H2. Concept keuze 2.1
Audi A3 Cabriolet Plug-In Hybrid
Prestaties
Hier wordt een toelichting gegeven van de gestelde eisen voor de prestaties van de plug-in hybrid. In Excel zijn een aantal berekeningen gedaan met betrekking tot maximaal vermogen benodigd aan de wielen voor drie verschillende modussen (zie bijlage prestaties op volgende pagina); mode 1: Alleen gebruik makend van de verbrandingsmotor. mode 2: Alleen gebruik makend van de elektromotor. mode 3: Gebruik makend van zowel de verbrandingsmotor als de elektromotor. Als eerste zijn de rijweerstanden berekend met de parameters; -
Frol = 0,02 A = 1,8 m2 g = 9,81 m/s2 rho = 1,29 kg/m3 Cw = 0,35
Verder is er voorlopig een voertuigmassa van 1500kg aangenomen, dit is het originele voertuiggewicht + massa gemiddelde bestuurder + massa componenten Hybride techniek. Met onderstaande formules is het benodigde vermogen per mode berekend.
Mode 1. Zuiver elektrisch 2. Op verbrandingsmotor 3. Combinatie elektromotor en verbrandingsmotor
Benodigd maximaal vermogen aan de wielen [kW] 17,2 46,3 68,4
Uitgaande van: Ƞtransmissie = 90% Ƞelektromotor = 90% (alleen elektrisch) Ƞconvertor/invertor = 90% (alleen elektrisch) Is er een geschat benodigd motorvermogen van: Mode
Benodigd maximaal vermogen aan de wielen [kW] 23,6 51,4
1. Zuiver elektrisch 2. Op verbrandingsmotor
[Larminie and Lowrie, J and J (2012). Electric Vehicle Technology Explained. Chichester: Wiley. (Figure 8.14 p.207)] Vermogen – Snelheid grafiek 80 70
Mode 3
Vermogen [kW]
60 50
Mode 2
40 30 20
Mode 1
10 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Snelheid [km/h]
Bijlage prestaties: Frol helling 269,3459
Fhelling
Flucht helling Phelling
Frol Vmax Flucht Vmax Pvmax
Pmax nodig
2693,459
3,135416667
8238,723102
274,68
705,46875 40839,53
40839,5313
274,3372924 685,8432311
3,135416667
2675,877612
274,68 94,84635417 5645,542
5645,54152
28,21875
35314,58612
274,68 1050,019688
67338,9008
263,095724
3946,43586
67338,9
2.2
Systeem
Uit de Vermogen-Snelheids grafiek uit het hoofdstuk 2.1 Prestaties wordt duidelijk dat dit een Mild Hybrid voertuig wordt. Voor grote vermogensvraag wordt de verbrandingsmotor ingeschakeld. Omdat deze Audi A3 Cabriolet Plug-in Hybrid zowel zuiver elektrisch, zuiver op verbrandingsmotor en gecombineerd moet kunnen rijden, kiezen voor een parallel hybride opbouw van de componenten.
2.3
Componenten
Omdat een bestaand ICE voertuig wordt omgebouwd naar een Plug-In hybrid zal het aandrijfsysteem uitgebreid worden. De hoofdcomponenten om een plug-in hybrid te bouwen zijn: batterij, elektromotor/generator, batterij en een inverter/controller. Batterij Anders dan bij een ICE voertuig is bij een elektrisch voertuig niet de motor bepalend voor het uitgaande vermogen, maar de batterij. De batterij is daarom zeer belangrijk voor de conceptkeuze. Op de markt zijn verscheidene batterijen verkrijgbaar met verschillende eigenschappen. De belangrijkste voor de keuze van de batterij zijn: -
Specifiek energie [Wh/kg] Energiedichtheid [Wh/l] Specifiek vermogen [W/kg] Kosten [-]
De batterij techniek is volop in ontwikkeling, maar voorlopig zijn de batterijen in onderstaande tabel op de markt beschikbaar. Om een juiste keuze te maken zetten we de verkrijgbare batterijen in een tabel, zie Table 3.10. Verder is bekend hoeveel vermogen aan de wielen benodigd is om zuiver elektrisch te rijden en te voldoen aan de vereiste prestaties, namelijk 17,2 kW. In de berekening is rekening gehouden met de toegevoegde massa van de Hybride componenten, maar niet met verliezen in de aandrijflijn, zelfontladen van de batterij, temperatuurs invloeden en
inschakelen van elektrische verbruikers . Het totale rendement wordt grof geschat op 70% en daarom zal de batterij een vermogen moeten leveren van 17,2/0,7 = 24,6 kW. Om de batterij een langere levensduur te geven wordt er voor gekozen om 80% van de capaciteit te gebruiken. De Depth of Discharge is dan 0,8. Ook dit getal moet in de bepaling van de benodigde energie worden meegenomen. Als vuistregel geldt dat het piekvermogen van een batterij is zeven maal de hoeveelheid energie [in kWh] van de batterij. De vereiste energieopslag in de batterij is dan 24,6/7 = 3,5 kWh. Vanwege de DoD is de vereiste energieopslag dan 3,5/0,8 = 4,375 kWh Om continu 50 km/u te rijden is een vermogen nodig van 5,2 kW /0,7 = 7,4 kW. Als vuistregel geldt dat de batterij continu drie maal de hoeveelheid energie kan leveren. De vereiste energieopslag in de batterij is dan 7,4/3 = 2,5 kWh. Het piekvermogen is dus bepalend voor de keuze van de batterij. Het piekvermogen is gedefinïeerd als een “worst case scenario”, waarin een helling van 5% wordt genomen en minimaal een snelheid van 55 km/u gehaald moet worden.
[Larminie and Lowrie, J and J (2012). Electric Vehicle Technology Explained. Chichester: Wiley. (Table 3.10 p.63)]
Een andere belangrijke eigenschap van de batterij is de massa. Dit is in kg per hoeveelheid energie per type batterij verschillend. Nu bekend is hoeveel energie in de batterij benodigd is kan met de gegevens uit tabel 3.10 de massa van de batterij berekend worden. Tevens belangrijk voor de packaging is het volume van de batterij. Uit tabel 3.10 kan eveneens het benodigde volume berekend worden. De uitkomsten worden in onderstaande tabel gezet: Batterij Lead acid NiCad NiMH Zebra Li-ion Zine-air
Massa batterij in [kg] 146 87,5 67 44 23 15
Volume batterij in [l] 58 55 29 29 29 16
Uit de tabel blijkt dat het ongunstig voor de voertuigdynamica is om een Lood-zuur en NikkelCadmium accu te gebruiken, gezien het hoge gewicht. Zebra accu’s moeten op warmte gehouden worden als deze niet wordt gebruikt en daarmee niet acceptabel voor in een plug-in hybride voertuig. Hoewel de lage massa van de zine-air batterijen, hebben ze een relatief laag specifiek vermogen. Het zijn geschikte eigenschappen, maar moeilijk te leveren in het formaat van een voertuig, echter is dit een kwestie van tijd. De twee meest geschikte batterijen zijn een Lithium –ion of Nikkel metaal hydride. Waarbij Li-ion minder massa meedraagt en NiMH goedkoper is. Een nadeel van de NiMH is dat deze vrij snel zelf ontlaadt, 5% per dag. Omdat de toepassing een Plug-in hybride is, speelt dit van minder betekenis dan een normale hybride. De keuze gaat daarom voor een NiMH batterij. De kosten voor het gebruik van deze batterij zijn geraamd in onderstaande tabel:
[Unknown (-).Cost of Power,Geraadpleegd op 20 september 2013, http://batteryuniversity.com/learn/article/cost_of_power]
Elektromotor Zoals al eerder gezegd is de energieopslag van de batterij maatgevend voor het vermogen. Voor een bepaling van het vermogen van de elektromotor geldt:
Zo komt het benodigd motorvermogen op 17,2 kW. Verbrandingsmotor Het huidige conventionele model bestaat uit een 1.6 benzinemotor. Deze motor heeft een vermogen van 75kW. Het toepassen van deze motor in de plug-in hybride, zou een gecombineerd vermogen opleveren van 75 + 24,6 = 99,6 kW. Dit zou betekenen dat de prestaties van het voertuig aanzienlijk verbeteren. Het programma van eisen vragen echter om een benodigd motorvermogen van 51,4 kW. Als het rendement van de aandrijflijn (ca. 90%) hierin worden meegenomen, wordt het benodigd motorvermogen 57 kW. Voor de keuze van de verbrandingsmotor betekent dit downsizen. Een keuze voor een motor met kleiner slagvolume in combinatie met de elektromotor zorgt voor gelijkblijvende prestaties, een lagere voertuigmassa, meer inbouwruimte voor de elektromotor en een lager brandstofverbruik. Er wordt gekozen voor een 1.4 motor uit de Volkswagen Polo. Deze motor heeft een vermogen van 63 kW. Door gebruik te maken van een bestaande motor wordt hier bespaard in ontwikkelingskosten voor een nieuwe motor. Dit komt ten gunste van de ontwikkeltijd. Een andere eventuele optie is het downgraden van de 1.6 motor door het toepassen van een Atkinson cycle. Echter de nadelen zijn de kosten voor het aanpassen van de motor en het niet besparen van inbouwruimte voor de elektromotor.
2.3
Packaging
Innorent aan het bouwen van een plug-in hybrid is het vergroten van de totale voertuigmassa van de batterij. Doordat de totale voertuigmassa groter wordt, verandert het weggedrag van het voertuig. Daarnaast mag de voertuigveiligheid hiervan geen invloed van ondervinden. Er moet dus zeer goed worden nagedacht over de plaatsing van de componenten. Hierbij zijn de twee grootste uitdagingen het plaatsen van het batterijpakket en daarna het onderbrengen van de elektromotor. Downsizing Door het slagvolume van de ICE-motor te verkleinen, wordt er meer inbouwruimte gecreeërd voor de elektromotor. Een 1.4 motor heeft een compactere opbouw dan een 1.6 motor. Door de eerste toe te passen onstaan er meer mogelijkheden in de motorruimte voor de plaatsing van de elektromotor. Tankinhoud verkleinen Daarnaast zorgt het onderbrengen van het batterijpakket voor de grootste uitdaging. De fabrikant heeft bij het conventionele voertuig de meest optimale positie van de brandstoftank al bepaald.Door de tankinhoud te halveren met een kleiner tankreservoir, wordt ruimte gecreeërd voor het batterijpakket. De tankinhoud verandert van 55 naar 25 liter. Dit heeft als voordeel:
-
De totale voertuigmassa neemt minder toe Het weggedrag/voertuigdynamiek wordt minimaal beïnvloed Voertuigveiligheid blijft gehanteerd
De NiMh batterij heeft een benodigd volume van 29 liter. Het verkleinen van de tank maakt 30 liter ruimte vrij voor de plaatsing van de batterijen. Een nadeel is dat de mogelijke actieradius wordt verkleind. Echter door de hybride techniek en het toepassen van een kleiner slagvolume motor kan de actieradius van het conventionele model gehanteerd kan worden. 2.4 Samenvatting van het Concept Hieronder staat een schematische weergave van het concept. Hierin is te zien dat de brandstoftank en batterij achter elkaar geplaatst zijn. De brandstofmotor is geplaatst achter de elektromotor. Via een planetair tandwielstelsel is deze met een CVT versnellingsbak verbonden. Het planetair tandwielstelsel maakt het mogelijk zuiver elektrisch, op verbrandingsmotor of simultaan te rijden. In de laatste modus dient de elektromotor als ondersteuning.
Batterij Vermogen: Energie: DoD: Volume: Massa: Verbrandingsmotor Vermogen: Cilinderinhoud:
24,6 kW 4,375 kWh 0,8 29 l 67 kg
63 kW 1390 cc
Elektromotor Vermogen: 17,2 kW
Brandstoftank Inhoud: 25 l
Bijlage:
Programma van Eisen
Programma van Eisen
Audi A3 Cabriolet Plug-In Hybrid
De Audi A3 Cabriolet is een auto bedoeld voor zowel plezier ritjes, als het dagelijkse woonwerkverkeer. De auto moet de robuustheid hebben voor het dagelijkse gebruik, maar ook het plezier geven bij het maken van lange tochten. Op topsnelheid, acceleratie en actieradius mag dus niet worden ingeleverd. Om dit voertuig te definiëren is er een programma van eisen opgesteld. De eisen worden bepaald door te kijken naar tijd, geld en prestaties.
-
-
-
-
-
Financiële eisen BPM voor de aanschaf van een plugin-hybride auto is lager dan ICE auto’s. De netto aanschafprijs is gelijk aan de 1.6 brandstof motor uitvoering Total Costs of Ownership liggen op maximaal €700,- per maand, uitgaande van 4 jaar en 15.000 kilometer per jaar. Functionele eisen De auto moet zijn uitgerust met navigatiesysteem die de auto begeleidt naar parkeerlocaties met laadpunten. Technologische eisen Mode 1: Hellingspercentage: 5% met 50km/u Maximale snelheid: 55km/u Actieradius: 20 km Dit zijn de vereiste specificaties voor de Plug-in hybride wanneer zuiver elektrisch wordt gereden. Mode 2: Hellingspercentage: 5% met 80 km/u Maximale snelheid: 150 km/u Actieradius: 450 km Dit zijn de vereiste specificaties voor de Plug-in hybride wanneer zuiver op de benzinemotor wordt gereden. Mode 3: Hellingspercentage 30% met 30 km/u Maximale snelheid: 185 km/u Actieradius: 800 km Dit zijn de vereiste specificaties voor de Plug-in hybride wanneer gecombineerd, zowel elektrisch als op de benzine motor wordt gereden. De acceleratietijd van 0 naar 100 km/u is maximaal 12,5 seconde. Het gemiddelde brandstofverbruik is 1 op 30.
-
-
-
Veiligheidseisen Tijdens de botsproeven moet de auto minimaal een beoordeling krijgen van 4 sterren door de NCAP. Het hybride systeem mag dus niet negatief van invloed zijn op de veiligheid. De auto moet goedgekeurd zijn volgens de R100 norm van de RDW.
Facilitaire eisen Door modulaire opbouw vindt de productie van de A3 cabriolet hybride plaats op de zelfde productielijn als de ICE uitvoeringen. Tijd De hybride versie moet gelijk met de ICE uitvoeringen op de markt worden gebracht. De levertijd van een hybride versie is gelijk aan die van ICE uitvoeringen.
