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Umweltverträgliche Hybridfahrzeuge im kommerziellen Einsatz

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Göteborg in Schweden erprobt

1 . Im

Rahmen einer dreijährigen Erprobungszeit wird das Unternehmen zwei Lastkraftwagen im regelmäßigen Auslieferungsdienst einsetzen und täglich Güter in der Innenstadt und in den Vororten transportieren. Die Erprobung hat bereits begonnen, und Kraftstoffverbrauch, Emission und Geräuschpegel werden registriert. Auch andere Faktoren werden untersucht und bewertet, wie etwa die Akzeptanz der neuen Technik durch die Fahrer, Fahrverhalten auf der Straße und Verhalten der Fahrzeuge in alltäglichen Verkehrssitua-

Hybride Antriebsstränge – eine Kombination aus Elektromotor und Ver-

tionen (z. B. Beschleunigungsvermögen im

brennungsmotor – senken die vom Straßenverkehr verursachten Umwelt-

Elektrobetrieb), Wartungsbedarf sowie ande-

belastungen, weil sie die Fahrzeugemissionen reduzieren. ABB hat in die-

re praktische Details.

sem Bereich umfassende Erfahrungen gesammelt und evaluiert diese Technik z. Zt. in Zusammenarbeit mit Volvo im Rahmen einer dreijährigen Er-

Zielsetzungen des neuen Konzeptes

probung mit zwei mit Hybridtriebwerk ausgerüsteten Lastkraftwagen, die

Der Vorteil von Hybridfahrzeugen liegt darin,

im normalen kommerziellen Betrieb in Göteborg, Schweden, eingesetzt

daß sie durch Umschalten auf Elektrobetrieb

werden. Mit Hilfe von Simulationen wurde nachgewiesen, daß beim Last-

2 in sensiblen Gebieten emissionsfrei ge-

kraftwagen mit Hybridtechnik der Kraftstoffverbrauch niedriger ist und die

fahren werden können, wobei dann die An-

Emissionen sogar wesentlich niedriger sind als bei herkömmlichen Fahr-

triebskraft nur von den Batterien geliefert

zeugen. Ferner können Hybrid-Lkw in Bereichen, die in bezug auf Umwelt-

wird. Die Bedienung der Fahrzeuge ist ein-

verschmutzung besonders sensibel sind, völlig emissionsfrei betrieben wer-

fach, besondere Fertigkeiten sind nicht erfor-

den.

derlich. Eine kurze Einführung dürfte ausreichen, um sicherzustellen, daß die techni-

A

schen Möglichkeiten des Fahrzeuges effizient BB begann Ende der achtziger Jahre

damit, kleine, hochtourige Triebwerke und

um den Geräuschpegel zu senken und den Schadstoffausstoß zu unterbinden.

genutzt werden. Bei dem für die beiden Lastkraftwagen

deren möglichen Einsatz in Hybridantrieben

Der erste praktische Einsatzfall des hybri-

gewählten Konzept arbeitet ein Dieselmotor

zu erforschen. Solche Antriebssysteme

den Antriebsstranges wurde im Jahr 1992

auf zwei permanenterregte Generatoren,

könnten dazu beitragen, die CO2-Emissionen

vorgeführt, als ABB und Volvo gemeinsam

während die Räder über ein Untersetzungs-

zu senken, die hauptsächlich von Straßen-

ein speziell gebautes Fahrzeug mit der Be-

getriebe, eine Antriebswelle und ein Differen-

fahrzeugen verursacht werden und wesent-

zeichnung «Environmental Concept Car»

tial von zwei Induktionsmotoren angetrieben

lich zum Treibhauseffekt beitragen. Der hybri-

oder kurz «ECC» entwickelten [1]. Dieses

werden. ABB liefert den kompletten elektri-

de Antriebsstrang – eine Kombination aus

Fahrzeug war mit einer Gasturbine und einem

schen Antriebsstrang, einschließlich der Ein-

Elektromotor und Verbrennungsmotor – soll

direkt angetriebenen schnellaufenden Gene-

richtungen für die Überwachung und Rege-

primär die Schadstoffemissionen reduzieren,

rator ausgerüstet. Das gleiche Konzept

lung.

macht es aber auch möglich, Fahrzeuge in

wurde auch als Grundlage für zwei andere

besonders sensiblen Bereichen gänzlich

Projekte eingesetzt: einen Lastkraftwagen für

Die während des dreijährigen

emissionsfrei zu betreiben. Auf diese Weise

den Auslieferungsdienst sowie einen Bus [2].

Probebetriebs eingesetzten

wird das Fahrzeug auch in der Lage sein, den

Das dritte Konzept für ein Hybridfahrzeug

Emissionsgrenzwert Null zu erreichen, der in

wurde kürzlich eingeführt und wird zur Zeit

Die Basis für das Hybridfahrzeug bietet ein

absehbarer Zeit in bestimmten Stadtgebieten

vom Transportunternehmen TGM AB in

serienmäßiger Lastkraftwagen (Lkw) der

eingeführt werden dürfte.

Hybridfahrzeuge

Marke Volvo FL6, wobei die elektrische Aus-

Hybridfahrzeuge sind vorwiegend für den

rüstung hauptsächlich entlang den Seiten

Transport in Gebieten bestimmt, wo Abgase

des Lkw angeordnet ist 3 . Das zusätzliche

oder Motorgeräusche besonders störend

Gewicht des Hybridlastkraftwagens im Ver-

sind. Bei der Durchfahrt durch solche Ge-

Niclas P. Berg

gleich zu einem herkömmlichen Fahrzeug be-

biete braucht der Fahrer eines Hybridfahr-

ABB Hybrid Systems AB

trägt ungefähr drei Tonnen. Da die Lkw meh-

zeugs lediglich auf Elektrobetrieb zu schalten,

40

ABB Technik 3/1998

rere Jahre lang im kommerziellen Betrieb ar-

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beiten, kommen soweit wie möglich bewährte Bauteile und Techniken zum Einsatz. Für die Entwicklung und Bewertung von Hybridfahrzeugen ist es wichtig, für die verschiedenen Komponenten Daten zu sammeln, die beim Betrieb unter alltäglichen, realistischen Bedingungen anfallen. Diese Daten sollen mit dem jetzt begonnenen dreijährigen Probebetrieb gewonnen werden. Als Projektziel ist vorgesehen, jedes Fahrzeug eine durchschnittliche Strecke von rund 150 km pro Tag zu fahren, was einer typischen Auslieferungsfahrt in der Innenstadt entspricht. Von dieser Strecke können insgesamt 30 km ausschließlich im Elektrobetrieb gefahren werden. Aus Tabelle 1 sind die wesentlichen Fahrzeugdaten ersichtlich. Antriebsstrang Beim Volvo FL6 Hybrid handelt es sich um ein serienmäßiges Hybridfahrzeug mit dem in 4 gezeigten Antriebssystem. Ein Hilfsstromaggregat, bestehend aus Dieselmotor und zwei Dauermagnetgeneratoren mit Gleichrichtern, speist die Energie in eine Gleichstrom-Zwischensammelschiene ein. Die zwei Batteriereihen sind über zwei Gleichspannungswandler an die Gleichstromschiene angeschlossen. Als Batterien werden NickelCadmium (NiCd)-Batterien verwendet. Sie speisen auch das Hilfsstromsystem, das aus Ladegeräten für die 12-V- und 24-V-Batterien sowie einem Gleichstrommotor besteht. Dieser treibt einen Bremskompressor und die Servopumpe für die Lenkung an. Der Lkw wird von zwei Induktionsmotoren angetrieben. Die beiden Energiequellen (d. h. Diesel-

Einer der zwei Lastkraftwagen, die mit einem Hybridantrieb ausgestattet sind und jetzt an einer dreijährigen Erprobung in der Innenstadt von Göteborg in Schweden teilnehmen, wo sie zur Auslieferung von Waren eingesetzt werden.

1

motor und Batterien) können auf verschiedene Weise kombiniert werden. Der Antriebsstrang kann entweder im Elektro- oder im Hybridbetrieb betrieben werden. Im Elektrobetrieb wird die Energie von den Batterien

Tabelle 1: Hauptdaten der Fahrzeuge

geliefert; in diesem Fall werden Reichweite und Fahrverhalten des Fahrzeugs von der Kapazität der Batterien begrenzt. Die Batterien werden während des Bremsens wieder aufgeladen, weil die Elektromotoren als Generatoren arbeiten. Im Hybridbetrieb wird der mittlere Energiebedarf vom Hilfsstromaggregat gedeckt, und die überschüssige Energie

Höchstgeschwindigkeit Reichweite im Elektrobetrieb Gesamtgewicht, Fahrgestell Zusätzliches Gewicht für Hybridfahrzeug Nutzlast Steigungsvermögen (bei Vollast) Fahrzeuglänge Fahrzeughöhe

90 km/h 15–30 km 8 300 kg 3 400 kg 4 600 kg 16 % 8,6 m 3,3 m

wird zum Laden der Batterien verwendet. In

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auf je einer Seite montiert. Die Leistungselektronik für das Hilfsstromsystem, die Gleichspannungswandler, das Fahrzeugmanagementgerät und andere elektrische Einrichtungen sind in einem Spezialkasten hinter der Hinterachse angeordnet. Regelung Im Elektrobetrieb wird die gesamte Leistung den Batterien entnommen. Die Gleichspannungswandler halten die Spannung auf der Gleichstromsammelschiene konstant auf 600 V. Im Hybridbetrieb wird die Antriebsleistung vom Hilfsstromaggregat und im Bedarfsfall von den Batterien geliefert. Für den Leistungsfluß gilt folgende Formel: Peds = Pgen + ηdcdc (Pbat – Paux) Peds

(1)

Gesamte Energie, die dem elektrischen Antriebssystem zugeführt wird

Pgen

Vom

Hilfsstromaggregat

erzeugte

Energie

ηdcdc Wirkungsgrad des Gleichspannungswandlers 2

Bedienelemente in der Fahrerkabine Zeiten

hohen

Energieverbrauchs

Pbat

Batterieleistung

Paux

Hilfsleistung

(z. B.

mente im Armaturenbrett in der Fahrerkabine

Im Hybridbetrieb wird die Spannung auf der

während des Beschleunigungsvorganges)

und ist auch an die Regeleinrichtung des Die-

Gleichstromsammelschiene so geregelt, daß

versorgen die Batterien die Elektromotoren

selmotors angeschlossen. Das Batteriema-

sie stets zwischen 400 und 650 V liegt, je

zusätzlich mit Energie. Die Regelung des Die-

nagementsystem überwacht den Zustand

nach der den Generatoren entnommenen

selmotors erfolgt nach dem Gesamtlei-

der Batterien und kommuniziert auch mit

Leistung, deren Drehzahl und Temperatur.

stungsbedarf des Fahrzeuges. In Tabelle 2

dem Fahrzeugmanagementgerät.

sind die technischen Daten des Antriebs-

Um die Geräuschemission beim Bremsen

Der Dieselmotor ist wie in einem normalen

des Fahrzeugs an Fußgängerüberwegen

stranges für den Volvo FL6 Hybrid zusam-

Lastkraftwagen angeordnet. Alle zusätzlichen

oder Verkehrsampeln zu begrenzen, reduziert

mengefaßt.

Einrichtungen liegen hinter der Fahrerkabine

das Fahrzeugmanagementgerät bei Ge-

unterhalb des Laderaumes 3 .

schwindigkeiten unter 7 km/h die Drehzahl

Das Fahrzeugmanagementgerät des Lkw ist hauptsächlich für die Regelung des An-

Die Elektromotoren und Generatoren sind

des Dieselmotors und die Generatorleistung,

triebsstranges verantwortlich; es beeinflußt

in einem Rahmen im Mittelteil des Lkw unter-

wenn das Fahrpedal nicht betätigt ist. Das

die Teilsysteme entsprechend den Befehlen

gebracht. Die Wechselrichter liegen rechts im

Fahrzeugmanagementgerät begrenzt die

des Fahrers. Ein Rechner steuert die Instru-

Fahrzeug, und die zwei Batterieeinheiten sind

dem Hilfsstromaggregat entnommene Leistung auf den Bereich von 0–110 kW. Eine Batterieunterspannung wird vermie-

Tabelle 2: Technische Daten des Hybridantriebsstranges Gesamtleistung Elektromotor Batterienennspannung Batterienennleistung Gesamtleistung Generator Max. Leistung Dieselmotor

130 kW dauernd, 370 kW Spitze 2 Reihen bei 216 V 100 Ah/Reihe, insgesamt 43 kWh 110 kW 154 kW bei 2 400 min–1

den, indem die Leistungsabgabe des elektrischen Antriebssystems begrenzt wird. Eine Batterieüberspannung, die die Batterie beschädigen könnte, wird vermieden, indem die maximale Leistung des Hilfsstromaggregats und die vom elektrischen Antriebssystem zurückgespeiste Energie reduziert werden. Das System sorgt automatisch dafür, daß

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2 4

3

5 2

4

3

5 1

6

8

9

10 12

7

15

11

13

10

14

Lage der verschiedenen Komponenten im Antriebsstrang und im Fahrwerk des Hybridfahrzeuges 1 2 3 4 5 6

Ölpumpen Gleichrichter Generatoren Motoren Kraftübertragung 24-V-Batterie

7 8 9 10 11

Dieselmotor Dieseltank Wechselrichter Batterien Hilfsstromaggregat

12 13 14 15

3

Hochspannungskasten mit Gleichspannungswandlern Kühlsysteme 12-V-Batterie Batteriemanagementsystem

der Leistungsbedarf des Elektromotors

Antriebswelle und ein Differential auf die

Batteriesystem

(hauptsächlich während der Beschleuni-

Hinterachse. Die Dauerleistung der Elektro-

Die eingebauten NiCd-Batterien wiegen

gung) Vorrang vor dem Laden der Batterie

motoren beträgt insgesamt 130 kW. Die

940 kg und haben eine Energiespeicher-

hat. Auf diese Weise kann der Fahrer die

Motoren können kurzzeitig 370 kW auf-

kapazität von insgesamt 43 kWh. Eine Was-

Fahrzeugantriebssysteme voll ausnutzen,

bringen, sind jedoch in dieser Anwendung

serkühlung sorgt stets für eine effiziente

wenn dies die Verkehrssituation erfordert

durch die verfügbare Gesamtleistung von

Betriebstemperatur. Die Batterien sind auf

bzw. erlaubt.

rund 250 kW beschränkt.

zwei Reihen mit einer Nennspannung von

Nutzbremsung, d. h. Bremsen durch die

5 zeigt die gemessenen Höchstwerte für

216 V pro Reihe aufgeteilt. Die Gleichspan-

Elektromotoren, die dann als Generatoren

Drehmoment und Ausgangsleistung eines

nungswandler, die die Batterien mit der

arbeiten, wird ebenfalls eingesetzt, um einen

der Elektromotoren, wenn dieser mit dem

Gleichstrom-Zwischensammelschiene ver-

möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch zu

Untersetzungsgetriebe gekoppelt ist und von

binden, steuern die Spannung der Gleich-

gewährleisten.

seinem Stromrichter gespeist wird. Der dabei

stromschiene unabhängig von der tatsäch-

gemessene Wirkungsgrad ist in 6 dar-

lichen Batteriespannung. Dadurch wird ein

gestellt. In den meisten Bereichen des Fahr-

optimaler Arbeitspunkt in bezug auf das Hilfs-

Elektrischer Antrieb

betriebes wird ein Wirkungsgrad über 92 %

stromaggregat erzielt, so daß der Diesel-

Als Antrieb ist der Lkw mit zwei wasser-

erreicht. Der Wirkungsgrad des Stromrichters

motor mit Drehzahlen betrieben werden

gekühlten Induktionsmotoren mit Wechsel-

liegt konstant bei rund 97 %, außer bei nied-

kann, die niedrige Emissionen und einen ma-

richtern ausgerüstet. Die Elektromotoren ar-

riger Motordrehzahl und niedrigem Dreh-

ximalen Wirkungsgrad, d. h. geringeren Kraft-

beiten über ein Untersetzungsgetriebe, eine

moment.

stoffverbrauch, sicherstellen.

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Kabine

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Instrumentenrechner

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Fahrpedal

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Zündschlüssel Fahrbetrieb Bremse Nothalt FahrzeugEingangssignale

Fahrzeugmanagementgerät

Intelligent. Ladegerät G1

Gleichrichter

Verbrennungsmotor

400 V / 50 Hz

Wechselrichter 1

IM 1

Wechselrichter 2

IM 2

DC Bus

G2

Gleichrichter

Gleichstromwandler 2

Gleichstromwandler 1

Außenstromaggregat

Elektrisches Antriebssystem

Hilfsstromsystem B2

B1 Batteriemanagementsystem

Blockschaltbild des in einem Hybrid-Lkw mit Dieselmotor verwendeten elektrischen Antriebssystems B1, 2 G1, 2

Batterien 1 und 2 Generatoren 1 und 2

Das Batteriemanagementsystem berechnet und überträgt die Batteriegrenz- und

IM1, 2

4

Induktionsmotoren 1 und 2

beitsweise des Batteriemanagementsystems

Hilfsstromaggregat

ist in 7 dargestellt.

Das Hilfsstromaggregat ist über die

Sollwerte zum Fahrzeugmanagementgerät.

Die Fahrzeugbatterien werden vom Netz

Über das Batteriemanagementsystem sucht

über ein Ladegerät geladen, das unter dem

Gleichrichter der Generatoren mit der Gleichstromsammelschiene

das Fahrzeug die optimalen Betriebsbedin-

Namen Smartcharger bekannt ist. Es handelt

Der Wirkungsgrad des Dieselmotors ist

gungen, die eine zu rasche Alterung der Bat-

sich hierbei grundsätzlich um ein Bordlade-

hoch, und die Kraftstoffkosten sind im Ver-

terien verhindern. Das System überwacht fer-

gerät, jedoch mit dem Unterschied, daß sich

gleich zu Fahrzeugen mit Benzinmotor

ner die Batterieladung. Ein auf Ampere-Stun-

kein spezielles Ladegerät an Bord befindet.

niedrig. Als Motor der im Probebetrieb be-

den basierender Algorithmus berechnet den

Statt dessen werden Teile des Antriebsstran-

findlichen Lkw dient der serienmäßige

Ladezustand in beiden Batteriereihen. Das

ges des Fahrzeuges zum Laden vom Strom-

Sechsliter-/Sechszylinder-Dieselmotor mit

von Volvo entwickelte Batteriemanagement-

versorgungsnetz mitbenutzt. Zum Laden wird

Direkteinspritzung und Turboladung, der

system erlaubt auch stufenweise Änderun-

eine 400-V-Drehstromklemme benötigt, die

auch im herkömmlichen FL6 eingesetzt

gen, so daß unterschiedliche Verkehrssitua-

für mindestens 16 A ausgelegt ist. Der Lade-

wird. Seine Höchstleistung beträgt 154

tionen nicht zu plötzlichen Änderungen im

vorgang beginnt automatisch, sobald das

kW bei 2400 min–1. Der Motor ist am Aus-

Fahrverhalten des Fahrzeuges führen. So

Fahrzeug an das Netz angeschlossen wird,

puff mit einem «continuous regeneration

wird beispielsweise eine Begrenzung des

und endet, wenn die Netzanschlußleitung

trap (CRT) filter» ausgerüstet. Dieses Filter

Batteriestromes infolge abnormaler Batterie-

vom Netz getrennt wird oder nachdem das

senkt den Kohlenwasserstoff-Gehalt des

temperaturen nur allmählich wirksam, damit

Batteriemanagementsystem angezeigt hat,

Gases auf etwa 20 %, den Kohlenmonoxid

es nicht zu einer plötzlichen Änderung des

daß die Batterien geladen sind.

(CO)-Gehalt auf unter 10 % und die

verbunden.

Motordrehmomentes und damit des Fahr-

Schwebestoffe auf ein Viertel der Werte

verhaltens des Fahrzeuges kommt. Die Ar-

eines Motors ohne Filter. Ein weiterer Vor-

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teil des Filters liegt darin, daß er das Motorgeräusch dämpft. Die Generatoren sind als wassergekühlte Drehstromsynchronmaschinen mit Permanentmagneterregung ausgeführt und über ein

500 Nm 400

200 kW 160

300

120

200

80

100

40

Getriebe mit dem Dieselmotor gekoppelt. Jeder der Generatoren erzeugt eine Leistung von 55 kW bei ungefähr 550 V und 6 000 min–1, was einer Dieseldrehzahl von

T

P 0 0

1 700 min–1 entspricht. 8 zeigt die geschätzten

1000

2000

3000

Generatorleistungs-/Wirkungs-

4000

5000

6000

min-1

0 8000

n

grad-Kurven. Die Meßwerte für die Ausgangsleistung stimmen mit den errechneten Werten genau überein. Wie zu ersehen ist, arbeiten die Generatoren mit einem Wirkungsgrad von über 94 %. Die Verluste in den

5

Gemessenes maximales Abtriebsdrehmoment T und maximale Ausgangsleistung P in Abhängigkeit von der Drehzahl n bei einem Elektromotor

Gleichrichtern betragen weniger als 1 %.

Rot Hellblau

Maximale Leistung Dauerleistung

Dunkelblau Grün

Maximales Drehmoment Dauerdrehmoment

Messungen und Simulationen

als die Leistung, die von den Generatoren

schutzüberlegungen

Vorrang

vor

dem

Die Meßwerte der vom elektrischen Antriebs-

sofort geliefert werden kann. In diesem

Gedanken des wirtschaftlichen Brennstoff-

system gelieferten Gesamtleistung sowie der

Fall liefern die Batterien die notwendige Lei-

einsatzes. Volvo hat Simulationen durch-

Leistung der Generatoren und Batterien be-

stung, z. B. zur Unterstützung der Beschleu-

geführt, die einen Vergleich des Hybridfahr-

zogen auf die Fahrzeuggeschwindigkeit im

nigung.

zeuges mit einem konventionellen Lastkraft-

Hybridbetrieb sind in 9 dargestellt. Die

wagen bei gleichen Auslieferungsfahrten in

Generatorleistung folgt dem Sollwert für die

Brennstoffeinsparung und

der Innenstadt ermöglichen, wobei die Fahr-

Motorlast. Die Batterien werden von den

Umweltbelastung

zeuge ungefähr die gleiche Nutzlast trans-

Generatoren geladen, außer wenn der Lei-

Bei der Festlegung der technischen Daten

portieren. 10 zeigt simulierte Kraftstoffver-

stungsbedarf der Elektromotoren höher ist

des

brauchs- und Emissionswerte für eine Ge-

Hybridfahrzeuges

Gemessener Wirkungsgrad (Farbskala) eines Elektromotors mit Untersetzungsgetriebe, bei Speisung durch seinen Wechselrichter n

Drehzahl

T

6

Drehmoment

hatten

Umwelt-

Das Batteriemanagementsystem (BMU) berechnet die Batteriegrenz- und Sollwerte und überträgt diese an das Fahrzeugmanagementgerät (VMU)

7

450 Nm

94.0-96.0 92.0-94.0 90.0-92.0 88.0-90.0 86.0-88.0

390 360 330

2 Spannungen

300

2 Ströme

270 240

+ – + Batterie –

210

Batterie

180 150

VMU

12 Temperaturen BMU 4 Digitaleingänge

Terminal

Digitaleingang Taste oder Netz

120 T

Serielle Kopplung

90

Digitalausgang Freigabe Kühlung

60

Serielle Kopplung

30 600 1800 3000 4200 5400 6600 7800 1200 2400 3600 4800 6000 min-1 8400 n

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zeug niedriger sind als bei einem herkömmlichen Lkw. 96.0 % Zwei Haupttypen von 94.0

Hybridfahrzeugen

93.0

Bei den Hybridfahrzeugen unterscheidet man

92.0

generell zwei Arten: Reihen- und Parallel-

91.0

Hybridfahrzeuge. Beim Reihen-Hybridfahrzeug werden die

90.0 4500 min-1 5000 min-1 5500 min-1 6000 min-1

89.0 88.0

η

87.0 86.0 10

Räder stets elektrisch angetrieben. Als Energiequellen kommen in diesem Fahrzeug ein Verbrennungsmotor (z. B. Gasturbine, Dieseloder Bezinmotor) und ein Energiespeicher

20

30

40

50

60

70

kW

(z. B. in Form einer Batterie oder eines

80

Schwungrades) zum Einsatz. Da die Räder

P

stets elektrisch angetrieben werden, müssen die Elektromotoren für die volle Fahrzeuglei8

Generatorwirkungsgrad η in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung P, berechnet für verschiedene Drehzahlen

stung ausgelegt werden, und zwar unter Berücksichtigung der Beschleunigung und Höchstgeschwindigkeit usw. Der Verbrennungsmotor kann nach dem durchschnitt-

samtstrecke von 71 km (140 km) pro Tag, von

Nacht mit 39 kWh geladen. Die Berechnun-

lichen Leistungsbedarf des Fahrzeuges und

denen 15 km im Elektrobetrieb zurückgelegt

gen zeigen, daß der Kraftstoffverbrauch und

somit kleiner ausgelegt werden, als für den

werden. Die Batterien werden dabei jede

die Stickoxidemissionen beim Hybridfahr-

Direktantrieb der Räder notwendig wäre. Die für jedes elektrische System erforderliche Leistungsbilanz gilt auch für ein Hybridfahrzeug.

9

Fahrzeuggeschwindigkeit, Leistung Elektromotor/Verbrennungsmotor, Batterieleistung und Generatorleistung für den Lastkraftwagen Volvo FL6 Hybrid n

Fahrzeuggeschwindigkeit

P

Ausgangsleistung

t

Bei hohem Leistungsbedarf liefert der Energiespeicher die zusätzlich verlangte Leistung. Bei niedrigem Leistungsbedarf oder bei Nutzbremsung wird der Energiespeicher ge-

Zeit

laden. Bei Parallel-Hybridfahrzeugen können die Räder elektrisch und/oder direkt vom Ver-

200

brennungsmotor angetrieben werden, weil

Speed n ( km / h ) Pgen ( kW ) Pbatt ( kW ) Peds ( kW )

150

der Elektromotor und der Verbrennungsmotor über das gleiche Kraftübertragungssystem mit den Fahrzeugrädern mechanisch

100

gekoppelt sind. Diese Art der Kraftübertragung ist inzwischen technisch ziemlich aufwendig geworden. Die Energiequellen und

50

die Einrichtungen für die Energiespeicherung sind die gleichen wie beim Reihen-HybridP,n

0

fahrzeug. Bei einem Parallel-Hybridfahrzeug ist es üblich, den Verbrennungsmotor für die volle Fahrzeugleistung auszulegen, während

– 50

der Elektromotor für eine niedrigere Leistung ausgelegt wird. Die Leistungsbilanz wird

–100 0

25

50

75

100

125

s

150

genau so behandelt wie beim Reihen-Hybridfahrzeug.

t

Es ist nicht einfach zu bestimmen, wann ein Reihen- und wann ein Parallel-Hybrid-

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fahrzeug eingesetzt werden soll oder wie ein Energiespeicher bemessen sein sollte. Die

40

Auswahl kann anhand von Systemsimulationen erfolgen, bei denen verschiedene Anfor-

25

beispielsweise:

25.2

22.5

20

Soll in emissionsfreien Gebieten die Reich-

15.8

15

weite des Fahrzeuges Vorrang vor seiner

n

Leistung haben?

•

37

30

derungen berücksichtigt werden können, wie

•

37

36.5

35

10 5.4

5

Unter welchen Umweltbedingungen (sen-

4.7

3.3

0

sible Gebiete, Nachtfahrt usw.) sollen die

a

b

c

Fahrzeuge betrieben werden? Für das von ABB Hybrid Systems gelieferte System wurde die Reihen-Hybridlösung gewählt, weil die Anforderungen an den emissionsfreien Betrieb sehr streng sind (die Fahr-

Vergleich der simulierten Werte für Emissionen und Kraftstoffverbrauch bei einem herkömmlichen Lkw Volvo FL6 und einem Lkw mit Hybridantrieb auf dem gleichen Fahrgestell. Simuliert werden typische Auslieferungsfahrten in einem bebauten Gebiet.

10

zeuge werden für die Auslieferung von Waren mit Be- und Entladen in der Innenstadt eingesetzt) und die Fahrzeuge keine langen Strecken auf Autobahnen gefahren werden. Die Forderung nach Nullemission bedeutet auch, daß die Batterien nach dem Energiebedarf (Reichweite) und nicht nach dem Lei-

a b c

Serienmäßiger Volvo FL6, 11 000 kg Volvo FL6 Hybrid, 14 000 kg, 71 km/Tag, geladen mit 39 kWh pro Nacht Volvo FL6 Hybrid, 14 000 kg, 140 km/Tag, geladen mit 39 kWh pro Nacht

n

Geschwindigkeit in km/h

Orange Kraftstoffverbrauch (Liter/100 km) Blau Mittlere Geschwindigkeit (km/h) Gelb NOx-Emissionen (g/km)

stungsbedarf (zusätzliche Leistung) auszulegen sind, jedoch ohne jede Einschränkung hinsichtlich der geforderten Beschleunigung.

eingesetzten Hybrid-Lkw liefern wertvolle

sinken, und Untersuchungen belegen, daß

Daten auf der Grundlage des kommerziellen

der Preis eines elektrischen Antriebsstranges

Auslieferungsdienstes und realistischer Ver-

künftig nicht höher sein wird als der Preis her-

Zusammenfassung und Ausblick

kehrsbedingungen. Eines der Ziele des Pro-

kömmlicher Antriebssysteme.

Mit der Entwicklung des Hybridlastkraft-

bebetriebes ist es, die Akzeptanz der neuen

wagens wurde u.a. das Ziel verfolgt, diese

Technologie durch die Kunden zu bewerten.

Lösung in einem Serienfahrzeug zu realisie-

Darüber hinaus werden die gewonnenen

ren, das mit einem elektrischen Antriebs-

Erfahrungen helfen, etwaige Schwächen des

strang von ABB ausgerüstet ist.

Hybridtriebwerkes zu erkennen und zu be-

Im Hybridbetrieb wird der Dieselmotor mit

seitigen. Literaturhinweise

Drehzahlen betrieben, die einen optimalen

Das Mehrgewicht des Fahrzeuges ge-

Wirkungsgrad (d. h. Kraftstoffverbrauch) und

genüber einem herkömmlichen Volvo FL6

[1] P. Chudi, A. Malmquist: Hybridantrieb für

niedrige Emissionen sicherstellen. Ferner wird

beträgt etwas mehr als 3 Tonnen. Dies ist auf

Automobile. ABB Technik 9/93, 3–12.

der durchschnittliche Leistungsbedarf des

das zusätzliche Gewicht des elektrischen

[2] P. Chudi, A. Malmquist: Schadstoff-

Fahrzeuges vom Hilfsstromaggregat ge-

Antriebs einschließlich Batterien zurückzu-

armes Hybridtriebwerk für moderne Last-

deckt, und die überschüssige Energie dient

führen. Auf längere Sicht wird dieses Gewicht

kraftwagen und Omnibusse. ABB Technik

zum Laden der Batterien. Sobald mehr Lei-

durch die Weiterentwicklung der Komponen-

6/7-96, 12–18.

stung gebraucht wird, wird die zusätzliche

ten verringert.

Leistung von den Batterien geliefert.

Der Volvo FL6 Hybrid hat eine Gesamt-

Simulationen belegen, daß beim Hybrid-

nutzlast von rund 5 Tonnen. Das zusätzliche

Adresse des Autors

Lkw der Kraftstoffverbrauch niedriger und die

Gewicht des Fahrzeuges wirkt sich nicht

Niclas P. Berg

Emissionen erheblich niedriger sind als bei

nachteilig auf die Nutzlast und den verfügba-

ABB Hybrid Systems AB

einem herkömmlichen Fahrzeug. Die Mög-

ren Laderaum aus.

S-721 67 Västerås Schweden

lichkeit, den Lastkraftwagen ganz ohne

Der elektrische Antriebsstrang ist zurzeit

Emissionen zu betreiben, ist ein weiterer Vor-

noch relativ teuer, da seine Komponenten in

Telefax: +46 21 34 01 91

teil.

Kleinserie hergestellt werden. Diese Kosten

E-mail:

werden bei Massenproduktion beträchtlich

[email protected]

Die beiden für die dreijährige Erprobung

ABB Technik 3/1998

47