Nieuw hybride concept van Bosch in wereldpremière

Persbericht

Nieuw hybride concept van Bosch in wereldpremière

De hybride versies van de Volkswagen Touareg en Porsche Cayenne S zijn de eerste parallelle sterke hybrides ter wereld in serieproductie. Voor de ontwikkeling van dit innovatieve hybride concept werkte Bosch nauw samen met beide autoconstructeurs. Moderne controletechnologie zorgt voor de interactie tussen de verbrandingsmotor en de elektrische motor van het voertuig zodat een mechanische ‘power splitting device’ niet nodig is. “Een van de belangrijkste voordelen van ons systeem is het eenvoudige ontwerp“, zegt Oliver Schlesiger, Customer Project Manager bij Bosch, die sinds 2007 aan de nieuwe versie van het hybride systeem werkt. Het resultaat werd in april 2010 door de betrokken klanten, Volkswagen en Porsche, op de markt gebracht. De VW Touareg Hybride en de Porsche Cayenne S Hybride zijn de eerste, parallelle, sterke hybride auto‟s ter wereld. Bosch stond in voor de belangrijkste hybride aandrijfcomponenten. Het verschil begrijpen tussen termen als 'parallelle, 'seriële,' 'milde' en 'sterke' hybride voertuigen, is niet altijd even makkelijk. Alle hybrides combineren een verbrandingsmotor met een elektrische motor. De Volkswagen Touareg en Porsche Cayenne zijn sterke hybrides. In tegenstelling tot milde hybrides kunnen zij korte afstanden uitsluitend op elektrische energie afleggen. Beide constructeurs kozen het parallelle hybride systeem van Bosch voor hun gemeenschappelijke SUV-platform en dat betekent een wereld van verschil. Het vervangt 'gewone' mechanica door intelligente systemen. In plaats van een planetenwiel te gebruiken als power splitting device, verdeelt de controletechnologie het koppel tussen de elektrische motor en de verbrandingsmotor. Dat vermindert zowel de kosten als de complexiteit van het systeem. "Een ander belangrijk kenmerk is dat onze elektrische motor bijna autonoom werkt. Op elk moment kan je elektrisch rijden door eenvoudigweg te ontkoppelen en de verbrandingsmotor uit te schakelen", zegt Schlesiger.

augustus 2010

Zoals zo vaak zijn zaken die ongelooflijk eenvoudig lijken, het resultaat van veel denkwerk en inspanningen. In de jaren '70 kwam Bosch reeds met rijdende hybride auto's. Sindsdien verrichtte het bedrijf onophoudelijk onderzoek en ontwikkeling op dit vlak. Nu heeft het een team van 500 experts die betrokken zijn bij de ontwikkeling van elektrische aandrijvingen. Deze experts optimaliseren systematisch componenten zoals de elektrische motor en de vermogenselektronica, en integreren daarin ook innovatieve ontwikkelingen van andere Bosch-afdelingen. Zo lag de sleutel tot het hybride systeem bij een nieuwe ontwikkeling op het vlak van de verbrandingsmotor. "We hebben bij Bosch door de ontwikkeling van directe benzine-injectiemotoren een enorme kennis opgebouwd", aldus Schlesiger. Zelf werkte Schlesiger aanvankelijk aan projecten die uiteindelijk tot het Motronicmotormanagement voor directe benzine-injectie leidden. Tijdens de programmering van het Motronic-systeem leerden de ingenieurs hoe te schakelen tussen verschillende werkingspunten zonder een verandering in koppel. Het uitgangspunt was bijvoorbeeld directe-injectiesystemen te laten omschakelen van een homogene naar een „lean‟ modus zonder enige sprong in koppel, en zo vlot dat de bestuurder zelfs niet opmerkt dat er iets is veranderd. "Daardoor kan Motronic vandaag om het even welke extra koppelbron zacht in en uit schakelen", zegt de ingenieur. Een vlotte overgang is vooral belangrijk wanneer de elektrische motor overschakelt op de verbrandingsmotor, wanneer beide motoren samenwerken of wanneer de verbrandingsmotor tijdelijk stopt. In de parallelle sterke hybrides van Volkswagen en Porsche gebeurt dit allemaal automatisch. “Het systeem werkt op basis van de hoeveelheid koppel die de bestuurder nodig heeft”, zegt Dr. Matthias Küsell, hoofd Hybride Ontwikkelingen bij Bosch. Met andere woorden, de controle-eenheid interpreteert de wensen van de bestuurder door monitoring van de druk op het gaspedaal. Afhankelijk of de bestuurder zachtjes versnelt in het stadsverkeer, snelheid maakt op de (autosnel)weg of achterover leunend geniet van een kalm ritje, vertaalt de hybride controle-eenheid de druk op het gaspedaal in elektrisch rijden, hybride rijden of rijden op de verbrandingsmotor. Omgekeerd wordt ook de druk op het rempedaal gecontroleerd om te bepalen hoeveel remkracht de elektrische motor moet geven. "Levensbelangrijke veiligheidssystemen zoals ABS en ESP® kunnen altijd overnemen bij om het even welke situatie", stelt Küssel. Feit is dat bestuurders van hybride auto‟s zeer snel gefrustreerd zouden raken als het schakelen tussen de verschillende aandrijfsystemen merkbaar was. Horten en stoten zijn dus absoluut te vermijden. Maar hoe slagen de ingenieurs erin de V6-

Page 2 of 9

motoren van de Cayenne en de Touareg met een precisie van een paar milliseconden te synchroniseren met de elektrische motor van Bosch? Concreet: hoe brengen ze een directe-injectiemotor van 245 kilowatt (333 PK) en 440 Newtonmeter koppel naadloos samen met een elektrische motor van 34 kilowatt (47 PK) en 300 Newtonmeter? Het geheim is meten, controleren en regelen, of met ander woorden het handhaven van een perfecte interactie tussen sensorsystemen, controletechnologie en actuatoren. Als we naar het ontwerp van het systeem kijken, zien we dat de elektrische motor zich tussen de verbrandingsmotor en de automatische transmissie met 8 versnellingen bevindt. De hybride module, die 145 millimeter lang is en een diameter van 30 centimeter heeft, omvat de geïntegreerde motorgenerator (Integrated Motor Generator - IMG), een afzonderlijke koppeling gecontroleerd door de actuatoren, een waterkoelingsysteem en - natuurlijk - de permanente magneten en spoelen van de rotor en stator. De ingenieurs integreerden ook digitale sensoren voor een continue controle van de rotorpositie. De Integrated Motor Generator kan de Volkswagen en Porsche enkel op elektrische stroom laten rijden tot een snelheid van 60 km/uur. In combinatie met de interne verbrandingsmotor kan de parallelle hybride in minder dan 6,5 seconden van 0 tot 100 kilometer per uur versnellen. Deze "boost"-functie verhoogt de prestaties van het voertuig tot 279 kilowatts (380 PK) en levert een maximumkoppel op van 580 Newtonmeter. Onder 'rustige' rijomstandigheden en bij het remmen, functioneert de IMG als generator, die elektrische kracht genereert voor een ander belangrijk onderdeel van de hybride auto: de vermogenelektronica. Ook deze wordt door Bosch geleverd en is geïntegreerd in het waterkoelingscircuit. Hier gebeuren twee dingen. De vermogenelektronica fungeert als interface tussen het 288 volt-netwerk van de hybride aandrijving en het elektrische 12 volt systeem van de auto. Daarnaast zetten de bipolaire transistors de gelijkstroom van de accu om in driefasige wisselstroom voor de elektrische motor, en omgekeerd. De werking van deze componenten wordt gecontroleerd door een hybride controle-eenheid van Bosch. Het team van Küsell baseerde zich voor de ontwikkeling hiervan op de Motronic directe-injectietechnologie. Ze incorporeerden ook expertise van de start/stop-systemen, waardoor ze verbrandingsmotoren in verschillende modi snel en soepel konden laten starten. Essentieel was ervoor te zorgen dat sensoren een continue stroom informatie sturen naar de controle-eenheid over de temperatuur, de positie van de kleppen Page 3 of 9

en de motorsnelheid. "De protocollen en interfaces die we nodig hadden om dit te realiseren, hebben we gehaald bij onze start/stop-technologie“, zegt Küssel. Het stoppen en starten van de verbrandingsmotor aan een verkeerslicht was in het verleden zeker geen standaardprocedure. Maar het is een fluitje van een cent bij de hybride Cayenne en Touareg, die om brandstof te besparen allebei hun V6motor stilleggen wanneer zij voor een rood licht staan. Wanneer het licht op groen springt en de accu voldoende is opgeladen, kunnen ze hun reis zelfs verder zetten op uitsluitend elektrische stroom. De verbrandingsmotor treedt dan later in werking. Een andere nieuwe functie is de manier waarop de verbrandingsmotor stopt als de bestuurder de voet van het gaspedaal haalt en zo de zogenaamde „sailing mode‟ activeert. Deze techniek kan tot snelheden van ongeveer 160 km/u worden gebruikt. Hiermee vermindert het brandstofverbruik en kan de elektrische motor als generator functioneren om het elektrische 12 volt systeem van energie te voorzien. Zodra de verbrandingsmotor nodig is, komt er een snelle reactie van het speciaal ontworpen koppelingssysteem. Zonder dat de bestuurder het merkt, volgt dit systeem onophoudelijk het moment op waarop de verbrandingsmotor het koppel overdraagt. Het registreert vervolgens dit moment in de hybride controle-eenheid als referentie voor de volgende overgang tussen de elektrische motor en de verbrandingsmotor. De sensorgegevens van de Integrated Motor Generator, de verbrandingsmotor, de accu en de andere componenten passeren ook langs deze controle-eenheid. Deze analyseert de gegevensstroom in real time en extrapoleert deze gegevens om zo afgeleide informatie te verschaffen over componenten die niet rechtstreeks worden gecontroleerd. Dit laat toe om binnen enkele milliseconden de overgang tussen de aandrijfsystemen met behulp van de koppelingsactuator te controleren. Oliver Käfer, systeemingenieur bij Bosch, beschouwt dit proces als het belangrijkste technologisch aspect van de parallelle sterke hybride. "Het moment waarop de verbrandingsmotor het overneemt na het rijden op elektrische stroom, treedt het koppelingsysteem in werking", zegt hij. De koppeling grijpt net ver genoeg in om de verbrandingsmotor op te starten en laat daarna meteen weer los. Dit beperkt de energie die nodig is om de verbrandingsmotor op gang te krijgen. "Zodra de verbrandingsmotor dezelfde snelheid heeft bereikt als de elektrische motor, treedt de koppeling volledig in werking”, aldus Käfer. Dit proces gebeurt in een fractie van een seconde. De enige manier waarop de bestuurder dit zou kunnen merken is door naar de toerenteller te kijken.

Page 4 of 9

Mede dankzij het parallelle elektrische aandrijfsysteem brengen de hybride Touareg en de Cayenne S Hybrid het brandstofverbruik terug tot 8.2 liter per 100 km (193 gram C02 per km). Vergeleken met V8-motoren van deze voertuigen van de eerste generatie, verbruiken de parallelle hybrides tot 40 procent minder brandstof. Toch zijn de Bosch-ingenieurs nog niet tevreden. Zij zijn ervan overtuigd dat het systeem zo snel mogelijk moet worden verschoven van het premium segment naar het massasegment. Alleen dan kan men het potentieel van het systeem volledig benutten voor de bescherming van het milieu. "Met zijn precisieaandrijfsysteem en de gecontroleerde interactie tussen de elektrische motor en de verbrandingsmotor, is het systeem uiterst geschikt voor downsizing concepten voor het massasegment", zegt Küsell. Het systeem zou ook het gebrek aan soepelheid verhelpen dat typisch is voor directe turbo-injectie bij tweecilinder- en driecilindermotoren. “De naadloze interactie tussen de aandrijvingen maakt zelfs cilinderonderbreking mogelijk zonder aan comfort in te boeten", voegt hij eraan toe. De sleutel tot het bereiken van een snelle marktpenetratie ligt in lagere kosten een gegeven dat de Bosch-ingenieurs van bij het begin in gedachte hadden. Alle hybride systemen worden gemaakt in modulair formaat, zodat ze kunnen worden ingebouwd in de auto‟s van verschillende constructeurs. Een stijging van het productievolume zou leiden tot lagere systeemkosten, en dat is de enige realistische manier om deze hybridetechnologie te introduceren in veelgeproduceerde modellen. Dit is niet enkel een visie op lange termijn. Op dit ogenblik lopen al meerdere samenwerkingsprojecten met belangrijke autoconstructeurs, inclusief een hybride ontwikkelingssamenwerking met de Franse PSA Groep. In de toekomst wil Bosch zichzelf positioneren als de enige totaalleverancier van volledige, geïntegreerde elektrische aandrijvingen met lithium-ion batterijen. Om dit te bereiken, sloot Bosch een samenwerkingsakkoord met Samsung SDI. Daaruit kwam het bedrijf SB LiMotive voort, dat nu al de eerste productielijnen opzet in Zuid-Korea. In 2011 zal SB LiMotive de eerste krachtige accu‟s voor hybride voertuigen produceren. Vanaf 2012 start de productie van batterijen voor volledig elektrische voertuigen. En vermits de accu's steeds lichter en efficiënter worden, wordt het potentieel van de hybride technologie om significant te besparen nog groter. De komende jaren zal er belangrijkste winst inzake efficiëntie worden gerealiseerd in de parallelle ontwikkeling van moderne verbrandingsmotoren en elektrische aandrijvingen, net als de projecten van

Page 5 of 9

serieproductie die nu worden opgestart. "We zitten in een geweldige positie om een echte impact te hebben op deze ontwikkelingen en ze mee vorm te geven", aldus Küssel.

Technologie in detail: Bosch-onderdelen in de parallelle sterke hybride

Vermogenelektronica Functie De link tussen de batterij, die gelijkstroom vereist, en de elektrische motor, die wisselstroom vergt en produceert. Een impulsomschakelaar 'hakt' als het ware de gelijkstroom in stukken door middel van bipolaire transistors. Dit zijn in feite schakelelementen die razendsnel 'aan' en 'uit' schakelen. Bovendien doet een DC-DC omvormer dienst als interface tussen het elektrische 12 volt systeem van het voertuig en het 288 volt netwerk van de elektrische aandrijving. Uitdaging Weinig ruimte: Initieel gestart met een volume van 15 liter, is het in de Cayenne en Touareg nu beperkt tot 10 liter. Bosch werkt momenteel aan een 5literoplossing. Levensduur: De apparatuur moet aan zeer zware omstandigheden in het voertuig (-40°C tot 120°C) kunnen weerstaan en moet gedurende de hele levensduur van het voertuig blijven functioneren. Efficiëntie: Hoewel koeling noodzakelijk is, is er slechts een smalle grens tussen wat echt nodig is en wat simpelweg energie verspillen is. Temperatuursensoren in de vermogenselektronica zorgen ervoor dat de koelwaterpomp enkel werkt wanneer het echt nodig is. Volume-eenheden: Het ontwerp moet modulair zijn en geschikt voor serieproductie. De onderdelen moeten kunnen worden aangepast aan de omstandigheden en de beschikbare ruimte van verschillende automodellen. Wist je dat... De belangrijkste onderdelen zijn schakelaars die bliksemsnel 'aan' en 'uit' schakelen om de gelijkstroom in stukken te 'hakken'. De lading op deze schakelaars, die eigenlijk halfgeleiders zijn, is enorm. De enige manier om de prestatie te verbeteren is door de „chip area‟ te vergroten, maar de ingenieurs proberen eigenlijk precies het tegenovergestelde te doen. Het doel is de omvormer eerder kleiner te maken in de plaats van groter. Essentiële technieken om dit te bereiken zijn koelconcepten, nieuw materiaal voor halfgeleiders en nieuwe assemblage- en verpakkingstechnologieën. Ook het design speelt een belangrijke rol. "De omvormer is extreem compact. Laat daar een vlieg in los en

Page 6 of 9

ze vindt waarschijnlijk nooit meer de weg naar buiten", aldus Bosch expert Martin Millich.

Elektrische motor (Integrated Motor Generator, IMG) Functie De elektrische motor is een ronde "schijf" – met een diameter van 30 centimeter – en zit tussen de verbrandingsmotor en de transmissie. Concreet is het een watergekoelde, synchrone machine, aangedreven door permanente magneten, met een interne rotor. Hij start de verbrandingsmotor op, laat zuiver elektrisch rijden toe, kan samenwerken met de verbrandingsmotor en doet dienst als generator om remenergie en vermogen van de verbrandingsmotor om te zetten in elektriciteit. Uitdaging Weinig ruimte: Als je de lengte van de auto gelijk wilt houden, is de ruimte tussen de verbrandingsmotor en de transmissie erg beperkt. Energie met een hoge dichtheid in een kleine ruimte vereist koeling, zeker omdat ook de verbrandingsmotor hitte uitstraalt. Daarom zitten er koelbuizen doorheen de buiten-stator, die eveneens worden gebruikt om de hitte af te drijven die afkomstig is van de draaiende rotor aan de binnenkant. Door de beperkte ruimte zijn ook stroomlekken een probleem, aangezien er weinig ruimte is tussen de elektrisch geladen onderdelen en metalen onderdelen. De experts moeten een evenwicht vinden tussen de minimale afstanden en de maximale dichtheid van de energie. Opstarten: een van de uitdagingen is de IMG zodanig activeren dat de rotor onmiddellijk in de juiste richting draait. Om dit te bereiken, controleren drie digitale sensoren de positie en de snelheid van de rotor. In de toekomst zullen de sensoren ook de draairichting van de motor kunnen bepalen. Dit is nodig omdat volledig elektrische voertuigen geen transmissie hebben: de controle-eenheid moet dus weten of het voertuig voorwaarts of achterwaarts gaat.

Hybride controle-eenheid Functie De controle-eenheid is het 'brein' van de parallelle hybride en brengt de sensorgegevens samen van de elektrische motor en de verbrandingsmotor. Dankzij deze datastroom kan de controle-eenheid ook de status nagaan van andere componenten die niet door sensoren worden gecontroleerd. Dit alles gebeurt in real-time en vormt de perfecte basis voor efficiënte en naadloze interactie tussen de verbrandingsmotor en de elektrische motor. Eén van de belangrijkste input-variabelen is afkomstig van de interpretatie van de

Page 7 of 9

wensen van de bestuurder door monitoring van de druk op het gas- en rempedaal. Uitdaging In het kort: Maximaal comfort bereiken door het gebruik van softwaregebaseerde energieverdelers zonder mechanische elementen. Soepele overgangen tussen elektrisch aangedreven, hybride en met een verbrandingsmotor aangedreven rijden - zonder horten en stoten en zonder plotselinge schommelingen in het koppel. Wist je dat… De aandrijfstrategie, die bepaalt wanneer en hoe de auto op elektrische stroom rijdt, is afhankelijk van de bestuurder. Bosch biedt zijn eigen strategieën aan, maar veel autoconstructeurs staan erop dit zelf te ontwerpen zodat ze de hybride op maat van hun specifieke merkfilosofie kunnen maken. Een extra CAN bus zorgt ervoor dat de hybride controle-eenheid in real time toegang heeft tot alle sensorgegevens. Bosch heeft, door het werk met conventionele aandrijvingen, al een ruime ervaring opgebouwd in de ontwikkeling van power splitting devices zonder plotselinge veranderingen in koppel. Wanneer bijvoorbeeld de verwarming van de katalytische omvormer aanslaat in een directe-injectiemotor, compenseert Motronic elk mogelijk koppelverlies. --Over Bosch De Bosch Groep is een internationaal toonaangevend technologisch bedrijf en dienstverlener. In het boekjaar 2009 realiseerden de ongeveer 275.000 medewerkers die actief zijn in de automobiel- en industriële technologie en in de sector van consumentenproducten en bouwtechnologie een omzet van 38,2 miljard EUR. De Bosch Groep bestaat onder meer uit Robert Bosch GmbH en meer dan 300 dochter- en regionale maatschappijen in meer dan 60 landen. Samen met zijn commerciële partners is Bosch in ongeveer 150 landen vertegenwoordigd. Dit wereldwijde netwerk van ontwikkelings-, productie- en distributiecentra vormt de basis voor de verdere groei. Bosch besteedt elk jaar meer dan 3,5 miljard EUR of 8% van zijn omzet aan onderzoek en ontwikkeling en laat ruim 3.800 patenten registreren. Bosch bevordert met al zijn producten en diensten de levenskwaliteit van mensen door middel van innovatieve en nuttige oplossingen. De onderneming werd in 1886 door Robert Bosch (1861-1942) in Stuttgart opgericht als “Werkplaats voor fijne mechaniek en elektrotechniek”. De juridische structuur van de Bosch Groep garandeert de financiële onafhankelijkheid en de bedrijfsautonomie. Hierdoor krijgt de onderneming de mogelijkheid om te investeren in de belangrijkste activiteiten die de toekomst van het bedrijf moeten veiligstellen. 92% van de aandelen van Robert Bosch GmbH is in handen van de Robert Bosch Stiftung GmbH, die het algemeen nut nastreeft. De meerderheid van de stemrechten ligt bij de Robert Bosch Industrietreuhand KG. Die vervult de Page 8 of 9

ondernemingsfuncties. De overige aandelen zijn in handen van de familie Bosch en Robert Bosch GmbH. Meer informatie vindt u op www.bosch.com. Voor alle verdere informatie:

Peter De Troch NV Robert Bosch SA T: +32 2 525 53 46 [email protected] Leen Van Parys Outsource Communications T: +32 2 451 00 04 [email protected]

Page 9 of 9