Programma van eisen Binnen dit hoofdstuk wordt het pakket van eisen uitgewerkt. De uitdaging zit in het goed definiëren van alle eisen. Zo is het belangrijk om naar het complete plaatje te kijken en de focus niet te verliezen in de kleine details. Daarnaast geld dat er eigenlijk meerdere antwoorden goed zijn. De eisen zijn opgesteld binnen de kaders tijd, geld en prestaties (kwaliteit). Daarnaast dient er gekeken te worden naar de veiligheid en TCO (Total Cost of Ownership). Als deze eisen gedefinieerd zijn kunnen er al een aantal aspecten worden berekend. Denk hierbij aan berekeningen voor de elektromotor en de batterij.
Eisen rondom de kaders Hieronder zijn de eisen weergegeven: Tijd (Time) Het voertuig moet binnen één jaar omgebouwd kunnen worden.
Prestaties (Quality) De veiligheid van de auto met een hybride aandrijving moet minimaal even goed zijn als de veiligheid van de benzine variant. De topsnelheid mag maximaal 10 km/h dalen tot een Vmax van 185 km/h. De acceleratie van 0 tot 100 km/h mag maximaal 9,5 seconden zijn. Het gecombineerd verbruik van de hybride versie moet van 4,0 l/100 km terug worden gedrongen naar 4,0 l/100 km. De rijeigenschappen mogen niet merkbaar achteruit gaan. Er wordt gekozen voor een parallel hybride. Tussen de verbrandingsmotor en de versnellingsbak zit een koppeling, hierdoor kan er zuiver elektrisch worden gereden. De auto moet regeneratief kunnen remmen. Er moet minimaal 30 km zuiver elektrisch gereden kunnen worden. Totale massa van het voertuig mag niet meer dan 100 kg omhoog gaan. Het comfort mag niet merkbaar achteruit gaan. Het systeem moet onderhoudsvriendelijk zijn.
Geld (€) De extra kosten tegenover de conventionele uitvoering moeten terug worden verdiend binnen drie jaar bij 15.000 km op jaarbasis.
Veiligheid Het originele stationaire en dynamische weggedrag moet zoveel mogelijk hetzelfde blijven. Waar nodig dient gecorrigeerd te worden. Men moet rekening houden met de passieve veiligheid (dus zaken als botsveiligheid). Het voertuig moet door de eisen van een IKS (Individuele Keuring Speciaal) komen.
Eisen betreffende totale kosten De kosten van de hybride aandrijving vallen duurder uit dan de conventionele aandrijflijn. Echter wordt er wel bespaard op verbruik en onderhoud. Zo moeten de extra kosten na drie jaar terug worden verdiend uitgaande van een 15.000 km op jaarbasis. Aan de hand van dit gegeven en het gemiddelde verbruik van 4,0 l/100 km kan het break-even point worden herleid.
TOTALE KOSTEN VANAF AANSCHAF
Hieronder is een grafiek te zijn van de totale kosten vanaf de aanschafprijs. Beide varianten zijn hierin uitgewerkt:
Total Cost of Ownership (TCO) TCO Conventioneel
TCO Plug-in-hybride
€45,000.00 €40,000.00 €35,000.00 €30,000.00 €25,000.00 €20,000.00 €15,000.00 €10,000.00 €5,000.00 €0
1
2
3
4
5
6
TIJD (JAREN)
Zo treedt het break-even point bij drie jaar op. Hierbij liggen de totale kosten vanaf aanschafprijs ongeveer bij €30.000,- uitgaande van 15.000 km per jaar. Zie tabel voor verdere specificaties: Conventionele uitvoering Verbruik (l/100 km) Aantal kilometers per jaar
Plug-in hybride
9,5 20000
Afschrijving (€)
€
238,00
Motorrijtuigenbelasting per jaar (€)
€
Onderhoudskosten per jaar (€)
€
Brandstofkosten per jaar (€) Totale kosten per jaar (€)
4,0 20000 €
250,00
600,00
€
300,00
71,00
€
35,00
€
2.508,00
€
1.056,00
€
3.417,00
€
1.641,00
Hieruit is berekend dat de totale conversie van het voertuig maximaal €5328,- mag bedragen.
Eisen rondom prestaties In deze paragraaf zullen er enkele handberekeningen worden gemaakt naar de verschillende rijmogelijkheden. Hierbij wordt er onderscheid gemaakt tussen het rijden op de batterij, het rijden op de verbrandingsmotor en het rijden op de verbrandingsmotor en elektromotor samen. Bij dit laatste wordt ook wel gesproken over het gecombineerd vermogen. Zie tabel ter inzage van de voertuigprestaties: Mode
Snelheid (m/s)
Hellings% min tbv mbat,E
Hellings% max tbv mBAT,P
Actieradius (km) tbv mbat,E
1 Op batterij 2. Op ICE 3. Op ICE en batterij
20 30 54
0 0 -
3% 14% 0%
30 450 -
Brandstofverbruik (l/100 km) tbv mBAT,E 0 9,5 -
Aan de hand van deze tabel kan er verder worden gewerkt naar het benodigde vermogen. Zo zijn er handberekeningen gemaakt in Excel. Uit de voertuigweerstanden kan het benodigde vermogen voor de batterij, voor de verbrandingsmotor en het gecombineerde vermogen berekend worden. Daarmee wordt de volgende tabel verkregen. Mode 1 Op batterij 2. Op ICE 3. Op ICE en batterij
Benodigd vermogen (kW) 16,2 75,5 91,7
In dit geval wordt er uitgegaan van een gecombineerd vermogen van 91,7 kW, hierbij is er wel van uitgegaan dat de elektromotor aan de specificaties van de batterij voldoet. Immers geld dat de laagste waarde telt. Nu het vermogen bekend is, kan er doorgerekend worden naar de benodigde energieopslag. Dit is bepalend voor de dimensies van het accupakket. Met een grove schatting is er rekening gehouden met de verliezen van de aandrijflijn, de elektromotor en de inverter en eventuele converter. Het vermogen wat benodigd is om te accelereren weegt niet op tegen het vermogen wat benodigd is om de voertuigweerstanden te overwinnen op maximale snelheid. Het vermogen wat de batterij maximaal moet kunnen leveren wordt hierbij berekend op 18,9 kW. Dit betekend dus dat er met een snelheid van 20 m/s een helling van 3% zuiver elektrisch gereden kan worden. Door gebruik te maken van de vermogensdichtheid en de actieradius kan de totale massa worden bepaald. De actieradius om zuiver elektrisch te rijden was gesteld op 30 km. Met de voertuigweerstanden en een grove schatting naar het gebruiksbereik is de benodigde energie berekend op 5,0 kWh. Hierbij is rekening gehouden met een gebruiksbereik van ongeveer 70% Onderstaande tabel geeft de uitwerking weer van de verschillende batterijen. Soort batterij Lithium-ion Lithium-
Vermogensdichtheid (W/kg) 180 300
Energieinhoud (Wh/kg) 140 130
Benodigde massa ahv vermogen (kg) 105 63
Benodigde massa ahv energie (kg) 36 38
polymeer NikkelCadmium LithiumZwavel LithiumIjzerfosfaat
200
50
95
100
350
350
54
14
300
100
63
50
Zo zijn er grote verschillen te zien tussen de batterijen met betrekking tot het benodigde massa. Echter spelen er nog veel meer aspecten een belangrijke rol. Denk hierbij aan de verschillende kosten of het toepassen van een battery management systeem ter veiligheid. Ook dient al nagedacht te worden over de ruimtelijke inhoud wat het mag innemen. In de conceptfase zullen deze aspecten verder onderzocht worden. De opgestelde eisen binnen dit document worden daarin meegenomen.
Bijlage 1: Berekeningen in excel Voertuigweerstanden:
F_rol (N) 194
massa (kg) zwaartekracht (m/s^2) wrijvingscoëfficient (-)
1320 9.81 0.015
F_lucht (N) 226
Frontaal oppervlakte (m^2) Cw-waarde (-) rho_lucht (kg/m^3) snelheid (m/s)
2.5 0.35 1.293 20
F_acc (N) 3960
massa (kg) gewenste acceleratie (m/s^2)
1320 3
F_helling (N) 388
massa (kg) zwaartekracht (m/s^2) Hellingshoek (%)
1320 9.81 3
P_vmax (kW) P_helling (kW) P_lucht+rol+helling (kW) Energieopslag: actieradius (m) snelheid (m/s) tijd (s) E_bat (J) E_bat (kWh) Dept of Discharge (DOD)
8.4 7.8 16.2 P_bat 30000 η_transmissie 20 η_EM 1500 η_CI 18021986 P_EM 5.0 0.7
18.9 0.95 0.95 0.95 16.2
Referenties http://nl.wikipedia.org/wiki/Oplaadbare_batterij http://www.electricmotorsport.com/store/ems_ev_parts_batteries_thunder_sky.php Hogt, Roeland M.M. (2013). Reader nieuwe generatie aandrijvingen (v306)
