die potenziellen Kraftstoffeinsparungen. Derzeit ist die Leistung der elektrischen Maschine auf etwa 15 kW begrenzt. Im Rahmen von Ecochamps sollen in einer Studie die Möglichkeiten einer Leistungssteigerung der 48-V-Antriebskomponenten ausgelotet werden. Ziel ist es, die Leistung der elektrischen Maschine auf 25 kW zu steigern, um hierdurch kurzzeitige Leistungsspitzen rein elektrisch bedienen zu können und die Betriebsdauer des Verbrennungsmotors weiter zu reduzieren.

Iveco-Demonstrator – Leichtes Nutzfahrzeug

Als leichtes Nutzfahrzeug rüstet der Nutzfahrzeughersteller Iveco im Rahmen des Ecochamps-Projekts einen Pritschenwagen vom Typ Daily mit einem parallel-hybriden Antriebsstrang aus. Das Ziel ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 20 % und die Reduzierung der Emissionen unter die Euro-VI-Grenzwerte. Gleichzeitig wird die Batterie eine rein elektrische Reichweite von 20 km ermöglichen. Bild 4 zeigt den Antriebsstrang des Hybrid-Demonstrators. Ein Getriebe bindet die hochdrehende elektrische Maschine an die nach hinten führende Kardanwelle an. Zusätzlich kann die elektrische Maschine über eine Kupplung vom Antrieb getrennt werden. Damit ist der Fahrer in der Lage, den Betriebsmodus des Fahrzeugs manuell zwischen rein elektrischem, hybrid-elektrischem und rein verbrennungsmotorischem Betrieb umzuschalten.
Ein flexibles Ladesystem bietet die Möglichkeit, die Hochvoltbatterie mit 400-V-Gleichspannung oder über einen herkömmlichen 230-V-Wechselspannungsanschluss zu laden. Das Batteriesystem selbst ist modular ausgelegt und ermöglicht dem Kunden, die elektrische Reichweite entsprechend seinen individuellen Einsatzprofilen und Anforderungen anzupassen, die beispielsweise aus Null-Emissions-Zonen resultieren.

MAN-Demonstrator – Stadtbus

Als zweites Nutzfahrzeug im Ecochamps- Projekt wird unter der Leitung von MAN ein serieller Hybridbus aufgebaut. Der zum Einsatz kommende Antriebsstrang basiert auf einem neuentwickelten elektrischen Antriebskonzept. Dafür werden sowohl die Haupt-Systemkomponenten, als auch die Grundstruktur des Busses, etwa das Chassis, modularisiert. Ziel der Modularisierung ist es, einen elektrischen Basis-Bus zu entwickeln, der leicht an Kundenwünsche hinsichtlich des einzusetzenden Kraftstoffs, sowie aus dem angestrebten Einsatzzweck resultierende Anforderungen angepasst werden kann. Die modulare Topologie des Antriebssystems ist in Bild 5 dargestellt.
Der rein elektrische Basisantrieb kann durch unterschiedliche Kraftstoffwandler wie Verbrennungsmotor-Generator-Kombinationen oder Brennstoffzellen sowie zusätzliche Batteriesysteme und unterschiedliche Ladesysteme erweitert werden. Der Projektpartner AVL liefert dazu ein modulares Energiemanagement, das auf den Einsatz der verschiedenen Antriebsmodule ausgelegt ist. Im Ecochamps-Projekt wird exemplarisch eine Variante mit Dieselmotor und Generator aufgebaut, die hinsichtlich Kraftstoffeffizienz mit dem aktuellen Serienmodell "MAN Lion's City Hybrid"-Bus als Referenzfahrzeug verglichen wird.
Ein zweites Ziel des Teilprojekts ist es, den Einsatz elektrischer Komponenten aus der Pkw-Produktion in Hybridbussen zu untersuchen, um deutliche Kosteneinsparungen zu erzielen. Im Demonstratorfahrzeug kommen daher Antriebskomponenten und Batteriesysteme zum Einsatz, die ursprünglich für die Anwendung in Pkw entwickelt wurden. Für die Integration im Bus werden diese angepasst und ihre Eignung anschließend im Betrieb auf Innenstadtzyklen, die den Personenbeförderungsbetrieb simulieren, evaluiert.

DAF-Demonstrator – Schwere Sattelzugmaschine

Das fünfte Demonstratorfahrzeug ist eine schwere Sattelzugmaschine des Herstellers DAF, die im Rahmen des Ecochamps-Projekts mit einem parallelen Hybridantriebsstrang ausgestattet wird. Die Topologie des Antriebs ist in Bild 6 dargestellt.
Das Konzept des Antriebsstrangs zielt auf eine Steigerung der Kosteneffizienz bei gleichzeitig weiterer Verringerung des CO 2-Ausstoßes im Vergleich zu bisherigen Hybrid-Truck-Konzepten. Hierzu wird ein ganzheitlicher und modularer Ansatz verfolgt, um den Einsatz eines elektrischen Waste-Heat-Recovery(eWHR)-Systems auf effiziente Weise mit einem hybrid-elektrischen Antriebsstrang zu kombinieren. Das eWHR-System der Firma Bosch besteht im Wesentlichen aus einem Rankine-Kreisprozess. Dabei sollen Synergieeffekte aus dem eWHR-System mit dem hybrid-elektrischen Antriebsstrang genutzt werden, um eine gesteigerte kombinierte Kraftstoffverbrauchsreduktion zu erreichen.
Beide Systeme sind über das gemeinsame Hochvoltsystem an den dazugehörigen Batteriespeicher angeschlossen. In Kombination mit dem Hybridsystem ergibt sich die Möglichkeit, die durch das eWHR-System aus dem Abgas zurückgewonnene und gewandelte Wärmeenergie dem Antrieb direkt über den elektromechanischen Wandler zur Verfügung zu stellen, zum Betrieb der Nebenverbraucher zu verwenden oder in der Hochvoltbatterie zu speichern. In letzterem Fall kann diese dann zu einem späteren Zeitpunkt zum Antrieb eingesetzt werden. Wie bei den anderen Ecochamps-Versuchsträgern werden für den Hybridtruck Komponenten aus dem stückzahlstärkeren Pkw-Segment eingesetzt, um die gesetzten Kostenziele durch Skaleneffekte zu erreichen. Hieraus ergibt sich auch das für das Nutzfahrzeugsegment unübliche, niedrigere Spannungsniveau von 400 V, das für das Demonstratorfahrzeug gewählt wurde.
Das Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen (ika) wird das Energiemanagement für den Hybridtruck entwickeln. Hierbei setzt man auf einen generischen, modularen Ansatz, der in der Lage ist, verschiedene Antriebsstrangtopologien unterschiedlicher Dimensionierung zu steuern und dessen Einsatz im Ecochamps-Hybridtruck erstmalig demonstriert wird. Das generische Energiemanagement kann dabei von Vorausschauinformationen, aber auch von historischen Daten profitieren. Am ika beschäftigt man sich daher zusätzlich intensiv mit der Vernetzung des Energiemanagements mit der Infrastruktur (Cloud), um zum einen die Güte und Aktualität der Vorausschauinformationen zu verbessern und gleichzeitig durch die Anbindung mehrerer Fahrzeuge einen Wissenstransfer untereinander zu ermöglichen. Es bietet sich zudem die Möglichkeit, eine geeignete Datenbank Energiemanagement relevanter Größen zu erstellen und "Big Data"-Ansätze darauf anzuwenden.

Zusammenfassung und Ausblick

Das Projektkonsortium hat sich in Ecochamps höchst anspruchsvolle Ziele gesetzt und wird insbesondere durch das breit aufgestellte Konsortium einen wichtigen Beitrag zur Standardisierung und Modularisierung von Hybridkomponenten und elektrifizierten Nebenverbrauchern leisten. Gerade die Standardisierung bietet ein großes Potenzial zur Kostenreduktion und könnte damit zu einem entscheidenden Schritt in Richtung Marktdurchdringung von Hybridfahrzeugen führen. Gerade das Nutzfahrzeugsegment könnte massiv durch die Skaleneffekte profitieren.

Danke

Der Dank der Autoren gilt insbesondere den Projektpartnern DAF, Ricardo, Fraunhofer IVI, Daimler, Uniresearch, Iveco, Renault, CRF und MAN, die wesentliche Ergebnisse für diesen Artikel beigesteuert haben. Ferner danken sie allen Projektpartnern für die hervorragende Zusammenarbeit im Rahmen von Ecochamps. Die Forschungsaktivitäten, die zu diesen Ergebnissen führen, erhalten Fördermittel aus dem Horizon 2020-Förderprogramm, Grant Agreement Nr. 653468 (Ecochamps) der Europäischen Union.

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