System Optimierung als Schlüsselfaktor für f r die Effizienzsteigerung im Antriebstrang. Innovationsforum 2010 Dipl.-Ing.

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Maja Schumacher
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1 System Optimierung als Schlüsselfaktor für f r die Effizienzsteigerung im Antriebstrang Innovationsforum 2010 Dipl.-Ing. Ulf Stenzel (FH)

2 Überblick Inhalte 1. Was ist ein System und wo sind die Optimierungspotentiale? 2. Entwicklungsprozess Kunden Anforderungen System Spezifikation Hardware und Software Design Komponenten, System & Fahrzeug Tests 3. Zusammenfassung 2

3 Überblick Inhalte 1. Was ist ein System und wo sind die Optimierungspotentiale? 2. Entwicklungsprozess. Kunden Anforderungen System Spezifikation Hardware und Software Design Komponenten, System & Fahrzeug Tests 3. Zusammenfassung 3

4 System Entwicklung Antriebsstrang Konfiguration Kontrollalgorithmus Verbrennungsmotor Batterie Getriebe E-Motor 4

5 System Entwicklung Erhöhte System Komplexität Erhöhte Komplexität durch Mehr Mechanik Elektrifizierung Mehr Schnittstellen Bauraumbedarf (Packaging) System & Komponenten Regelung Optimierung des Gesamtsystems Lebensdaueranforderungen 5

Schnittstellen Bauraumbedarf (Packaging) System &

6 System Entwicklung Gesamtsystem Optimierung Herausforderungen 6

7 System Entwicklung Antriebsstrang Konfiguration Kontrollalgorithmus Verbrennungsmotor Batterie Getriebe E-Motor 7

8 System Entwicklung Optimale Antriebsstrang Konfiguration Customer Criteria KUNDEN- ANFORDERUNGEN & RAND-BEDINGUNGEN Analyse Kundenanforderungen Projekt Ziele DYNAMIK & KOMFORT TECHNOLOGIE OPTIONEN KOSTEN & LEBENSDAUER ZIEL DEFINITION Motor Variante 1 i Getriebe var. 1 j E-motor var. 1 k Batterie var. 1 l Kontroller var. 1 m KOMBINATIONS- VIELFALT DER KOMPONENTEN Optimale Antriebsstrang-Konfiguration um die Projekt Ziele zu erfüllen OUTPUT 8

LEBENSDAUER ZIEL DEFINITION Motor Variante 1 i Getriebe var. 1 j E-motor var. 1 k Batterie var.

9 System Entwicklung Überblick V-Model Phase 1 Kundenanforderungen Phase 5 Abnahmetests/ Zertifizierung Phase 2 System Design & HW/SW Spezifikation Phase 4 System Integration & Test Phase 3 HW/SW Design, Umsetzung/Codierung Test 9

Phase 2 System Design & HW/SW Spezifikation Phase 4

10 Überblick Inhalte 1. Was ist ein System und wo sind die Optimierungspotentiale? 2. Entwicklungsprozess Kunden Anforderungen System Spezifikation Hardware und Software Design Komponenten, System & Fahrzeug Tests 3. Zusammenfassung 10

11 System Entwicklung Erfassung der Kunden Anforderungen Definition der Projektziele Kunden Anforderungen Randbedingungen Anwendungsfälle (Use Cases) 11

12 System Entwicklung Verteilung der tägl. gefahrenen km in Deutschland 9% 8% 45% aller Fahrzeuge fahren weniger als 30km, was 20% der gesamten Fahrten entspricht 7% 6% >70% aller Fahrzeuge fahren weniger als 50km (50% der gefahrenen Jahresstrecke) 5% 4% 3% Stadtfahrzeug (EV) Stadtfahrzeug (EV) + RE 2% 1% Allzweckfahrzeug 0% Drive Distance [km] 2,50 27,50 52,50 77,50 102,50 127, [km] Quelle: IVT,

Fahrten entspricht 7% 6% >70% aller Fahrzeuge fahren weniger als 50km (50% der gefahrenen

13 System Entwicklung Randbedingungen Benötigter Energiebedarf auf 100 km: ~20 kwh AER = All Electric Range Ersparnis AER reines EV 500 / kwh AER mit RE 250 / kwh RE Kosten RE Kosten Ersparnis Reichweite mit RE Reichweite [km]

500 10.000 AER mit RE 250 / kwh 7.500 5.000 2.500 RE Kosten RE Kosten 5.

14 System Entwicklung AVL E-Mini mit Range Extender (EVARE) Umbau eines konventionellen BMW Mini in ein E-Mini mit Verbrennungsmotor zur Erweiterung der Reichweite Keine Einschränkungen in der Nutzung der Fahrgastzelle Akzeptable HV Batterie Kosten 0 60 km/h in 6s Vmax 130 km/h Rein elektrische Reichweite ca.50km Gesamtreichweite ca.250km Keine Performance Einschränkungen während der Fahrt mit eingeschaltetem Verbrennungsmotor NVH optimierter Verbrennungsmotor 14

HV Batterie Kosten 0 60 km/h in 6s Vmax 130 km/h Rein elektrische Reichweite ca.50km Gesamtreichweite ca.

15 System Entwicklung Erfassung der Kunden Anforderungen Machbarkeitsanalyse System Simulation Packaging Analyse Kostenabschätzung 15

16 System Entwicklung Machbarkeits-Analyse 1.Beispiel - Fahrzeugsimulation Motor Reibung Antriebsstrang Verluste transientes Model des Rollwiderstands Antriebsstrang Dynamik Dynamischer Simulations Mode Fahrereinfluß Elastischer Antriebsstrang Detailliertes Getriebe Modell Verknüpfung zu AVL- DRIVE Kraftstoffverbrauch & Emissionen Fahrleistungen (Performance) Fahrbarkeit & Schaltqualität 16

Rollwiderstands Antriebsstrang Dynamik Dynamischer Simulations Mode Fahrereinfluß Elastischer

17 System Entwicklung Machbarkeits-Analyse 2.Beispiel Packaging Untersuchung Bsp. HV Batterie 17

18 System Entwicklung 2.Beispiel Packaging Untersuchung Gesamtfahrzeug AVL Range Extender Hochvolt Li-Ion Batterie Antriebsmotor 18

19 Überblick Inhalte 1. Was ist ein System und wo sind die Optimierungspotentiale? 2. Entwicklungsprozess Kunden Anforderungen System Spezifikation Hardware und Software Design Komponenten, System & Fahrzeug Tests 3. Zusammenfassung 19

20 System Entwicklung System Design & HW / SW Spezifikation System Spezifikation Detaillierung der Gesamt-System Anforderungen Herleitung aus Projektzielen & spezifischen Use Cases Erstellung der Komponentenanforderungen Technologie spezifische Anforderungen System Architektur Entwicklung & Definition System Funktionsentwicklung Spezifikation der funktionalen Sicherheit Aufbau von funktionalen Prototypen: virtuell & real Test- Spezifikation: Basierend auf Projektzielen & Use Cases 20

spezifische Anforderungen System Architektur Entwicklung & Definition System Funktionsentwicklung Spezifikation der

21 System Entwicklung Simulations Ergebnisse System Spezifikation Leistung / Moment E-Motor Leistung / Energie HV Batterie Leistung Verbrennungsmotor Rekuperation Elektrisches Fahren Intelligente Ladestrategie mit Hilfe des Verbrennungsmotors (Range Extenders) Gangübersetzungen Schaltpunktoptimierung Komponentenelektrifizierung Kennfeldoptimierungen Komponenten- Spezifikationen Hybrid-System Funktionalitäten Optimierungspotentiale Getriebe / Motor 21

22 System Entwicklung Fahrzeug Architektur 22

23 System Entwicklung Komponentenspezifikation HV Batterie Batterie Technologie: Nominale Spannung: Nominale Leistung: Spitzenleistung: Energiegehalt: Sicherheitsanforderungen: Kühlkonzept: Lebensdauer: Gewicht: Li-Ionen 384V 45KW 75KW 11kWh Isolationsmessung, HVIL, Service Schalter Luftkühlung Km 125Kg AVL Cell Control Module (CCM) 24

24 System Entwicklung Komponentenspezifikation Verbrennungsmotor Konzeptstudie 25

25 System Entwicklung Komponentenspezifikation Verbrennungsmotor Motor Typ: Hubraum : Leistung: Kraftstoffverbrauch: Generator Konzept: Steuergerät: Wankel Motor 254 cc rpm 260 g/kwh Permanent erregte Synchron Maschine AVL Rapid Prototyping Steuergerät Elektrische Ausgangsleistung: V (12 kw über 250 V) Schalldruck auf 1m gemittelt: System Dimension (L x H x W): Gewicht Motor Generator Einheit: Modul Gewicht: 65 dba 490 mm x 400 mm x 980 mm 29 kg 65 kg 26

26 System Entwicklung Komponentenspezifikation Verbrennungsmotor Geräuschpgel Innenraum db(a) Geräuschpegel gemessen auf der Beifahrerseite Range Extender 4500 rpm 10kW electr. Range Extender 3000 rpm 4kW electr Fahrzeug Geschwindigkeit- km/h 27

27 System Entwicklung Komponenten Design Phase Software Entwicklung Detaillierungsphase Erstellung von Software System Anforderungen Definition der Software Architektur Programmierung Test Hardware Komponenten Spezifikation Komponenten Spezifikation: Detaillierung der Komponenten Anforderungen Test Spezifikation Komponenten Entwicklung Verifikation & Freigabe für die System Integration 28

28 Überblick Inhalte 1. Was ist ein System und wo sind die Optimierungspotentiale? 2. Entwicklungsprozess Kunden Anforderungen System Spezifikation Hardware und Software Design Komponenten, System & Fahrzeug Tests 3. Zusammenfassung 29

29 System Entwicklung Test Prozess Verwendung von Fahrzeug & Antriebsstrang Modellen Engine Test MiL/SiL ECU Test E-Motor Test Simulation Realer Test Projekt Fortschritt 30

30 System Entwicklung System Integration, Kalibrierung & Test System Integration Aufbau Prototypen Fahrzeug System Kalibrierung Kalibrierung Kraftstoffverbrauch Abgasverhalten Performance & Fahrbarkeit OBD System Test Integration Tests 31

31 System Entwicklung Test Prozess Verwendung von Fahrzeug & Antriebsstrang Modellen Engine Test MiL/SiL ECU Test E-Motor Test Chassis Dyno Simulation Realer Test Projekt Fortschritt 32

32 System Entwicklung Fahrzeugprüfstand 33

33 System Entwicklung Abnahme Tests und Zertifizierung Darstellung der Projektziele Validierung auf dem Rollenprüfstand Bewertung der Regelkonformität: HV Sicherheit EMV Crash Verhalten OBD 34

34 System Entwicklung Test Prozess Verwendung von Fahrzeug & Antriebsstrang Modellen Engine Test MiL/SiL ECU Test E-Motor Test Chassis Dyno Road Simulation Realer Test Projekt Fortschritt 35

35 Überblick Inhalte 1. Was ist ein System und wo sind die Optimierungspotentiale? 2. Entwicklungsprozess Kunden Anforderungen System Spezifikation Hardware und Software Design Komponenten, System & Fahrzeug Tests 3. Zusammenfassung 36

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 37

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