Automotive Center of Expertise. Concept. BMW C 650 GT Plug-in Hybrid

Transcriptie

1 Automotive Center of Expertise Concept BMW C 650 GT Plug-in Hybrid Noud Strous & Wilco van Harselaar 3 oktober 2013

2 Inhoudsopgave Inhoudsopgave 1 Conceptkeuze Hybride vormen Serie hybride Parallel hybride Gemengde hybride Belangrijke eisen Kostprijs Ontwikkelingstijd Gewicht Efficiëntie Keuzematrix Toelichting conceptkeuze Dimensionering Aannames Constanten Variabelen Berekeningen Actieradius Topsnelheid Acceleratie Benodigde dimensies Packaging Systeem overzicht en plaatsing componenten Afbeeldingen ter verduidelijking... 9 Automotive Center of Expertise 1 Hybrid and electic drivelines

3 Conceptkeuze 1 Conceptkeuze In de huidige aandrijflijnen van de auto s is een trend te zien. Deze trend is het zuiniger maken van de motoren en ook de uitlaatgassen schoner te maken. Dit wordt gedaan door te downsizen met de motoren, maar ook door gebruik te maken van hybridetechnologie. Hier zal een concept worden uitgewerkt voor een voertuig war een hybride aandrijflijn wordt geïmplementeerd. 1.1 Hybride vormen Op het gebied van hybridetechnologie zijn er verschillende uitvoeringsvormen, welke dan ook uitgelegd zullen worden Serie hybride Het geleverde vermogen door de verbrandingsmotor wordt compleet omgezet in elektrisch vermogen door de generator en opgeslagen in het accupakket, hierdoor is er geen mechanische verbinding tussen de motor en de wielen. Het voertuig wordt dus altijd elektrisch aangedreven door de elektromotor welke zijn elektrisch vermogen uit het accupakket haalt. Dit maakt zuiver elektrisch rijden mogelijk mits er genoeg energie voorradig is in het accupakket. Figuur 1: Serie en parallel hybride Parallel hybride De verbrandingsmotor en de elektromotor zijn verbonden met de aandrijflijn. De elektromotor haalt zijn energie uit het accupakket en deze wordt gevoed vanuit de verbrandingsmotor of vanuit de remenergie. In dit geval wordt de elektromotor als generator gebruikt. Hierdoor is zuiver elektrisch rijden mogelijk. Automotive Center of Expertise 2 Hybrid and electic drivelines

4 Conceptkeuze Gemengde hybride Het geleverde vermogen door de verbrandingsmotor kan gedeeltelijk omgezet worden in elektrische energie en gedeeltelijk gebruikt voor de aandrijving van het voertuig. Bij deze hybride vorm kan het voertuig volledig elektrisch rijden, volledig op de verbrandingsmotor rijden en gecombineerd waarbij het toerentallen van de verbrandingsmotor variabel is. Figuur 2: Gemengde hybride 1.2 Belangrijke eisen De belangrijkste eisen zijn te vinden in de keuzematrix. In deze keuzematrix is ook een weging toegekend aan deze eisen, om een eenduidig verschil te geven in relevantie. Deze eisen volgen uit het pakket van eisen Kostprijs De belangrijkste eis is de kostprijs, dit omdat het voertuig een relatief lage aanschafprijs heeft. Door deze lage aanschafprijs moet er gekeken worden naar een aandrijflijn die deze prijs niet astronomisch hoger maakt, maar een verhoging van maximaal 2000 euro is aanvaardbaar Ontwikkelingstijd De een na belangrijkste eis is de ontwikkelingstijd. In deze tijd waar de innovatie erg snel gaat wil men voorop lopen in de techniek, om dit te kunnen doen moet er binnen korte tijd een product zijn wat technisch goed is. Verder kan er zo binnen korte tijd geld verdiend worden Gewicht Doordat het voertuig een laag eigengewicht heeft is het belangrijk om dit te handhaven. Een te hoog gewicht zal de prestaties, rijeigenschappen en de veiligheid negatief beïnvloeden Efficiëntie Bij het ombouwen van een voertuig naar een hybride systeem is het belangrijk dat de efficiëntie omhoog gaat. Lager verbruik en een lager uitstoot. Maar ook de bruikbaarheid van het voertuig, zoals vol elektrisch in de stad en tijdens een lange rit extra kilometers op één tank brandstof. Automotive Center of Expertise 3 Hybrid and electic drivelines

5 Maximale score Combinatie hybride Parallel hybride Serie hybride BMW C 650 GT Plug-in Hybrid Dimensionering 1.3 Keuzematrix Eisen Weging Kostprijs Ontwikkelingstijd Gewicht Efficiëntie Score Tabel 1: Keuzematrix 1.4 Toelichting conceptkeuze Omdat de kosten de belangrijkste eisen zijn is er gekeken naar een makkelijk te implementeren hybride systeem. Dit is de parallel hybride, doordat deze het makkelijkst is te implementeren heeft deze de hoogste score gekregen, wat belangrijk is voor het eindresultaat vanwege de zware weging. Verder scoort de parallel hybride ook goed bij de ontwikkelingstijd, dit ook omdat deze hybride vorm makkelijk is te implementeren in een voertuig zonder al te veel aanpassingen. Ook zal het gewicht niet sterk toenemen met deze hybride vorm. Echter zal de efficiëntie bij andere hybride vormen beter zijn dan bij de parallel hybride. Naast de parallel hybride blijven de serie en de combinatie hybride achter op het gebied van kostprijs en ontwikkelingstijd, waardoor deze te weinig punten scoren om interessant te zijn voor het voertuig. Door de scores bij elkaar op te tellen valt te zien dat een parallel hybride systeem de uitkomst is voor dit voertuig, wat vanwege de geringe maten en gewichten van het voertuig ook daadwerkelijk de uitkomst zal zijn, doordat het makkelijk is te implementeren in het voertuig. 2 Dimensionering In Hoofdstuk 1: Conceptkeuze is duidelijk geworden dat het voertuig een parallel hybride aandrijving krijgt. In dit hoofdstuk zullen de componenten aan de hand van het Pakket van Eisen gedimensioneerd worden. Als de dimensies van de componenten bekend zijn kan de packaging uit worden gewerkt. In deze fase van het project zal de packaging grof worden bepaald in Hoofdstuk 3: Packaging. 2.1 Aannames Voor de berekeningen wordt gebruik gemaakt van een aantal constanten en aannames. In deze paragraaf worden eerst de aannames toegelicht waarna in de volgende twee paragraven een overzicht van alle constanten en een overzicht van de variabelen volgen. Automotive Center of Expertise 4 Hybrid and electic drivelines

6 Dimensionering Voor de verhoudingen tussen de energie en vermogens dichtheden van de accu zijn twee factoren aangenomen. De energie dichtheid van een Lithium-ion accu is 160 [Wh/kg], met de factor 3 voor het continue vermogen volgt hieruit een continue vermogensdichtheid van 480 [W/kg] en met de factor 8 volgt een piekvermogensdichtheid van 1280 [W/kg]. Voor het rendement van de elektrische machine is net als voor het rendement van de converter/inverter 95% aangenomen. De transmissie van de motorscooter zal een lager rendement hebben, hiervoor is om die reden 90% aangenomen. Naast de accu voegen ook de elektrische machine, converter/inverter en bekabeling gewicht toe. Om dit gewicht niet te verwaarlozen is hier 8 kilogram voor aangenomen. Voor de elektrische machine wordt aangenomen dat deze net als de accu kortstondig een piekvermogen van 8/3 keer het continue vermogen aankan. Het piekvermogen wordt maximaal 15 seconden geleverd om de componenten te ontzien. Met deze aanname kan de elektrische machine op zijn contante vermogen worden gedimensioneerd. Om het benodigde maximale vermogen voor de acceleratie te bepalen wordt aangenomen dat het benodigde maximale vermogen twee keer het benodigde gemiddelde vermogen voor acceleratie is. Om het frontaal oppervlak van de scooter te bepalen is de opgegeven hoogte vermenigvuldigd met de breedte van de scooter zonder de spiegels. In Figuur 3 is te zien dat op deze manier het werkelijke frontaal oppervlak dicht wordt benaderd. De Cw waarde van de motorscooter wordt niet opgegeven, er is daarom een waarde aangenomen die iets hoger is als de gemiddelde Cw waarde van een motorfiets. Sport motoren zullen namelijk een lagere Cw waarde hebben en bijvoorbeeld allroad motorfietsen een hogere Cw waarde. Figuur 3: vooraanzicht C 650 GT Automotive Center of Expertise 5 Hybrid and electic drivelines

7 Dimensionering 2.2 Constanten Tabel 2 geeft een overzicht van de constanten die bij de berekeningen worden gebruikt. In de vorige paragraaf zijn de aangenomen waardes van bepaalde contanten toegelicht. Constante Symbool Waarde Eenheid Rolweerstand coëfficiënt f rol 0,007 [-] Dichtheid van lucht ρ lucht 1,27 [kg/m 3 ] Frontaal oppervlak van de scooter A f 1,16 [m 3 ] Lucht weerstand coëfficiënt Cw 0,9 [-] Gravitatieversnelling g 9,81 [m/s 2 ] Massa rijklaar voertuig m v 241 [kg] Massa bestuurder m b 80 [kg] Massa systeem zonder accu m s 8 [kg] Rendement elektrische machine ɳ EM 0,95 [-] Rendement converter/inverter ɳ CI 0,95 [-] Rendement transmissie ɳ T 0,90 [-] Maximale ontlading accu D od 0,80 [-] Energiedichtheid accu w a 160 [Wh/kg] Continue vermogensdichtheid accu S c 480 [W/kg] Piekvermogensdichtheid accu S p 1280 [W/kg] Tabel 2: constanten 2.3 Variabelen In Tabel 3 staan de variabelen die gebruikt worden of uit de berekeningen komen met de symbolen en eenheden. Variabele Symbool Eenheid Snelheid v [m/s] Tijd t [s] Afstand s [m] Vermogen P [kw] Gemiddeld vermogen P gem [kw] Maximaal vermogen P max [kw] Energie E [W] Massa accu m a [kg] Energie inhoud accu E a [kwh] Continu vermogen accu P ca [kw] Piekvermogen accu P pa [kw] Continu vermogen elektrische machine P EM [kw] Tabel 3: variabelen 2.4 Berekeningen Het Pakket van Eisen is er op gericht dat de motorscooter in de stad volledig elektrisch kan worden gebruikt. Dit leidt er toe dat de eisen aan de prestaties van het voertuig wanneer het vermogen volledig elektrisch wordt geleverd de zwaarste eisen zijn. Deze eisen bepalen de dimensies van de hybride aandrijflijn. In de volgende subparagrafen worden de benodigde dimensies per eis berekend. Uit deze berekening zal blijken welke eis het zwaarst is en de dimensies dus bepaald. In paragraaf Automotive Center of Expertise 6 Hybrid and electic drivelines

8 Dimensionering Fout! Verwijzingsbron niet gevonden. worden de uitkomsten samengevat en de dimensies van de hybride aandrijflijn vastgelegd Actieradius In het Pakket van Eisen is vastgelegd dat de motorscooter puur elektrisch 20 kilometer ver moet kunnen komen bij een snelheid van 40 kilometer per uur. Met de volgende berekening worden de benodigde massa en energie inhoud van de accu bepaald om aan deze eis te voldoen: ( ( ) ) ( ( ) ( ) ) Topsnelheid Op puur elektrisch vermogen moet de motorscooter een topsnelheid van 55 kilometer per uur kunnen halen. Het voertuig moet uiteraard zonder problemen zijn elektrische topsnelheid kunnen rijden tot de accu s leeg zijn. Dit betekend dat accu het benodigde vermogen om de topsnelheid te rijden continu moet kunnen leveren. Uit de volgende berekening volgt de benodigde massa en continu vermogen van de accu om aan deze eis te voldoen: ( ( ) ) ( ( ) ( ) ) ( ) Acceleratie Met de volgende twee vergelijkingen kan het benodigde gemiddelde vermogen om vanuit stilstand een bepaalde snelheid te halen in een bepaalde tijd uitgerekend worden. Automotive Center of Expertise 7 Hybrid and electic drivelines

9 Packaging Met de aanname dat het benodigde maximale vermogen twee keer zo groot is als het gemiddelde vermogen kan het benodigde maximale vermogen en massa van de accu uit worden gerekend: ( ) ( ) ( ) 2.5 Benodigde specificaties Uit de berekeningen in de vorige paragraaf blijkt dat de eis aan het accelereren met alleen elektrisch vermogen de zwaarste accu vereist. De specificaties van de accu die hier uit volgen staan in Tabel 4. Massa accu m a 10,5 [kg] Energie inhoud accu E a 1,7 [kwh] Continu vermogen accu P ca 5,0 [kw] Piekvermogen accu P pa 13,4 [kw] Tabel 4: specificaties accu Nu de specificaties van de accu bekend zijn kan ook de Elektrische Machine worden gedimensioneerd. De Elektrische Machine moet het continue vermogen van accu min het verlies in de converter/inverter continu kunnen leveren, dus: 3 Packaging Nu de dimensies van de componenten bekend zijn zal in dit hoofdstuk de packaging grof worden bepaald. In de volgende fase van het project, de engineering fase, zal de packaging uit worden gewerkt. 3.1 Systeem overzicht en plaatsing componenten In Figuur 4 is een schematisch systeem overzicht te zien van de aandrijf lijn van de BMW C 650 GT Plug-in Hybrid. In dit systeem zijn extra componenten toegevoegd aan de aandrijflijn van de conventionele aandrijflijn. In Tabel 5 staan de componenten uit het systeem overzicht en wordt de plaatsing van deze componenten benoemd. Automotive Center of Expertise 8 Hybrid and electic drivelines

10 Packaging A Brandstof Elektrisch vermogen Mechanisch vermogen BT C/I ICE K EM CK CVT EO W Figuur 4: Systeem overzicht Component Plaatsing A Accu In de buddy BT Brandstoftank Origineel, voor/onder het zadel C/I Converter/inverter In de buddy CK Centrifugaal koppeling Origineel, in de aandrijfunit CVT Continu variabele transmissie Origineel, in de aandrijfunit EM Elektrische Machine In de aandrijfunit, voor de centrifugaal koppeling EO Eindoverbrenging Origineel, in de aandrijfunit en swingarm ICE Verbrandingsmotor Origineel, in de aandrijfunit K Koppeling In de aandrijfunit, voor de elektrische machine W Wiel Origineel Tabel 5: Component plaatsing 3.2 Afbeeldingen ter verduidelijking Figuur 5 laat links een gewone foto van de BMW C 650 GT zien en rechts een doorzichtige afbeelding. In deze afbeelding is te zien dat er ruimte beschikbaar is in de buddy van de motorscooter. In Fout! Verwijzingsbron niet gevonden. is de aandrijfunit van de C 650 GT te zien. De positie van de brandstoftank is in Figuur 7 weergegeven. Figuur 5: BMW C 650 GT Automotive Center of Expertise 9 Hybrid and electic drivelines

11 Packaging Figuur 6: Aandrijfunit Figuur 7: BMW C 650 GT Automotive Center of Expertise 10 Hybrid and electic drivelines