Range Extender: Die Technik im Demonstrator-Fahrzeug

Reichweite ohne Reue

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Mit einem Verbrennungsmotor als Range Extender eröffnet sich für den batterieelektrischen Antrieb in Pkws eine erzielbare Reichweite, die dem konventionellen Antriebsstrang nahe kommt. Der Range Extender wird daher zum Türöffner für breitere Serienanwendungen. Mahle untersucht die Antriebstechnik anhand eines selbst entwickelten und aufgebauten Demonstrator- Fahrzeugs.

Der Autor Dr. Marco Warth ist Entwicklungsleiter der Mahle Powertrain Ltd., Northampton (GB)

Als Range Extender dient ein von Mahle entwickelter Hubkolbenmotor mit zwei Zylindern in Reihe und 0,9 l Hubraum. Das nach dem Viertakt-Prinzip arbeitende Aggregat entwickelt eine Leistung von 30 kW. Dies reicht aus, um das Ladeniveau der Batterie selbst bei schneller Autobahnfahrt zu erhalten. Der zweite Hauptbetriebspunkt bei 15 kW Leistung dient zur Aufladung der Batterie. Das Aggregat arbeitet hauptsächlich unter Volllast und treibt direkt einen im Kurbelgehäuse integrierten Generator an, der Strom für die Batterie erzeugt. Zwischen Verbrennungsmotor und Rädern gibt es keine mechanische Verbindung.
Auffälliges Charakteristikum des kleinen Verbrennungsmotors ist der bewusste Verzicht auf kostspielige Technik. Da er in einem überwiegend stationären Zustand betrieben wird, sind Aufladung, variabler Ventiltrieb und mehr als zwei Ventile pro Zylinder nicht erforderlich. Auf eine Ausgleichswelle wird bewusst verzichtet. Die Festlegung auf gegenläufige Zündzeitpunkte bei 0 und 180 Grad Kurbelwelle sowie gezielte Eingriffe in den Generatorbetrieb senken die Dreh-Ungleichförmigkeiten des Zweizylinders signifikant und sorgen für ein gutes NVH-Verhalten. Mit Abmaßen von 481x416x327 mm und einer Masse von weniger als 65 kg inklusive Generator kann der Range Extender zum Beispiel bequem im Motorraum oder in der Reserveradmulde im Fahrzeugheck untergebracht werden. Denkbar sind alle beliebigen Einbaulagen, von 0 (stehend) bis 90 Grad (liegend).
Aufbau und Packaging
Als Basis für das Demonstrator-Fahrzeug mit Elektroantrieb und Range Extender (REEV) hat sich Mahle für ein konventionell angetriebenes B-Segment-Fahrzeug entschieden. Die Hauptgründe dafür lagen einerseits in der Markteinschätzung für Range-Extender-Antriebe und einem typischen Nutzungsprofil, das tägliche Überland- und Autobahnfahrten im Bereich von 50 bis 80 km beinhaltet sowie andererseits im anspruchsvollen Packaging. Dadurch kann die kompakte und flexible Einbaulage des Mahle Range-Extender-Motors zum Tragen kommen.
Durch die Reihenzweizylinder-Bauweise mit integriertem Generator fällt der Range Extender deutlich kleiner aus als der im Basisfahrzeug verbaute 1,2-l-Reihenvierzylinder-Motor. Dank der ebenfalls äußerst kompakten Abmessungen des 55 kW (100 kW Spitze) leistenden Traktionsmotors und des Zweigang-Reduktionsgetriebes konnten bis auf die Hochvoltbatterie alle wesentlichen Antriebskomponenten (inklusive Inverter und Steuergeräte) im Vorderwagen des Fahrzeugs untergebracht werden.
Die unmittelbare Nähe des Verbrennungsmotors zu den elektrischen Antriebskomponenten erfordert im ohnehin engen Bauraum des Vorderwagens die Integration von separaten Kühlkreisen. Einflüsse der beim Verbrennungsmotor üblichen Kühlmitteltemperatur von circa 90 °C auf das deutlich niedrigere Temperaturniveau im Kühlkreislauf der Elektrik (circa 40 °C) müssen dabei über eine Isolation vermieden werden. Die Kühlstrategie des Hauptkühlers richtet sich im Demonstratorfahrzeug nach dem jeweiligen Bedarf der einzelnen Kreisläufe: Sobald in einem Kreislauf zusätzlicher Kühlbedarf entsteht, erhält dieser oberste Priorität und der Ventilator wird zugeschaltet.
Der elektrische Antriebsstrang wurde grundsätzlich so ausgelegt, dass das Demonstratorfahrzeug, mit Ausnahme der Höchstgeschwindigkeit, die Fahrleistungen des Basisfahrzeugs erreicht oder gar übertrifft. Außerdem war es wichtig, aufzuzeigen, dass durch die Antriebskonfiguration keine Abstriche im Ladevolumen nötig sind. Die Hochvoltbatterie mit 14 kWh Speicherinhalt ist ohne Beeinträchtigung des Lade- oder Passagierraums unterflur im Bereich der Reserveradmulde eingebaut. Zusätzlich konnte der im Basisfahrzeug circa 45 l große Kraftstoffbehälter um fast die Hälfte auf 25 l reduziert werden.
Betriebsstrategie
Mahle hat die Betriebsstrategie des Range Extenders auf minimalen Kraftstoffverbrauch im Fahrbetrieb unter Einhaltung der Grenzwerte für Abgas-, Geräusch- und Vibrationsemissionen hin optimiert.
Wie umfangreiche Kaltstartuntersuchungen gezeigt haben, ergeben Teillast-Betriebspunkte bei geringen Drehzahlen für den Range-Extender-Antrieb den besten Kompromiss aus niedrigen Abgasemissionen (circa 30 Prozent der Euro-6-Grenzwerte) und Kraftstoffverbrauch im NEFZ.
Eine verbrauchsoptimale Betriebsstrategie für REEV startet den Range Extender erst beim Erreichen eines unteren Batterieladezustands (zur Maximierung der rein elektrischen Reichweite) und bewegt sich dann nur marginal (zum Beispiel +1 kW) über der momentan erforderlichen Antriebsleistung. Um im realen Fahrbetrieb die Geräuschemissionen quasi im Hintergrundrauschen untergehen zu lassen, sieht eine mögliche Betriebsstrategie vor, den Range Extender nur in Ausnahmefällen (etwa bei tiefstem Batterieladezustand) unter 5 kW Leistungsanforderung oder 45 km/h Fahrzeuggeschwindigkeit zu starten. Im normalen Betriebszustand wird die Leistung proportional der Geschwindigkeit des Fahrzeugs angepasst.
Wirkungsgrad
Die Betriebsstrategie ermöglicht dem Demonstratorfahrzeug neben der rein elektrischen Reichweite von 70 km zusätzlich mehr als 400 km Reichweite bei insgesamt weniger als 45 g CO2/km. Dies bedeutet eine CO2-Reduktion um gut zwei Drittel im Vergleich zu dem bereits guten Ausgangswert des Basisfahrzeugs. Ausschlaggebend ist hier der sehr hohe erreichte Wirkungsgrad des Mahle Antriebs: Bis zu 31 % im Bestpunkt sind ein beachtlicher Wert, insbesondere in Anbetracht der physikalisch bedingten Wirkungsgradnachteile von seriell-hybriden Antriebskonzepten mit zusätzlicher zweifacher Energiewandlung (von mechanisch in elektrisch und elektrisch wieder in mechanisch). Die Wirkungsgrade von modernen konventionellen Antrieben, die bei circa 35 % (Otto) bis 40 % (Diesel) liegen, lassen sich mit einem REEV zwar nicht erreichen, jedoch ist eine erstaunliche Annäherung gelungen. Mahle International, Tel.: 0711 501-12199, E-Mail: ruben.danisch@mahle.com
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