Presentation laddar. Vänta.

Presentation laddar. Vänta.

Seminarium Drivsystem för energieffektiva tunga on-road och off-road fordon Del 1 Elektromekaniska drivsystem Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum.

Liknande presentationer


En presentation över ämnet: "Seminarium Drivsystem för energieffektiva tunga on-road och off-road fordon Del 1 Elektromekaniska drivsystem Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum."— Presentationens avskrift:

1 Seminarium Drivsystem för energieffektiva tunga on-road och off-road fordon Del 1 Elektromekaniska drivsystem Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum Anders Grauers

2 Innehåll • Varför hybridisera • Krav på drivlinan • Olika elhybridsystem • Krav på hybridsystemet • Egenskaper hos nyckelkomponenter – Elmaskiner – Batterier • Pris för olika elhybridsystem • Olika marknadssegment och deras villkor • Sammanfattning Anders Grauers

3 Varför hybridisera? Hybriddrivlina: • Reducera bränsleförbrukning • … men stor merkostnad! • Prestanda + Funktionalitet (4WD) • Vitt skilda lösningar: mikro-/mild-/fullhybrid Laddhybriddrivlina: • Mycket lik hybriddrivlina • Köra fordonet på el från elnätet  stor skillnad i krav • Bör klara normalkörning utan förbränningsmotor. Anders Grauers

4 Hur kan drivlinan bli effektivare? Bättre arbetspunkt genom högre växlar Avstängd motor vid stillestånd Bromsåtervinning Avstängd motor vid frirullning Stadskörcykel USA (Obs: höga drivlineförluster p.g.a. automatväxel.) Anders Grauers

5 • Minskad motorstorlek genom tillskott från elmotor … eller sämre prestanda ( Mindre motor är ibland mer effektiv p.g.a. högre genomsnittslast) • Återvinna energi i nedförsbackar Anders Grauers Hur kan drivlinan bli effektivare? (fortsättning)

6 Optimal driftpunkt på förbränningsmotorn • Högre utväxling ger hög verkningsgrad men dålig körbarhet • Elmotor kan vara effektreserv (helst använda den sällan) Anders Grauers

7 Krav på drivlinan Anders Grauers

8 Krav på hybriddrivlinan (för personbil) Långvarigt drivkraftsbehov: 1)Toppfart 2)Uppförsbackar 3)Återvinning i nedförsbacke Kortvarigt drivkraftsbehov: 1)Acceleration 2)Bromsåtervinning Anders Grauers 8

9 Anders Grauers kW 85 kW 63 kW Force at constant speed and max uphill gradient Force at constant speed on flat road Force at constant speed and max downhill gradient Max force at normal deceleration Force at hard deceleration -27 kW -36 kW 49kW 85 kW 63 kW Kraftbehov under lång tidKraftbehov under kort tid Required force for constant acceleration km/h in 11 s Hastighet (km/h) Normaliserad dragkraft (N/kg)

10 Olika elhybridsystem Anders Grauers

11 Seriehybrid • Motorn ej mekaniskt kopplad till hjulen – ”elektrisk växellåda” • Motorvarvtal kan väljas fritt, bara rätt effekt kan genereras. • Batteriet kan utjämna effektbehovet Anders Grauers

12 Parallellhybrid • Konventionell drivlina + elmaskin på drivaxeln. • Färre elkomponenter än i seriehybrid, men mekanisk transm. • Högre verkningsgrad än seriehybrid vid förbränningsmotordrift Anders Grauers

13 Krav på hybridsystemet Anders Grauers

14 Krav på effekt • Bromsåtervinning >30 kW (100 kW) • Nedförsbacke30 kW • Avstängd förbränningsmotor vid stillestånd 2 kW • Avstängd förbr.motor vid körning i lågfart 6 kW • Eldrift utan förbränningsmotor – Toppeffekt för normalprestanda80 kW – Max effekt vid mjukkörning (utan backar)30 kW – Konstantfart på motorväg20 kW Anders Grauers För personbil 1500 kg

15 Krav på lagrad energi • Bromsåtervinning  +0.1 kWh ca hälften av (m v^2)/2 (1500 kg * (30 m/s)^2 / 2) • Nedförsbacke  +1 kWh ca hälften av m g h (1500 kg * 9.81 m/s^2 * 500 m) • Avstängd förbränningsmotor vid stillestånd  -0.1 kWh P t (2 kW * 3 min) • Avstängd förbränningsmotor vid körning i lågfart  -0.3 kWh P t (6 kW * 3 min) • Eldrift för laddhybrider  -7.5 kWh 50 km körsträcka på el (0.15 kWh/km.) Vissa behov är oförutsägbara – kräver större energilager Anders Grauers För personbil 1500 kg

16 Egenskaper hos nyckelkomponenter Elektriska maskiner Anders Grauers

17 Typiska data - Elmaskin med kraftelektronik • Vridmomentca 1Nm/kg • Högsta varvtal rpm • Verkningsgrad vid max effektca 85% - 95% • Effekt (dimensioneringsval) ca 1 kW/kg • Pris (kommer troligen sjunka) ca 500 kr/kW Vattenkyld - Inget servicebehov - lång livslängd Anders Grauers, 17

18 Elektriska maskiner • Kan vara både motor och generator • Måste drivas med kraftelektronik (ses som ett delsystem) Anders Grauers, 18

19 Elmaskinverkningsgrad Anders Grauers 19 (asynkronmaskin)

20 Anders Grauers Egenskaper hos nyckelkomponenter Batterier

21 Typiska data - Litiumjonbatterier För komplett batterisystem • Energi30*-100 Wh/kg • Effekt 1-3* kW/kg • Verkningsgrad vid max effektca 90% • Pris kr/kWh • Målpris, högvolym2500 kr/kWh • Antal djupa cykler2000 *)Effektoptimerade batterier (dyrare per kWh / billigare per kW) Känsligt för både för värme och kyla! 10 till 40°C Anders Grauers, 21

22 Batteriverkningsgrad • Förluster proportionella mot strömmen i kvadrat Låg effekt => låga förluster Hög effekt => påtagliga förluster (>10%) Anders Grauers

23 Livslängd i antal battericykler Anders Grauers 23 Livslängd i antal cykler Djup på upp- och urladdningscykel (%) HEV: 10 s acceleration HEV: 1 s tillskott BEV: Antal gånger batteriet körs helt slut Totalt antal laddningar (BEV/PHEV) Litiumjonbatteri (SAFT) Uppskattat antal cykler för en personbil under hela livslängden OBS! Kalendertid och temperatur har också stark påverkan på livslängd!

24 Pris för olika elhybridsystem Anders Grauers

25 Kostnad för drivlinor Anders Grauers, 25 OBS: Extremt förenklad jämförelse

26 Metoder att minska kostnaden. Mindre elmaskinen i parallellhybrid: • Bara ren eldrift vid lågfart  80 kW => 30 kW • Bara låg acceleration då förbr.motorn är av  Sänkt vridmomentskrav på EM Mindre förbr.motorn i serie & parallellhybrider: • Sänkt toppfart • Elmotorn som tillskott vid acceleration. • Elmotorn som stöd i branta backar, tills batteriet är tomt. Anders Grauers

27 Kostnad för drivlinor Anders Grauers, 27 OBS: Extremt förenklad jämförelse

28 Kostnad för olika teknologier för minskad CO2 Gräns för lönsamhet vid mycket långa körsträckor Gräns för lönsamhet vid mycket korta körsträckor

29 Olika marknadssegment och deras villkor Anders Grauers

30 Optimal lösning beror på körcykel • Hybriddrivlina mest intressant för körcykler med – Varierande belastning – Många accelerationer och inbromsningar – Stillestånd – Krypkörning • Verkningsgraden vid jämn belastning kan optimeras utan hybriddrivlina. • Laddhybrid mest intressant för korta körsträckor Anders Grauers, 30

31 Acceptabel kostnad varierar stort Lång körsträcka ökar värdet av låg bränsleförbrukning: • Buss/Lastbil 1’000’000 km • Personbil 200’000 km • Laddhybrid (på förbr.motor) < 100’000 km • Räckviddsförlängare för elbil 20’000 km Det finns inte en lösning som passar alla användningar Anders Grauers, 31

32 Sammanfattning Anders Grauers

33 Sammanfattning • Elhybrider är ännu dyra – Främst mikro- och mildhybrider intressanta. – Premiumbilar kanske kan ha fullhybridlösningar. • Laddhybrider drivs med el från elnätet – Eldrift kan motivera ett dyrt eldrivsystem. – Laddhybrider mindre intressant för arbetsfordon p.g.a. långa körsträckor / lång drifttid per dag. • Batterierna måste förbättras Kostnad / Livslängd / Temperaturkänslighet / … • Priset på elmaskiner med kraftelektronik måste minska Anders Grauers, 33

34 Elmaskin mot hydraulik Elmaskiner • Förluster ökar med kraften. • Låga förluster vid rotation.  Olämplig för stillastående kraftgenerering  Hög verkningsgrad vid hög hastighet Hydraulik • Inga förluster vid statisk kraft. • Förluster ökar med hastighet.  Lämplig för stillastående kraftgenerering  Högst verkningsgrad vid låg hastighet.(?) Anders Grauers, 34 Kompletterande tekniker, utan överlapp(?)

35 Backup Anders Grauers

36 Många olika sätt att spara bränsle (Gäller för personbilar) 36

37 Bakgrund till kostnadsberäkningar • Konventionell drivlina: 100 kW FM  15’000 SEK • Seriehybrid: (lite mindre FM möjlig, 80kW EM motsvarar 100 kW FM) 80 kW FM-s + 80 kW EM + 2 kWh BATT + 80 kW EM  98’000 SEK 30 kW FM-s + 30 kW EM + 2 kWh BATT + 80 kW EM  68’000 SEK Laddhybridversion med 10 kWh BATT  138’000 SEK • Parallellhybrid: 100 kW FM + 80 kW EM + 2 kWh BATT  65’000 SEK 100 kW FM + 30 kW EM + 2 kWh BATT  40’000 SEK Laddhybridversion med 10 kWh BATT  105’000 SEK • Batteri-elbil 100 km körsträcka: 80 kW EM + 20 kWh BATT  140’000 SEK Anders Grauers

38 Kraftelektronik • Kraftelektronik krävs för att driva elmaskinerna. Kan ses som ett gemensamt delsystem. • Styr strömmarna till elmaskinen med transistorer • Kan styra vridmoment hos elmaskinen • Förlusterna är ca 2-3% av överförd effekt. Inkluderas ofta i verkningsgraden för elmaskinen Anders Grauers 38

39 Olika utformning av parallellhybrid Funktionella skillnader: • Kan stänga av förbr.motor under körning (1 och 2). • Kan driva/bromsa under växling (1) • Kan ladda batterier då bilen står still (3) • Kan starta förbr.motor med elmaskinen. (3) Hybrider kan ha två elmaskiner för att kombinera fördelarna. Anders Grauers


Ladda ner ppt "Seminarium Drivsystem för energieffektiva tunga on-road och off-road fordon Del 1 Elektromekaniska drivsystem Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum."

Liknande presentationer


Google-annonser