Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum

En presentation över ämnet: "Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum"— Presentationens avskrift:

1 Anders Grauers Svenskt hybridfordonscentrum
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?
Stadskörcykel USA (Obs: höga drivlineförluster p.g.a. automatväxel.) Avstängd motor vid stillestånd Avstängd motor vid frirullning Bromsåtervinning Bättre arbetspunkt genom högre växlar Anders Grauers

5 Hur kan drivlinan bli effektivare? (fortsättning)
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

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: Toppfart Uppförsbackar Återvinning i nedförsbacke Kortvarigt drivkraftsbehov: Acceleration Bromsåtervinning Anders Grauers

9 Normaliserad dragkraft (N/kg) Hastighet (km/h)
Required force for constant acceleration km/h in 11 s 85 kW 120 kW 63 kW 49kW Force at constant speed and max uphill gradient 63 kW 85 kW Force at constant speed on flat road Kraftbehov under kort tid Kraftbehov under lång tid -27 kW Force at constant speed and max downhill gradient -36 kW Max force at normal deceleration Force at hard deceleration Hastighet (km/h) Anders Grauers

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) Nedförsbacke 30 kW
För personbil 1500 kg Bromsåtervinning >30 kW (100 kW) Nedförsbacke kW Avstängd förbränningsmotor vid stillestånd 2 kW Avstängd förbr.motor vid körning i lågfart 6 kW Eldrift utan förbränningsmotor Toppeffekt för normalprestanda 80 kW Max effekt vid mjukkörning (utan backar) 30 kW Konstantfart på motorväg kW Anders Grauers

15 Vissa behov är oförutsägbara – kräver större energilager
Krav på lagrad energi För personbil 1500 kg Bromsåtervinning  kWh ca hälften av (m v^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  kWh km körsträcka på el (0.15 kWh/km.) Vissa behov är oförutsägbara – kräver större energilager Anders Grauers

16 Egenskaper hos nyckelkomponenter Elektriska maskiner
Anders Grauers

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

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

19 Elmaskinverkningsgrad
(asynkronmaskin) Anders Grauers

20 Egenskaper hos nyckelkomponenter Batterier
Anders Grauers

21 Typiska data - Litiumjonbatterier
För komplett batterisystem Energi *-100 Wh/kg Effekt * kW/kg Verkningsgrad vid max effekt ca 90% Pris kr/kWh Målpris, högvolym kr/kWh Antal djupa cykler *)Effektoptimerade batterier (dyrare per kWh / billigare per kW) Känsligt för både för värme och kyla! till 40°C Anders Grauers ,

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

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

24 Pris för olika elhybridsystem
Anders Grauers

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

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

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

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

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 ,

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

35 Backup Anders Grauers

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

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: kW FM + 80 kW EM + 2 kWh BATT  65’000 SEK kW FM + 30 kW EM + 2 kWh BATT  40’000 SEK Laddhybridversion med 10 kWh BATT  105’000 SEK Batteri-elbil 100 km körsträcka: 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

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