Reader nieuwe generatie aandrijvingen 1/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Hogeschool Rotterdam
Instituut voor Engineering en Applied Science
Module AUT03 en ACE1 DT
Reader nieuwe generatie aandrijvingen Auteur: Roeland M.M. Hogt
Versie 3.13, In ontwikkeling tot hoofdstuk 5, rest nog niet definitief
22 september 2013
Voortgang: versie studiejaar 2013-2014
© 2013, Hogeschool Rotterdam
Alle rechten voorbehouden. Niets van deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een
geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of enige wijze, hetzij elektronisch,
mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke
toestemming van de Hogeschool Rotterdam
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 2/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Inhoudsopgave
1 INLEIDING ................................................................................................................................................. 5
1.1 OPBOUW VAN DEZE READER ...................................................................................................................... 6 1.2 OVERIGE DOCUMENTEN ............................................................................................................................. 7
2 KENNISONTWIKKELING EN KENNISDELING ................................................................................ 8
2.1 COMMUNITY OF PRACTICE (COP) FUTURE MOBILITY EN KENNISPORTAL EMOBILITY-LAB ....................... 8
3 INLEIDING IN ELEKTRISCHE EN HYBRIDE AANDRIJVING ....................................................... 9
3.1 HISTORIE ................................................................................................................................................... 9 3.2 TRENDS EN ONTWIKKELINGEN ................................................................................................................. 10 3.3 ELEKTRISCHE EN HYBRIDE AANDRIJVING ................................................................................................ 21
3.3.1 Basiskennis .................................................................................................................................... 21 3.3.2 Systeembeschrijving ...................................................................................................................... 25 3.3.3 Componenten ................................................................................................................................. 29 3.3.4 Voertuigen ..................................................................................................................................... 29
4 DIMENSIONERING ELEKTRISCHE EN HYBRIDE AANDRIJVING ........................................... 30
4.1 SYMBOLENLIJST ...................................................................................................................................... 30 4.2 FUNCTIONELE DECOMPOSITIE VAN DE AANDRIJVING ............................................................................... 32 4.3 AANDRIJVING MET VERBRANDINGSMOTOREN (HERHALING) ................................................................... 35
4.3.1 Basiskennis .................................................................................................................................... 35 4.3.2 Systeembeschrijving ...................................................................................................................... 36 4.3.3 Dimensionering conventionele aandrijving met verbrandingsmotor ............................................ 37
4.4 ONTWERPPROCES .................................................................................................................................... 41 4.5 DEFINITIE: PROGRAMMA VAN EISEN ........................................................................................................ 46
4.5.1 Opstellen specificaties hybride aandrijving, het kader ................................................................. 47 4.5.2 Opstellen specificaties hybride en elektrische aandrijving, vereenvoudigde toepassing .............. 54
4.6 CONCEPT: BASIS DIMENSIONERING EN PACKAGING ................................................................................. 63 4.6.1 Berekeningen ten aanzien van de prestaties .................................................................................. 63
4.6.1.1 Voertuigweerstanden ................................................................................................................................ 63 4.6.1.2 Basisvergelijkingen elektrische aandrijving.............................................................................................. 65 4.6.1.3 Basisvergelijkingen serie-hybride aandrijving .......................................................................................... 67 4.6.1.4 Basisvergelijkingen parallel-hybride aandrijving ..................................................................................... 68 4.6.1.5 Basisvergelijkingen gemengd-hybride aandrijving ................................................................................... 69 4.6.1.6 Eigenschappen van de componenten van de elektrische aandrijving ........................................................ 70 4.6.1.7 Uitvoering en resultaat .............................................................................................................................. 73
4.6.2 Berekeningen ten aanzien van TCO .............................................................................................. 79 4.6.3 Het samenstellen van de packaging, toepassing EVPT. ................................................................ 80
4.6.3.1 Werkwijze ................................................................................................................................................. 82 4.7 ENGINEERING: DETAIL DIMENSIONERING EN UITWERKING AANDRIJVING ............................................... 86
4.7.1 Dimensionering hybride aandrijving met verbrandingsmotor ...................................................... 86 4.7.1.1 Werkwijze voor dimensionering hybride aandrijving ............................................................................... 86 4.7.1.2 Toepassing dimensionering hybride aandrijving ...................................................................................... 90
4.7.1.2.1 Seriehybride ................................................................................................................................... 92 4.7.1.2.2 Parallelhybride ............................................................................................................................... 94
4.7.1.3 Toepassing dimensionering plug-in hybride aandrijving .......................................................................... 95 4.7.2 Dimensionering hybride aandrijving met brandstofcel ................................................................. 99 4.7.3 Dimensionering zuiver elektrische aandrijving ............................................................................. 99
4.8 VOORBEELDVOERTUIGEN TEN AANZIEN VAN DE DIMENSIONERING ....................................................... 100 4.8.1 ESCBO, Elektrische Burton ........................................................................................................ 101 4.8.2 Tesla Roadster ............................................................................................................................. 102 4.8.3 Toyota Prius standaard ............................................................................................................... 103 4.8.4 Toyota Prius Plug in ................................................................................................................... 104 4.8.5 Opel Ampera ............................................................................................................................... 105
4.9 PLANETAIRE STELSELS IN HYBRIDE AANDRIJVINGEN ............................................................................. 106 4.9.1 Planetaire stelsels, basis ............................................................................................................. 106 4.9.2 Planetaire stelsels, berekening overbrengingsverhoudingen ...................................................... 110
4.9.2.1 Enkel aangedreven planetaire stelsels ..................................................................................................... 110
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 3/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.9.2.2 Dubbel aangedreven planetaire stelsels .................................................................................................. 113 4.9.2.3 Negatieve vermogensvertakking ............................................................................................................. 117
4.9.3 Planetaire stelsels, berekening vermogensstromen ..................................................................... 121 4.9.4 Toepassingen in elektrische en hybride voertuigen ..................................................................... 125
4.10 VALIDATIE: SIMULATIE EN DETAILLERING .................................................................................... 130
5 COMPONENTEN IN AANDRIJFLIJNEN, TECHNOLOGIE EN DIMENSIONERING .............. 131
5.1 ENERGIEBRON NAAR ENERGIEDRAGER .................................................................................................. 131 5.1.1 Fossiele brandstoffen .................................................................................................................. 131 5.1.2 Bio-brandstoffen .......................................................................................................................... 131 5.1.3 Groene energiebronnen ............................................................................................................... 131
5.1.3.1 Windenergie............................................................................................................................................ 131 5.1.3.2 Zonneenergie .......................................................................................................................................... 131
5.1.3.2.1 Omzetting met zonnecellen naar elektrisch vermogen ................................................................. 131 5.1.3.2.2 Omzetting met warmte naar mechanisch vermogen ..................................................................... 131
5.1.3.3 Waterkracht energie ................................................................................................................................ 131 5.1.3.4 Energie uit aardwarmte ........................................................................................................................... 131
5.1.4 Energiedragers ............................................................................................................................ 132 5.1.4.1 Elektrisch ................................................................................................................................................ 133
5.1.4.1.1 Batterij’s ....................................................................................................................................... 133 5.1.4.1.2 Condensatoren .............................................................................................................................. 139 5.1.4.1.3 Vermogenselektronica .................................................................................................................. 141
5.1.4.2 Mechanisch ............................................................................................................................................. 141 5.1.4.2.1 Vliegwiel ...................................................................................................................................... 141 5.1.4.2.2 Hydraulische en pneumatische batterijmulator ............................................................................ 143
5.1.4.3 Chemisch ................................................................................................................................................ 143 5.1.4.3.1 Waterstof ...................................................................................................................................... 143
5.2 ENERGIEDRAGER NAAR WIEL................................................................................................................. 146 5.2.1 Verbrandingsmotoren .................................................................................................................. 146 5.2.2 Brandstofcellen ........................................................................................................................... 146
5.2.2.1 Typen brandstofcellen ............................................................................................................................ 148 5.2.2.2 Eigenschappen ........................................................................................................................................ 149 5.2.2.3 Dimensionering ...................................................................................................................................... 153
5.2.3 Elektromotoren ............................................................................................................................ 158
6 SYSTEEMOPTIMALISATIE................................................................................................................ 159
6.1 PAKKET VAN EISEN: FUNCTIE EN RANDVOORWAARDEN ........................................................................ 159 6.2 ZUIVER ELEKTRISCHE AANDRIJVING ...................................................................................................... 159 6.3 HYBRIDEN MET VERBRANDINGSMOTOR................................................................................................. 160 6.4 HYBRIDEN MET BRANDSTOFCEL ............................................................................................................ 183 6.5 PLUG IN HYBRIDEN ............................................................................................................................... 183
7 VOORBEELDVOERTUIGEN .............................................................................................................. 183
7.1 OPTIMALISATIE VAN BESTAANDE SYSTEMEN......................................................................................... 183 7.2 HYBRIDEN ............................................................................................................................................. 183 7.3 ELEKTRISCHE VOERTUIGEN ................................................................................................................... 183 7.4 WATERSTOFVOERTUIGEN ...................................................................................................................... 184 7.5 SPECIFIEKE VOERTUIGCATEGORIEËN ..................................................................................................... 184
7.5.1 Bedrijfswagens ............................................................................................................................ 184 7.5.2 Bussen ......................................................................................................................................... 184 7.5.3 Racewagens ................................................................................................................................. 184
7.5.3.1 Formula Zero .......................................................................................................................................... 184 7.5.3.2 Formule 1 ................................................................................................................................................ 184
7.6 HOGESCHOOL ROTTERDAM ................................................................................................................... 184 7.6.1 Shell Ecomarathon ...................................................................................................................... 184 7.6.2 Open Source Green Vehicle ........................................................................................................ 184 7.6.3 Biobrandstoffen ........................................................................................................................... 184 7.6.4 Deelname in Rotterdam Climate Initiative .................................................................................. 184
8 MARKTONTWIKKELING IN VOERTUIGEN ................................................................................. 185
8.1 BASIS KOSTPRIJS .................................................................................................................................... 185 8.2 MARKTPRIJS .......................................................................................................................................... 191
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 4/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
8.3 BEÏNVLOEDING MARKTPRIJS DOOR SUBSIDIES EN BELASTINGEN ........................................................... 191
9 LITERATUUR IN DE MEDIATHEEK ................................................................................................ 192
10 REFERENTIES EN INTERESSANTE WEBSITES ........................................................................... 193
11 BIJLAGEN ............................................................................................................................................... 196
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 5/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
1 Inleiding
De belangrijkste globale trends in de internationale ontwikkelingen in de autotechniek zijn:
Intelligente voertuigen
Lichtgewicht construeren
Hybride aandrijvingen, (brandstofcel, elektrisch)
Deze reader richt zich op de derde stroom: de nieuwe generatie aandrijvingen.
Met als voorlopers auto’s als de Toyota Prius zal zet de hybridisering zich verder door.
Micro, mild en full hybrids, plug in hybriden en zuiver elektrisch aangedreven voertuigen.
Op termijn zullen ook brandstofcellen worden toegepast.
De mogelijkheden van de nieuwe generatie aandrijflijnen leiden tot een omvangrijke
mondiale kennisontwikkeling. Niet alleen de bestaande autofabrikanten maar vooral ook
nieuwe fabrikanten, onderzoeksinstituten en toeleveranciers onderkennen de marktwaarde van
deze ontwikkeling.
We definiëren transitie naar duurzame mobiliteit (zie Figuur 1.1) vanuit :
Energie:
Welke (groene) alternatieven zijn beschikbaar voor fossiele energiebronnen en hoe
verloopt de keten van well-to-wheel (bronvermogen naar vermogen aan de wielen).
Per stap is met name het rendement van de energieomzetting van belang
Produkt:
Hoe kan vanuit het denken in de relatie tussen ‘consumer performance’, ‘company
performance’ en ‘environmental performance’ een alternatief programma van eisen
gedefinieerd worden die leidt tot een lager energieverbruik per eenheid van afstand.
Denk aan lichtere voertuigen, maar ook aan een functionaliteit die beter aansluit op de
daadwerkelijke toepassing van het voertuig.
Kennis:
Kennis ontstaat vanuit nieuwsgierigheid, vervolgens beschikbaarheid, bundeling en de
verantwoordelijkheid om deze toe te passen.
Het schema moet gelezen worden van rechtsboven naar linksonder.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 6/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Ook vanuit de opleiding Autotechniek geven we invulling aan de nieuwe aandrijvingen
middels cursussen en projecten.
Knelpunt blijkt hierbij enerzijds het borgen van de kennis en anderzijds en circuleren van de
kennis. Met deze reader willen we dit knelpunt oplossen.
De reader is samengesteld op basis van collegestof, resultaten uit studentenprojecten, vele
(inter)nationale literatuurbronnen en ontwikkelingen van de auteur.
1.1 Opbouw van deze reader
Hoofdstuk 2 plaatst deze reader in het kader van kennisontwikkeling en kennisdeling. Met
andere woorden: deze reader is samengesteld uit een aantal bronnen en verbindt zichzelf ook
weer met meerdere toepassingen. Het Community of Practice wordt hierbij als drager
gebruikt.
Hoofdstuk 3 heeft een inleiding in de elektrische en hybride aandrijving: het kader (trends en
ontwikkelingen) en de uitwerking in de concepten van EV en (P)HEV.
Vanuit deze basiskennis wordt de dimensionering uitgewerkt in hoofdstuk 4. Hierbij wordt
het ontwerpproces gehanteerd: van definitie tot en met validatie. Naast basiskennis levert dit
hoofdstuk ook handvatten voor de dimensionering van de componenten van de aandrijflijn
vanuit de gewenste voertuigprestaties.
Figuur 1.1: Definitie transitie naar duurzame mobiliteit [ 25]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 7/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Hoofdstuk 5 gaat hier op door met een verdieping naar de werking van de componenten en
dimensionering ervan.
Hoofdstuk 6 behandelt de complexere systeemoptimalisatie ten aanzien van de ritcyclus.
Voorbeeldvoertuigen volgen vervolgens in hoofdstuk 7; marktontwikkeling in hoofdstuk 8 en
een overzicht van literatuur in de mediatheek in hoofdstuk 9.
NB: Hoofdstuk 5 tot en met 8 hoop ik later te schrijven
1.2 Overige documenten
Zie referenties en bijlagen
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 8/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
2 Kennisontwikkeling en kennisdeling
Over duurzame mobiliteit en de daarbij horende aandrijflijnen is heel veel documentatie
beschikbaar. Een selectie van deze documentatie vormt de basis van deze reader. Hierbij
wordt de verbinding gelegd met methoden en technieken bij de conventionele aandrijving.
2.1 Community of Practice (CoP) Future mobility en kennisportal eMobility-Lab
Als drager voor de kennisontwikkeling heeft de Hogeschool Rotterdam het Community of
Practice (CoP) Future mobility ontwikkeld.
Dit CoP is een wiki-achtige omgeving waarin men google wise kan zoeken.
Het CoP benadert alle aspecten van duurzame mobiliteit. Het onderstaande beeld geeft een
overzicht van de opbouw van het CoP.
In het kennisportal eMobility lab is de kennis gebundeld rondom de volgende thema's van
elektrische mobiliteit:
Veiligheid
Regeneratief remmen
Kosten
Onderhoud
Gebruikersacceptatie
URLs:
www.confluence.hro.nl
o Ga naar het CoP Future Mobility, of
Een verwijzing wordt aangeven met [COP_FM;zoekterm]
o Ga naar RDM eMobility-Lab
Een verwijzing wordt aangeven met [eMobLab;zoekterm]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 9/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
3 Inleiding in elektrische en hybride aandrijving
Dit hoofdstuk geeft een inleiding in de elektrische en hybride aandrijving en behandelt hierbij
de historie, de trends en ontwikkelingen de basiskennis van elektrisch en hybride aandrijving.
3.1 Historie
[eMobLab;history]
History of the Electric Vehicle
Electric motive power started with a small drifter operated by a miniature electric
motor, built by Thomas Davenport in 1835. In 1838, a Scotsman named Robert
Davidson built an electric locomotive that attained a speed of four miles per hour (6
km/h). In England a patent was granted in 1840 for the use of rails as conductors of
electric current, and similar American patents were issued to Lilley and Colton in
1847.
Between 1832 and 1839 (the exact year is uncertain), Robert Anderson of Scotland
invented the first crude electric carriage, powered by non-rechargeable primary cells.
By the 20th century, electric cars and rail transport were commonplace, with
commercial electric automobiles having the majority of the market. `over time their
general-purpose commercial use reduced to specialist roles, platform trucks, forklift
trucks, tow tractors and urban delivery vehicles, such as the iconic British milk float;
for most of the 20th century, the UK was the world’s largest user of electric road
vehicles.
Electrified trains were used for coal transport, as the motors did not use precious
oxygen in the mines. Switzerland’s lack of natural fossil resources forced the rapid
electrification of ther rail network. One of the earliest rechargeable batteries – the
nickel-iron battery – was favoured by Edison for use in electric cars.
Electric vehicles were among the earliest automobiles, and before the pre-eminence of
light, powerful internal combustion engines, electric automobiles held many vehicle
land speed and distance records in the early 1900s. They were produced by Baker
Electric, Columbia Electric, Detroit Electric, and others, and at one point in history
out-sold gasoline-powered vehicles.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 10/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
3.2 Trends en ontwikkelingen
Tot omstreeks het jaar 2000 was de aandrijving van de voertuigen eenvoudig in te delen in de
groep met een conventionele wisselbak, een groep met een automatische wisselbak en een
kleine groep met CVT (Continu Variabele Transmissie). Alle voertuigen werden aangedreven
met een verbrandingsmotor.
In de periode vanaf 2000 zien we een toename van het aantal voertuigen met CVT en komen
met AMT (Automated Manual Transmissions; sequentiele wisselbakken) en DSG (Direct
Shift Gearbox) uitgeruste voertuigen op de markt. Daarnaast worden de eerste hybride
aandrijflijnen geïntroduceerd. Zie Figuur 3.2.
Figuur 3.1: Hybriden zijn niet nieuw, alleen opnieuw uitgevonden [eMobLab;history]
The Lohner-Porsche Mixte Hybrid; Produced in:1900
Description
Hybrid car with 4 inwheel engines. Eacht internal-pole electric motor was caple of 2.5 hp (1.0kW)
to 3.5 hp (2.6 kW) peaking to 7 hp (5.2 kW) for short bursts.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 11/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Met de kansen die dit biedt voor het verhogen van de prestaties bij een reductie van het
brandstofverbruik zet de trend zich voort. CVT’s worden geoptimaliseerd (dus toename
rendement) en het aantal versnellingen in de overige transmissies neemt toe (tot 6, 7 of 8
versnellingen). Dit geldt niet voor de handgeschakelde wisselbak; deze wordt met maximaal 6
versnellingen uitgerust.
De algemene trend hierbij is dat het aantal handgeschakelde aandrijflijnen afneemt. Zie
Figuur 3.3.
Figuur 3.2: Voorbeelden van transmissies in de autotechniek [ 9]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 12/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De auto-industrie is een sterk marktgedreven industrie. Veranderingen vragen grote
investeringen en de marges op deze investeringen zijn klein. Daarnaast zijn de eisen aan
zowel de produktkwaliteit en duurzaamheid erg hoog.
Om deze reden is de autoindustrie conservatief in het op de markt brengen van nieuwe
technologiën. In een tijd van transitie naar duurzame mobiliteit en de verlaging van de CO2
uitstoot lopen de scenario’s voor wat betreft de introductie van zuinige voertuigen voor de
autoindustrie en de overheden 10 jaar uiteen.
Het is zeer onwaarschijnlijk dat de doelstellingen vanuit de EU gehaald gaan worden. Zie
onderstaand Figuur 3.4.
Figuur 3.3: Toekomstige mix van transmissies in de autotechniek [ 9]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 13/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Ten gevolge van de economische crisis en de toenemende prijs van ruwe olie heeft de auto
industrie het moeilijk. De marktvraag neemt af en in die zin is het de wal die het schip keert.
Evenzo geldt dat de consument zich maar zeer beperkt laat leiden door milieudoelstellingen.
Doordat milieudoelstellingen van de overheden nu samen vallen met de marktdoelstellingen
van de auto-industrie is er een kans dat de marktintroductie van zuiniger voertuigen een extra
impuls krijgt. Men verwacht dat dit geleidelijk zal leiden naar een transitie naar elektrisch
aangedreven voertuigen. De tussenvorm –hybriden- zijn hiervan de voorloper. Deze zullen
vervolgens met uitbreiding van de batterijcapacititeit van plug in naar min of meer volledig
elektrisch evolueren. Parallel daaraan zullen de nieuwe generatie biobrandstoffen en waterstof
als energiedrager opkomen. Deze transitie zal zich uitspreiden over meerdere deccenia. Zie
Figuur 3.5 en Figuur 3.6.
Figuur 3.4: Evolutie en doelstelling van de van de nieuw geproduceerde
personenauto’s van de de Europese fabrikanten (ACEA) [ 9]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 14/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 3.6: Schatting van de verdeling van diverse typen aandrijving in de komende
decennia. [ 8]
Figuur 3.5: Schatting van de termijn van marktintroductie voor innovaties in de
aandrijving van voertuigen [ 10]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 15/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Samenvattend kunnen we stellen dat de belangrijkste trend de diversificatie van de
aandrijving is. Zie Figuur 3.7.
Een andere ontwikkeling is die van de alternatieve brandstoffen naast de brandstoffen uit
aardolie. Zie Figuur 3.8. In deze figuur is de lijn aangegeven van de energiebron naar de
energiedrager in het voertuig. Deze energiedrager, de brandstof, kan vervolgens in
verbrandingsmotoren worden omgezet naar mechanisch vermogen en met brandstofcellen
worden omgezet zet naar elektrisch vermogen.
Energie uit biomassa, wind, zon, water en aardwarmte allen onder de categorie duurzame
energiebronnen. Figuur 3.9 geeft het potentieel hiervan weer in relatie tot de vraag per
inwoner in de diverse regio’s. Hieruit wordt duidelijk dat met name de regio’s Europa en Azië
afahnkelijk zijn van de duurzame energie die elders wordt opgewekt.
Figuur 3.7: Diversificatie van aandrijflijnen [ 7]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 16/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
.
Figuur 3.9: Schatting potentieel duurzame energiebronnen [ 8]
Figuur 3.8: Brandstofketens [ 8]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 17/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Voor de toepassing in de autotechniek wordt onderscheid tussen ottomotoren, dieselmotoren,
brandstofcellen, brandstofcellen+reformer en elektromotoren. De relatie tussen de
toepassingen en energiedragers wordt in Figuur 3.10 weergegeven. F-T Diesel is een
synthetische diesel waarbij de koolwaterstofverbinding wordt samengesteld uit de reactie van
waterstof en koolmonoxide.
Over wat de toekomst is wordt veel geschreven en gediscussieerd. Criteria die de keuze
bepalen zijn onder andere de CO2 uitstoot, de uitstoot van schadelijke gassen en fijnstof, de
kostprijs van de systemen (de componenten) en de systemen in bedrijf (dus de
brandstof+ketenrendement). In [ 1] is hierbij onderscheid gemaakt tussen
Ontwerpdoelstellingen (verbruik, emissie, prestaties) en Ontwerpparameters (afmetingen,
layout, technologie en regeling). Zie Figuur 3.11.
Figuur 3.11: Samenstelling van ontwerpdoelstelling en ontwerpparameters [ 1]
Figuur 3.10: Combinaties energiedrager en energie-omzetters [ 8]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 18/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Het ketenrendement geeft met weer door de zogenaamde well to wheel keten. In Figuur 3.12
is deze weergegeven in de vergelijking van zuiver elektrische aandrijving en aandrijving met
een brandstofcel. Op dat punt scoort de elektrische aandrijving beter. Op de actieradius is dat
nu nog andersom. Zie Figuur 3.13. Hierin is naast de huidige stand der ontwikkeling ook
aangegeven waar de ontwikkeling naar toe gaat voor wat betreft actieradius, laadtijd, kosten
en emissie. Met name de snelheid van de ontwikkeling zal bepalen welke technologie het
grootste marktaandeel zal krijgen. Waarbij aangetekend moet worden dat de komende
decennia we eerst zullen divergeren naar meer varianten. Het convergeren naar bijvoorbeeld
zuiver elektrisch voor alle voertuigen zal niet voor 2040-2050 plaatsvinden.
Het is overigens wel aannemelijk dat de transitie zal plaatsvinden vanuit de stedelijke regio’s,
omdat daar de luchtkwaliteit nu al een knelpunt is.
In de cursus Smart Energy hebben studenten road-maps ontwikkeld voor deze transitie. Een
voorbeeld hiervan is gegeven in Figuur 3.14.
Figuur 3.13: Actieradius, snelladen, kosten en emissie van diverse aandrijvingen [ 20]
Figuur 3.12: Well to wheel efficiency bij toepassing van brandstofcellen en zuiver
elektrische aandrijving [ 21]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 19/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Een andere weergave is die in Figuur 3.15.
Hier is, voor het C-segment personenauto’s (middenklasse), de Tank to Wheel emissie van
CO2 uitgezet tegen de NOx emissie. Dieselmotoren scoren op het laatste slechter terwijl de
CO2 uitstoot lager is. De Prius Hybride komt al een stuk gunstiger uit en wordt door
toepassing van de Plug-in technologie nog schoner waarbij de mate waarin dit gerealiseerd
wordt bepaald wordt door de afstand die de Plug-In Hybride zuiver elektrisch kan afleggen.
Figuur 3.14: Voorbeeld Roadmap transitie naar duurzame mobiliteit [ 26]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 20/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De transitie naar elektrische mobiliteit is onderzocht door Ernst&Young. Zie Figuur 3.16
Figuur 3.16: Transitie naar elektrische mobiliteit [CoPFM; Elektrische mobiliteit in 2020]
Figuur 3.15: Toepassing plug in hybriden, effecten op CO2 en Nox emissie [ 23]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 21/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
3.3 Elektrische en hybride aandrijving
In deze paragraaf worden elektrische en hybride aandrijving samen behandeld vanuit het
oogpunt van de hybride aandrijving om de reden dat de EV een vereenvoudiging is van de
HEV.
3.3.1 Basiskennis
Wat is het?
Indien gesproken wordt over een hybride aandrijving dan heeft de betrekking op combinatie
van verschillende typen vermogensbronnen. Bekende hybride toepassingen zijn:
Verbrandingsmotor met elektromotor
Gasturbine met elektromotor
Brandstofcel met elektromotor
In de genoemde toepassingen is sprake van een seriehybride wanneer de volgende stappen
worden doorlopen:
Stap 1: Opwekken van elektrische energie
Stap 2: Opslaan van de energie in een buffer
Stap 3: Omzetten van de elektrische energie naar aandrijvend vermogen
In combinatie met verbrandingsmotoren worden ook parallelle en gemengde/combinatie
hybride systemen toegepast, waarbij afhankelijk van het gebruiksgebied ook gebruik gemaakt
kan worden van een directe mechanische aandrijving zonder tussenkomst van een
elektromotor.
Figuur 3.17: Vormen van elektrische aandrijving [..]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 22/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Waar wordt het toegepast?
Vrijwel alle autofabrikanten leveren inmiddels hybriden. Voor een overzicht zie:
[CoPFM;hybride auto]
Hoe werkt het?
We hanteren de classificatie voor HEV (Hybrid Electric Vehicle):
Micro hybrid
Mild hybrid
Full hybrid
Een micro hybrid heeft alleen een start stop systeem en een beperkte regeneratie van
remenergie. Bij een full hybrid bestaat de mogelijkheid om zuiver elektrisch te rijden.
Indien de energie voor het zuiver elektrisch rijden extern wordt geleverd vanuit het
elektriciteitsnet spreken we over een plug in hybrid (PHEV (Plug-in Hybrid Electric
Vehicle)). De plug in hybrid vormt de verbindende schakel tussen zuiver elektrisch rijden
(met een beperkte actieradius) en hybride rijden (met een ruime actieradius).
Figuur 3.18: Groeicijfers, verkoop hybride voertuigen in Europa [CoPFM; HTAS
visie]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 23/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Hoe ziet het eruit?
Figuur 3.20: Algemene werking hybride aandrijving [ 1]
Figuur 3.19: Hybride aandrijving, classificatie en specificatie [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 24/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De bekendste toepassing nu is de Toyota Prius, zie Figuur 3.21. De aandrijving is dwars
geplaatst voorin de auto. de vooras wordt aangedreven
Figuur 3.22: Toyota Hybrid System, Energiestromen [CoPFM; HTAS visie]
Figuur 3.21: Toyota Hybrid System, samengesteld [ 19]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 25/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
3.3.2 Systeembeschrijving
Voor de systeembeschrijving wordt de benadering uit een promotie onderzoek aan de TU
Eindhoven overgenomen: Framework for combined control and design optimisation of hybrid
vehicle propulsion systems. Zie [ 1] en [CoPFM; HTAS visie]
Het systeem bestaat hierbij uit de volgende subsystemen (Figuur 3.23):
Het voertuig (vehicle)
De transmissie (transmission): wisselbak/CVT, differentieel, aandrijfassen
De primaire aandrijving (primary power source): de verbrandingsmotor
De secundaire aandrijving (secondary power source): de elektrische machine
(motor/generator) en batterij
Vanuit deze basis systeembeschrijving kunnen de specifieke systeembeschrijvingen voor
hybriden worden samengesteld:
1. Serie hybride aandrijving
2. Parallel hybride aandrijving
3. Gemengd hybride aandrijving
4. Plug-In hybride aandrijving
Ad 1. Serie hybride aandrijving
Figuur 3.23: Generieke systeembeschrijving hybride aandrijving [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 26/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
We lezen de systeembeschrijving van links naar rechts. Immers: de snelheid en het gevraagde
vermogen bepaalt hoe de hybride aandrijving wordt ingezet.
Van links naar rechts zien we:
Wielen (vehicle wheels)
Eindoverbrenging (final drive)
Elektrische machine (electric machine)
Koppelpunt met daaraan (van beneden naar boven)
o DC/DC convertor
o Batterij (battery)
o Energiebron (energy source: electricity)
Elektrische machine (electric machine)
Verbrandingsmotor (engine)
Energiebron (energy source: fuel)
Bij een serie hybride aandrijving worden de wielen altijd aangedreven door de elektromotor.
Deze elektromotor krijgt elektrisch vermogen uit de batterij. Deze batterij wordt weer gevoed
door het elektrisch vermogen van de generator. In geval van een plug in hybride wordt de
batterij ook gevoed vanuit een externe energiebron (een laadpaal).
De batterij kan dus dienen als:
energiebuffer (variatie in afgenomen vermogen opvangen en remenergie regenereren)
energievoorraad (idem + zuiver elektrisch kunnen rijden)
Bij het ontwerp van een serie hybride aandrijving is er geen wezenlijk verschil tussen een
HEV en een PHEV. Dit is omdat de aandrijving voor het gehele snelheidsbereik wordt
verzorgd door de elektromotor.
Een bekende PHEV is de Toyota Prius Plug in Hybrid. Deze is afgeleid van de normale HEV
prius met een gemengde hybride aandrijving. De normale Prius kan ook zuiver elektrisch
rijden echter tot een beperkte snelheid en zeer beperkte actieradius..
De elektrische aandrijving kan ook direct in het wiel geplaatst zijn. Dit noemen we “In Wheel
motors”.
Figuur 3.24: Systeembeschrijving serie hybride aandrijving [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 27/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De systeembeschrijving in Figuur 3.24 zal later worden vervangen door de
systeembeschrijving afgeleid van de systeembeschrijving zoals we deze kennen voor de
conventionele aandrijving (zie Figuur 4.26).
Ad 2. Parallel hybride aandrijving
Van links naar rechts zien we:
Wielen (vehicle wheels)
Eindoverbrenging (final drive)
Continu Variabele Transmissie (CVT)
Koppelpunt met daaraan (van beneden naar boven)
o Elektrische machine (electric machine)
o DC/DC convertor
o Batterij (battery)
o Energiebron (energy source: electricity)
Wrijvinskoppeling/koppelomvormer (clutch)
Verbrandingsmotor (engine)
Energiebron (energy source: fuel)
Bij een parallel hybride is er een directe mechanisch verbinding tussen de verbrandingsmotor
en de wielen. De als elekromotor geschakelde elektrische machine is hierbij ondersteunend
aan de verbrandingsmotor. De elektromotor wordt gevoed vanuit de batterij. De batterij wordt
gevoed met energie uit de verbrandingsmotor of remenergie. In dat geval wordt de elektrische
machine als generator geschakeld.
Bij een parallel hybride kan ook zuiver elektrisch gereden worden indien de
verbrandingsmotor ontkoppeld is van de aangedreven wielen.
Ad 3. Gemengd hybride aandrijving
Figuur 3.25: Systeembeschrijving parallel hybride aandrijving [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 28/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Bij een gemengd hybride aandrijving kan traploos gevarieerd worden tussen serie en parallel
hybride aandrijving.
Zoals gelezen kan worden uit de systeembeschrijving in Figuur 3.26 kan het vermogen van de
verbrandingsmotor direct naar de wielen of deels omgeleid worden via een generator en een
elektromotor. Rendementtechnisch heeft dit het voordeel dat steeds de optimale omzetting
van de energie gekozen kan worden. Bij een constante (kruis)snelheid kunnen de wielen
direct aangedreven worden door de verbrandingsmotor. Bij accelereren en remmen worden
de elektrische machines bijgeschakeld worden. Daarnaast zijn er nog meerdere tussenvormen
mogelijk. Dit wordt uitgebreid toegelicht bij de behandeling van het Toyota Hybrid System
(THS) of Hybrid Synergy Drive .
Het hart van het systeem is het power split device (Een planetair stelsel)
Ad 4. Plug-In hybride aandrijving
Een Plug-In hybride is gelijk aan één van de voorgaande concepten met de toevoeging dat de
batterij ook opgeladen wordt uit het externe stroomnet. Dit kan men toepassen om de
verbrandingsmotor minder te belasten maar ook om zuiver elektrisch te kunnen rijden.
Beide doelstellingen worden gerealiseerd. Dat wil zeggen dat een slimme combinatie tussen
het vermogen uit de verbrandingsmotor en de batterij wordt gekozen afhankelijk van de
ritcyclus, locatie en afstand.
Figuur 3.26: Systeembeschrijving gemengd hybride aandrijving [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 29/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
3.3.3 Componenten
Wielen: standaard, of aangepast in geval van in Wheel motoren. Bij een in Wheel
motor staat de as stil en draait het huis dus om de as.
Differentieel: standaard
Transmissie: standaard
Elektrische machine: DC of AC
Power split device: een planetair stelsel of een combinatie van planetaire stelsels
DC/DC converter (Controller):
Batterij: Li-batterij, NiMH
Koppeling (ook bij de THS): wrijvingskoppeling of koppelomvormer
Verbrandingsmotor: standaard maar bij serie/gemengd hybride wel aangepast.
3.3.4 Voertuigen
Toyota Prius (THS) [CoPFM;Prius]
Opel Ampera [CoPFM;Opel Ampera]
Honda Insight [CoPFM;Honda Insight]
Open Source Green Vehicle [CoPFM;OSGV]
Figuur 3.27: Toepassing batterij’s in HEV, PHEV en EV [ 22]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 30/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4 Dimensionering elektrische en hybride aandrijving
Dit hoofdstuk behandelt de nieuwe generatie aandrijvingen vanuit verschillende
benaderingen:
Functionele decompositie van de aandrijving (paragraaf 4.2)
Een overzicht van de mogelijke varianten in de compositie van de aandrijving
Aandrijving met verbrandingsmotor (paragraaf 4.3)
Basiskennis en systeembeschrijving
Aan
Hybride aandrijving met verbrandingsmotor (eventueel plug-in) (paragraaf Error!
Reference source not found.)
Idem
Programma van eisen (DEFINITIE)
Dimensionering van de aandrijving (paragraaf 4.4 tot en met 4.10)
Als eerste wordt in paragraaf 4.4 het ontwerpproces beschreven. Vervolgens wordt in
paragraaf 4.5 het programma van eisen vastgesteld vanuit de ontwerpdoelstelling en
ontwerpparameters van een autotechnisch ingenieur. Er worden drie typen na elkaar
behandeld:
o Aandrijving met verbrandingsmotor
o Elektrische aandrijving
o Hybride aandrijving
De dimensionering wordt op drie niveau’s behandeld:
Dimensionering : conceptdefinitie (CONCEPT, paragraaf 4.6)
Dit is een handberekening met een eerste inschatting van de grootte, massa’s
en prestaties van de aandrijving. Hiermee kan de voertuigpackaging worden
samengesteld en kan de haalbaarheid ten aanzien van bijvoorbeeld TCO en
ROI worden ingeschat.
Dimensionering: uitwerking (ENGINEERING, paragraaf 4.7)
Bij deze berekening worden meer details meegenomen zoals de wisselwerking
tussen batterijmassa en de prestaties. Tevens is deze berekening uitgewerkt
voor de verschillende typen hybride aandrijving (paragraaf 4.8) en wordt de
werking en toepassing van planetaire stelsels bij hybride aandrijving
beschreven in paragraaf 4.9.
Dimensionering: evaluatie (VALIDATIE, paragraaf 4.10)
Aan de hand van simulaties kunnen de systeemprestaties in gebruik worden
weergegeven. Hierbij neemt de detaillering toe met een ritcyclus profiel in
combinatie met regeneratief remmen.
4.1 Symbolenlijst
We definiëren hierbij met betrekking tot de hybride aandrijving de volgende variabelen1
Naam Eenheid Omschrijving
cm,EM1 - Voor parallel hybride verhouding mEM1 en mBAT
1 Aanduiding in lijn met [ 1], om die reden Engelse aanduiding
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 31/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
cm,EM2 - Voor parallel hybride verhouding mEM2 en mBAT
cm,CONV - Voor parallel/serie hybride verhouding mCONV en mBAT
cp,EM1 kg/W Voor serie hybride verhouding mEM1 en PW,M3
cp,EM2 kg/W Voor serie hybride verhouding mEM2 en PW,M3
DOD % Depth of Discharge van de batterij
Ed Wh/kg Energiedichtheid
Ef kJ of kWh Energie inhoud in brandstof
EBAT kJ of kWh Energie inhoud in batterij
fe l/100 km Brandstofverbruik
mHYBR,serie kg Massa componenten hybride aandrijving, serie hybride
mHYBR,parallel kg Massa componenten hybride aandrijving, parallel hybride
mHYBR,seriepar kg Massa componenten hybride aandrijving, gemengde hybride
mBAT kg Massa batterij
mBAT,P kg Massa batterij, op basis van te leveren vermogen
mBAT,E kg Massa batterij, op basis van te leveren energie
mCONV kg Massa Converter
mEM1 kg Massa Elektrische Machine 1 (aan de zijde van verbrandingsmotor)
mEM2 kg Massa Elektrische Machine 2 (aan de zijde van aangedreven wielen)
PEM1 W Vermogen Elektrische Machine 1 (aan de zijde van verbrandingsmotor)
PEM2 W Vermogen Elektrische Machine 2 (aan de zijde van aangedreven wielen)
PICE W Vermogen verbrandingsmotor (Internal Combustion Engine)
PBAT W Vermogen batterij
PW W Vermogen aan de wielen
PW,M1 W Vermogen aan de wielen, Mode 1: Aandrijving met alleen vermogen batterij
PW,M2 W Vermogen aan de wielen, Mode 2: Aandrijving met alleen vermogen
verbrandingmotor
PW,M3 W Vermogen aan de wielen, Mode 3: Aandrijving met vermogen batterij en
verbrandingsmotor
Pd W/kg Vermogensdichtheid
PW,M1 W Vermogen aan wielen met vermogen vanuit alleen batterij, bij maximale
snelheid mode 1
PW,M2 W Vermogen aan wielen met vermogen vanuit alleen verbrandingsmotor, bij
maximale snelheid mode 2
PW,M3 W Vermogen aan wielen met vermogen vanuit batterij en verbrandingsmotor
samen.
TermA - Constante voor de rolweerstand en hellingsweerstand
TermB N Luchtweerstandskracht (Flucht)
TermC N/kg Quotiënt van vermogensdichtheid batterij en voertuigsnelheid in mode 1
vM1 m/s Snelheid in mode 1
vM2 m/s Snelheid in mode 2
vM3 m/s Snelheid in mode 3
ηICE - Rendement verbrandingsmotor (ICE)
ηEM1 - Rendement Elektrische Machine 1 (aan de zijde van verbrandingsmotor)
ηEM2 - Rendement Elektrische Machine 2 (aan de zijde van aangedreven wielen)
ηCI - Rendement DC/DC Convertor of DC/AC invertor of AC/DC Invertor
ηTR - Rendement transmissie
Daarnaast worden variabelen toegepast uit de basisberekening aandrijvingen:
Symbolenlijst voertuigweerstanden
Symbool Eenheid Omschrijving
cW - Luchtweerstandscoëfficiënt
frol - Rolweerstandscoëfficiënt
Fa N Acceleratieweerstand (totaal)
Fadr N Aandrijfkracht aan de wielen
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 32/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Fhelling N Hellingsweerstandskracht
Flucht N Luchtweerstandskracht
Flucht,max N Luchtweerstandskracht bij vmax
Frol N Rolweerstandskracht
Frol,max N Rolweerstandskracht bij vmax
Ftot N Totale voertuigweerstand
Ftot,s N Totale stationaire voertuigweerstand
Ftot,s,max N Totale stationaire voertuigweerstand bij vmax
Padr W Aandrijvend vermogen aan de wielen
Pa W Vermogen voor het accelereren
Pmotor W Motorvermogen
Ptot W Vermogen van de totale voertuigweerstand
Ptot,s W Vermogen van de totale stationaire voertuigweerstand
Ptot,s,max W Vermogen van de totale stationaire voertuigweerstand bij vmax
r0 m Onbelaste bandstraal
rdyn m Dynamische ashoogte, belaste bandstraal
reff m Effectieve rolstraal, effectiev bandstraal
vmax m/s Maximum voertuigsnelheid
β rad Hellingshoek
φ - Verhouding tussen totale massa (translerend en roterend) en
de translerende massa
4.2 Functionele decompositie van de aandrijving
In de voorstudie (idee-fase, [ 12]) voor het Open Source Green Vehicle project is een
functionele decompositie gemaakt van de aandrijving in lijn de methoden voor
methodisch/integraal ontwerpen (zie [ 11]).
In deze functionele decompositie kunnen we de volgende functies onderscheiden :
Energy source, external (Energiebron extern (dus buiten voertuig))
Bijvoorbeeld olie
Energy source internal (Energiebron intern (dus in/van voertuig))
Bijvoorbeeld zonne-energie (door middel van panelen op het voertuig)
Energy carrier (Energiedrager)
Bijvoorbeeld benzine, diesel, elektriciteit (in batterij)
Energy buffer (Energiebuffer)
Bijvoorbeeld batterij, ultracapacitors, vliegwiel
Power transformer (Omzetting van de ene naar de andere energiedrager)
Bijvoorbeeld omzetting van waterstof naar elektriciteit
Power drive (Vermogen naar aandrijving)
Bijvoorbeeld verbrandingsmotor, elektromotor
Power to performance (Vermogen naar aandrijving)
Bijvoorbeeld handgeschakelde wisselbak, CVT
Performance to traction (Aandrijving naar beweging)
Bijvoorbeeld door middel van band-wegdekcontact
Braking (Remmen)
Bijvoorbeeld, schijfremmen, generator, batterijmulator
Bij iedere functie kunnen een aantal werkwijzen worden benoemd. Deze kunnen vervolgens
met elkaar worden gecombinereerd tot structuren. De hoofdlijnen onderscheiden we:
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 33/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Aandrijving met verbrandingsmotor (zie paragraaf 4.3)
o card1a: Otto ICE conventional
o card1b: Otto ICE conventional, Biomass-ethanol
o card2a: Diesel ICE, conventional
o card2b: Diesel ICE, conventional, using DME from Methanol
o card3a: Otto CNG Conventional
o card3b: Otto Compressed SNG Conventional
o card4a: Hydrogen engine, zero emission
o card4b: Hydrogen engine, from Petrol or Natural Gas
o card4c: Hydrogen engine, CO2 neutral, from Biomass
Hybride aandrijving (met verbrandingsmotor, eventueel plug in)
o card5a: Hybrid (serial). On Petrol, could also use other energy sources and
carriers
o card5b: Hybrid (parallel). On Petrol, could also use other energy sources and
carriers
o card5c: Hybrid (mixed). On Petrol, could also use other energy sources and
carriers
Hybride aandrijving (met brandstofcel)
o card6a: Fuel cell Hybrid vehicle, from Biomass
o card6b: Fuel cell Hybrid vehicle, from zero emission sources
o card6c: Fuel cell Hybrid vehicle, from zero emission sources+internal energy
source
Elektrische aandrijving
o card7: Electrical Vehicle
Figuur 4.1 geeft het basis functie-werkwijze diagram weer.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 34/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.1: Functie-werkwijze diagram [ 8]
Meth
od
Fu
nctio
n1
23
45
67
89
10
11
12
13
14
15
Energ
y s
ourc
e,
exte
rnal
None
Petr
ol
Bio
-oil
Natu
ral G
as
Bio
mass
Sun
Win
dW
ate
rN
ucle
ar
Energ
y s
ourc
e in
tern
al
None
Sun
Win
d
Energ
y
carr
ier
None
Gasolin
eLiq
uid
Petr
ol G
as
Die
sel oil
Com
pre
ssed N
atu
ral
Gas
Eth
anol
Meth
anol to
Haydro
gen
transfo
rmer
Hydro
gen
Com
pre
ssed
Synth
etic N
atu
ara
l
Gas
DM
E (
Dim
eth
yl
eth
er)
Batt
ery
Fly
wheel
Capacitors
Accum
ula
tor
(Gas)
Accum
ula
tor
(mechanic
al
com
pre
ssio
n)
Energ
y b
uff
er
None
Hydro
gen
Batt
ery
Fly
wheel
Capacitors
Accum
ula
tor
(Gas)
Accum
ula
tor
(mechanic
al
com
pre
ssio
n)
Pow
er
transfo
rmer
None
Fu
el cell
(hydro
gen t
o
ele
ctr
ical pow
er)
Genera
tor
(mechanic
al
to e
lectr
ical pow
er)
Pow
er
drive
None
Inte
rnal com
bustio
n
engin
e
Ele
ctr
ical m
oto
rH
ydro
sta
tic d
rive
Hydro
dynam
ic d
rive
(usin
g t
orq
ue c
onvert
or)
Aero
sta
tic d
rive (
air
under
pre
ssure
)
Aero
dynam
ic d
rive
(pro
pello
r)
Mechanic
al drive
(unw
ind s
prin
g)
Pow
er
to p
erf
orm
ance
none
Manual gearb
ox
Auto
mate
d m
anual
gearb
ox
Auto
matically
gearb
ox
Contin
uously
varia
bele
transm
issio
n
Perf
orm
ance t
o t
ractio
nT
yre
-road
Bra
kin
gD
isc b
rakes
Dru
m b
rakes
Rolle
r bra
kes
Genera
tor
(Ele
ctr
ical
accum
ula
tio
n)
Com
pre
ssor
(gas)
Hydro
sta
tic
Hydro
dynam
icM
echanic
al (f
ly w
heel)
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 35/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.3 Aandrijving met verbrandingsmotoren (herhaling)
4.3.1 Basiskennis
Wat is het?
De aandrijflijn bestaat uit alle componenten die nodig zijn om het voertuig aan te
drijven.
Waar wordt het toegepast?
In ieder voertuig.
Hoe werkt het ?
De aandrijflijnen bestaan doorgaans uit drie groepen componenten
1. De vermogensbron
Dus bijvoorbeeld een verbrandingsmotor
2. De transmissie
Dus bijvoorbeeld een koppeling + wisselbak
3. De krachtoverbrenging op het wegdek
Dus bijvoorbeeld een differentieel+aandrijfassen+wielen
Hoe ziet het eruit?
In Figuur 4.2 is de opbouw van de aandrijflijn gegeven voor achterwielaangedreven
voertuig met de motor voorin geplaatst.
Figuur 4.2 Overzicht van de componenten van de aandrijflijn
Motor met
vliegwiel
Koppeling
Wisselbak
Aandrijfassen
Banden en
wegdek
Differentieel
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 36/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.3.2 Systeembeschrijving
De vereenvoudigde systeembeschrijving voor de aandrijflijn is gegeven in Figuur 4.3.
Ingaand zijn brandstof en lucht
Het vermogen wordt hier bepaald door het produkt van de verbrandingswaarde van de
brandstof en de hoeveelheid ingaande brandstof per tijdseenheid:
bbob VP . [J/kg. kg/s]= [J/s]=[W] ( 4.1 )
Door de motor wordt deze omgezet in een uitgaand vermogen P.
Het vermogen wordt hier bepaald door het produkt van het koppel en de hoeksnelheid:
mmm MP . [Nm.1/s]= [Nm/s]=[W] ( 4.2 )
met 2.nm met n het toerental in omw/s
Dit vermogen gaat vervolgens door de aandrijflijn naar het linker en rechter wiel en
wordt door de wrijving tussen band en wegdek overdragen op het wegdek.
Het vermogen (totaal links en rechts) wordt hier bepaald door:
vFFP rechtslinksw . [N.m/s]= [Nm/s]=[W] ( 4.3
)
De volgende constateringen zijn van belang voor de aandrijflijn:
In de systeembeschrijving kijken we naar vermogensstromen.
Bij iedere stap in het systeem treedt er een verlies van vermogen op.
Er wordt vermogen gedissipeerd, respectievelijk Pdis,m, Pdis,t en Pdis,k.
Het startpunt voor de aandrijflijn is het uitgaande vermogen van de motor.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 37/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.3.3 Dimensionering conventionele aandrijving met verbrandingsmotor
Dimensioneren is dus de eerste stap voorafgaand aan een verdere constructieve uitwerking.
De dimensionering van de aandrijflijn valt onder het dimensioneren van de componenten en
vindt plaats aan het begin van het voertuigontwikkelingsproces.
1: systeem naar componenten
2: systeem naar functies
Motor
Pb
Figuur 4.3: Systeembeschrijving aandrijving, uitgaande van een verbrandingsmotor
Motor met
vliegwiel
Koppeling
Wisselbak
Aandrijfassen
Banden en
wegdek
Differentieel
Koppeling Wisselbak
Aandrijfas
Aandrijfas Differentieel
Aandrijfas
Wiel
Wiel
Band+weg
Band+weg
Pm
Pw, links
Pw, rechts
Transmissie
Krachtover
brenging
op wegdek
Vermogensbron
Motor+aandrijflijn
Pdis,m Pdis,t Pdis,k
Energie-
voorraad
Lucht
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 38/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
In Figuur 4.4 is het berekeningsschema voor de aandrijflijn afgebeeld. Hierin valt op dat het
proces cyclisch is waarbij de dimensionering volgt op het pakket van eisen maar dat daarna
ook getoetst wordt of er wellicht bijstellingen in het pakket van eisen moeten plaatsvinden.
In de reader aandrijvingen [ 15] wordt het dimensioneren van de conventionele aandrijflijn
behandeld en met als voorbeeldcasus de Ecologic uitgewerkt. In deze dimensionering ligt de
focus op de voertuigprestaties (acceleratie, topsnelheid).
In Figuur 4.5 is de berekening hiervan schematisch weergegeven
Belangrijke resultaten zijn:
Stationaire, accelererende en totale aandrijfkracht als functie van de voertuigsnelheid
Zie Figuur 4.6.
Figuur 4.4: Schema voor de functionele dimensionering van de aandrijflijn
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 39/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Het produkt van de stationaire voertuigweerstand Ftot,s
(Rolweerstand+Luchtweerstand) en de topsnelheid geeft het benodigde vermogen (aan
de wielen).
Van daaruit kan teruggerekende wordt naar de zogenaamde trekkrachtkromme (Ftot in
de grafiek)
Cumulatieve acceleratietijd als functie van de voertuigsnelheid
Zie Figuur 4.7. Uit deze grafiek kunnen de acceleratietijden bepalen voor bijvoorbeeld
het snelheidsinterval 0..100 km/u
Al deze resultaten gaan uit van de aandrijflijn met CVT. In de praktijk is het aantal
versnellingen beperkt en zullen zowel de trekkracht als de accelaratie niet de ideale waarde
halen. Tenslotte wordt de op de weg over te brengen trekkracht begrensd door de wrijving
tussen band en wegdek en de wiellast.
Al deze aspecten komen in de genoemde reader uitvoerig aan de orde.
vx=vmax
Figuur 4.5: Rekenschema voertuigweerstanden
Rolweerstand
Voertuig
ax=0
hellingshoek β=0
Luchtweerstand
Hellingsweerstand
Versnellingsweerstand
Samengestelde voertuig-
weerstand
Fhelling
Fa
Flucht
Frol
Ftot
Voertuigparameters
Ptot,s,max=Pmotor=vmax.Ftot
Fa=(Pmotor-Ptot,s)/v v=0..vmax
φ voor v=0..vmax a=F/(φ.m)
Grafiek: Fa( v)
Grafiek: a( v)
Grafiek: t(v)
Niet gebruikt
Stap 2
Stap 3
Stap 1
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 40/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.7: Cumulatieve acceleratietijd als functie van de voertuigsnelheid
Figuur 4.6: Stationaire, accelererende en totale aandrijfkracht als functie van de
voertuigsnelheid
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
5
10
15
20
25
30
35
Cumulatieve acceleratietijd (theoretisch) als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
t cum
ula
tief
[s]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Stationaire, accelerende en totale aandrijfkracht als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
zie
legenda
F tot s [N]
F a [N]
F tot [N]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 41/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.4 Ontwerpproces
In het ontwerpproces van voertuigen volgt men het pad als is weergegeven in Figuur 4.10
Dit resulteert in achtereenvolgens
een functionele packaging, waarin in de functies geplaatst zijn.
Voor een personenauto is dit bijvoorbeeld het verplaatsen van 4 volwassenen met
bijbehorende bagage. Voor racewagen geldt uiteraard alleen dat er een coureur plaats
moet kunnen nemen. Bij een vrachtwagen ligt de nadruk op het verplaatsen goederen.
een technisch packaging, waarin de technische componenten geplaatst zijn.
De belangrijke groepen zijn de vermogensbron, de aandrijving en de wielophanging.
een chassis
Het chassis moet de functionele packaging ‘dragen’ en de technische packaging
dragen en onderling verbinden.
De volgorde is ook idealiter functionele packaging, technische packaging en chassis. In de
praktijk gaan er altijd enige iteratieslagen overheen om tot een optimaal resultaat te komen.
Hierbij doorloopt men de bekende ontwerptrechter (zie Figuur 4.8) gevolg door ontwikkeling
tot en met productie start.
Figuur 4.9 geeft een variant hierop weer volgens het principe van de design for 6sigma. De 6
fasen beschrijven proces van vooronderzoek tot en met geëvalueerd product.
Beide processen naast elkaar leggend geeft dat:
Fase 1 Exploration en Fase 2 Definition leiden tot D0 Product idee:
Fase 3: keidt tot conceptdefinitie
Fase 4: leidt tot D2 Principle Solutions + detail enginneering
Fase 5 en 6 leidt tot D4 try outs.
Figuur 4.11 geeft een voorbeeld van een technische en functionele packaging weer
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 42/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.9: Het engineeringsproces, generiek (tot en met prototype/model)
Figuur 4.8: Het engineeringsproces, generiek (D0 tot en met D5 (productie))
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 43/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Context Realisatie
Voertuigontwerpproces
Taakstelling
= iteratief proces
Keuze concept Functionele Packaging
Technische Packaging
Chassis
Dimensionering
functioneel
Dimensionering,
constructief
Prototypes, testen,
verbeteren
Voorbereiden
produkte
Voorproduktie
Serieproduktie
Vermogensbron
Aandrijving
Wielophanging
Figuur 4.10: Ontwerpproces van voertuigen, focus op dimensionering ten behoeve
van de technische packaging [ 13]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 44/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Een voorbeeld van een specificatieblad, het programma van eisen voor de dimensioneringen
en configurering van de aandrijving is weergegeven op de volgende pagina en Figuur 4.12.
Figuur 4.11: Basis technische packaging [ 12]
ICE (optional)
Front wheel drive
motors
Rear wheel drive
motors
Rear suspension, for
example multi link
Front suspension,
for example
Mcpherson
Primary
battery
Optional
batteries Fuel tank
Ultracapacitors
Power control unit
Wheel displacement and
steering space
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 45/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Specificatieblad voor een voertuig met conventionele aandrijving
Roeland Hogt Klas: nvt
Voertuigspecificaties case study Toelichting
Omschrijving Stadsauto, 2 volwassenen + 2 kinderen Stadsauto, gezinswagen,
MPV, SUV, Coupé, race
wagen, bus, vrwachtwagen
etc..
Omschrijving
toepassing voertuig
Auto voor de niche markt, voorloper van de Smart/new
Mini/New Beetle klasse.
Voor wie, marktdefinitie,
concurrenten (vergelijkbare
voertuigen)
(Code)naam
voertuig
Ecologic Bedenk maar wat moois
Afmetingen
voertuig
in [m] resp. [m2]
Lengte Breedte Hoogte Wielbasis
2,790 1,580 1,400 2,000
Wieldiameter voor Wieldiameter achter
0,5 0,5
Frontaal oppervlakte
Vooroverbouw Achterover-
bouw
1,9 0,540 0,250
Massa’s
Voertuig zonder
motor en
aandrijflijn
Massa [kg] positie
x [m]
positie y [m] positie z [m] x: t.o.v. centrum vooras
y-positie: 0
z-positie: vanaf de weg 500 0,9 0 0,5
Motor en
aandrijflijn
Massa [kg] Geschatte waarde!
175
Bestuurder Massa [kg] positie
x [m]
positie y [m] positie z [m] idem
75 1 0 0,5
Passagiers en
bagage
Massa [kg] positie
x [m]
positie y [m] positie z [m] idem
200 1,4 0 0,7
Prestaties
Snelheden,
onbeladen
Maximum snelheid m/s
50
Acceleratietijden,
onbeladen
0-25% vmax
[sec]
25-
50%
vmax
[sec]
50-75% vmax
[sec]
75-100% vmax
[sec]
2 4 8 16
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 46/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.5 Definitie: Programma van eisen
Eisen worden onderverdeeld in functionele en realisatie eisen. Functionele eisen hebben
betrekking systeemprestaties, massa’s en afmetingen. Realisatie eisen hebben betrekking op
onderzoek, ontwikkeling en produktie.
Tenslotte zijn er nog de eisen vanuit het financiële kader. Twee belangrijke hierbij kentallen
zijn de Total Costs of Ownership (TCO) en de Return on Investment (ROI) en staan voor de
financiële haalbaarheid voor respectievelijk de klant en de producent. In beide gevallen is dat
een tijd waarin een break even bereikt wordt, bijvoorbeeld van het voertuig met
verbrandingsmotor in vergelijking tot het voertuig met hybride aandrijving.
Qua techniek wordt onderscheid gemaakt tussen
Verbruik
Emissies
Prestaties
Bij elektrische voertuigen is de benadering eenvoudig in de zin dat er één energiestroom is:
namelijk die van de batterij naar de motor en –bij regeneratief remmen- weer terug. De
componenten die berekend worden zijn aan de hand van het te leveren vermogen de batterij
en de elektromotor en aan de hand van de actieradius de batterij.
Bij hybride voertuigen is dit complexer doordat er een combinatie is tussen twee
vermogensbronnen waarbij op voorhand niet vast staat hoe deze onderling verdeeld zijn. De
mate van hybridisering moet hierbij bepaald worden, alsmede de dimensies van de
componenten. De volgende paragraaf gaat hierover. Hierin wordt een complex kader
geschetst aan de hand van een promotieonderzoek aan de TU Eindhoven en wordt dit
gekoppeld met de ontwerpprincipes zoals Toyota deze hanteert.
Daarna vervolgen we met een vereenvoudigde weergave. Deze vereenvoudigde weergave is
zowel toepasbaar voor elektrische als ook hybride aandrijvingen.
Figuur 4.12: Belangrijke maten in de ‘Ecologic’ [ 14]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 47/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.5.1 Opstellen specificaties hybride aandrijving, het kader
Het optimaliseren van de aandrijving leidt tot de definitie en dimensionering ten aanzien van:
Topologie (classificatie hybride aandrijving) Topology
Technologie Technolgy
Afmetingen Size
Regeling Control
Als voorbeeld is in Figuur 4.14 weergegeven hoe dit samenkomt voor verbruik. Hetzelfde
geldt ook voor prestaties en emissies.
Er is dus veel ontwerpruimte ten aanzien van:
Topologie: type hybride aandrijving en aandrijfconfiguratie
Energieopslag: diverse typen batterijen maar ook supercaps, vliegwielen etc..
Energie omzetting
o Verbrandingsmotortechnologie
o Elektromotor
o Brandstofcel
Regelingen
Het promotieonderzoek [ 1] hanteert een parametrische systeemoptimalisatie. Hierbij worden
de systeemdimensie en definitie door middel van simulaties geoptimaliseerd.
Met de definitie en dimensionering is het systeem samengesteld vanuit de voertuigprestaties:
de Q (Quality) van het Compleet Voertuig denken. De andere ranvoorwaarden zijn de T
(ontwikkeltijd) en de $ (prijs voor ontwikkeling en kostprijs produkt).
Figuur 4.13: Samenstelling van ontwerpdoelstelling en ontwerpparameters [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 48/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.15: Parametrische ontwerpoptimalisatie voor een hybride aandrijving [ 1]
Figuur 4.14: Samenstelling van ontwerpdoelstelling ten aanzien van verbruik [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 49/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Zo kan vanuit een voorgeschreven ritcylus beoordeeld worden bij welke combinatie van
systeemdimensie en definities het verbruik optimaal is. In de Figuur 4.16 is te zien dat
naarmate de motor vaker uit kan staan (staat voor de rangorde micro-mild-full-plugin hybrid)
het brandstofverbruik (kosten) afneemt. Echter een groter elektrisch vermogen resulteert ook
in hogere kosten voor de elektrische energie. Hierbij is het van belang dat bijvoorbeeld een
grotere batterij de voertuigmassa en kostprijs doet stijgen. Een hogere voertuigmassa geeft
een toename van de voertuigweerstanden en een hogere kostprijs zorgt voor een toename van
de prijs per gereden km. We moeten dus een afweging maken tussen kosten, prestaties en
emissies.
Een andere relatie is die tussen prestaties en verbuik. Bij een hybride geldt dat deze trad-off
gunstiger uitvalt. De verbrandingsmotor wordt kleiner dus efficiënter. Met behulp van de
elektromotor kunnen toch goede prestaties gehaald worden.
Eenzelfde geldt voor downsizing waarbij de motorverliezen verkleind worden en extra
vermogen wordt gerealiseerd door middel van een turbo.
In de documenten voor de Prius II is deze relatie gedocumenteerd. Zie Figuur 4.17.
Met toename van het niveau van hybridisering het brandstofverbruik af en de acceleratie toe.
Zie Figuur 4.18.
De Figuur 4.19 geeft een beeld van de kosten van de aandrijflijn versus de
verbruiksbesparing. Deze kosten worden samengenomen met de afschrijving van het voertuig
en belastingen en kosten voor de energie. Samengesteld noemt men dit de total cost of
ownership. (TCO)
In een ontwerpproces van een voertuig worden al deze aspecten dus samengenomen. Dat
bepaalt welke aandrijving en mate van hybridisering/elektrificering het beste is.
Figuur 4.16: Relatie tussen energiekosten en niveau van elektrificatie/hybridisering [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 50/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.18: Balans tussen prestaties en brandstofverbruik voor conventionele voertuigen en
hybriden [ 1]
Figuur 4.17: Balans tussen prestaties en brandstofverbruik voor conventionele voertuigen, de
Prius I ('current Prius') en de Prius II [19]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 51/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.20 geeft een voorbeeld van een optimalisatieproces.
Figuur 4.19: De kosten van de aandrijflijn versus de verbruiksbesparing [ 9]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 52/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Als voorbeeld zijn de prijzen van de Toyota Auris 1.6 VVTi en de Toyota Auris Hybrid
vergeleken. Hieruit blijkt dat op de kostprijs per km de hybride gunstiger is. Dit is echter
vooral ook bepaald doordat bij de aanschaf van de hybride geen heffingen betaald hoeven te
worden als BPM en CO2 heffing. Daarnaast hoeft voor deze auto geen wegenbelasting
betaald te worden.
Figuur 4.20: Optimalisatie van een hybride aandrijving [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 53/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.21: De kosten van de 2013 Toyota Auris 1.6 VVTi en de Toyota Auris Hybrid vergeleken
[www.autoweek.nl]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 54/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.5.2 Opstellen specificaties hybride en elektrische aandrijving, vereenvoudigde toepassing
In de voorgaande paragraaf het kader geschetst voor de systeemkeuze en optimalisatie van de
hybride aandrijving. Het blijkt dat dit zeer complex is omdat vele factoren hierin meespelen.
Factoren binnen de produktrealisatie maar ook factoren vanuit de overheid en de politiek.
Voor onze vereenvoudigde toepassing bakenen we de keuze af op het deel voertuigprestaties.
Teneinde hier tot een tot een handzame berekening onderscheiden we drie modes (zie Figuur
4.22):
Mode 1. Aandrijving met alleen vermogen batterij (Zuiver elektrische aandrijving
(verbrandingsmotor staat uit))
Mode 2. Aandrijving met alleen vermogen verbrandingsmotor (zonder gebruikmaking
van de batterij)
Mode 3. Aandrijving met vermogen verbrandingsmotor en batterij
Per mode leggen we vast:
De snelheid die we hiermee willen kunnen rijden
Het hellingspercentage bij deze snelheid
De actieradius
De berekening leidt naar het vermogen dat nodig is aan de wielen. Dit moet vervolgens
doorberekend worden naar vermogen en energie inhoud van batterij/tank. Tenslotte moet de
keuze voor de configuratie gemaakt worden.
Bij een serie hybride moet al het vermogen geleverd worden door de elektromotor
Bij een parallel hybride wordt het vermogen geleverd door de elektromotor en de
verbrandingsmotor samen
Bij deze keuze speelt de actieradius zuiver elektrisch een grote rol. Bij een toename van deze
actieradius neemt de energie inhoud van de batterij toe alsmede het te leveren vermogen. De
hoogste waarde is hierbij bepalend voor de keuze!
Een andere factor zijn de prestatie eisen met betrekking tot acceleratie.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 55/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.23 geeft de plaatsing van de modes weer in de bekende grafieken.
Figuur 4.22: de drie basis modes voor de dimensionering van de (serie) hybride
aandrijving
EM1
CONV / INV
PICE EM2
BAT
TR
Elektrisch vermogen Mechanisch vermogen
Gedissipeerd vermogen (warmte)
EM1
CONV / INV
EM2
BAT
TR
EM1
CONV / INV
EM2
BAT
TR
Mode 1
Mode 2
Mode 3
= IN GEBRUIK
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 56/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De berekeningen zijn zodanig opgezet dat vier gradaties van elektrificering kunnen worden
doorgerekend:
1. Mild hybrid (alleen ondersteuning voor acceleratie)
2. Full hybrid (elektrisch rijden mogelijk tot een beperkte snelheid)
3. Plug In Hybrid (idem full hybrid met energiebuffer uit extern opladen)
4. Full electric (gehele energiebuffer uit extern opladen)
Figuur 4.23: Plaatsing van de vermogens PW,M1, PW,M2 en PW,M3 en vertaling naar trekkracht bij de
gegeven snelheid
PW,M1 PW,M2 PW,M3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Stationaire voertuigweerstanden als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
zie
lege
nda
F rol [N]
F lucht [N]
F tot,s [N]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
10
20
30
40
50
60Stationaire en accelerende motorvermogen als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
zie
lege
nda
P tot s [kW]
P a [kW]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 57/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
In het nu volgende worden de eisen uitgewerkt voor ons voorbeeldvoertuig 'Ecologic'
Ad 1. Mild hybrid (alleen ondersteuning voor acceleratie)
Doelstellingen:
Ondersteunen bij accelereren, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet kunnen
leveren
De snelheid bij mode 3 is de topsnelheid die gehaald moeten kunnen worden vanuit
het vermogen van de batterij en de verbrandingsmotor.
Ondersteuning vanuit de batterij is beperkt qua energiehoeveelheid en kan dus maar
kortdurend toegepast worden.
Eisen: Mode Snelheid [m/s] Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 15 0 4% 0 0
2 (op P_ICE) 35 4% 0 0
3 (op P_ICE en P_bat)
50 0% 0
Ad 2. Full hybrid (elektrisch rijden mogelijk tot een beperkte snelheid en afstand)
Doelstellingen:
Beperkt zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren en de energie inhoud van de batterij.
De snelheid bij mode 3 is de topsnelheid die gehaald moeten kunnen worden vanuit
het vermogen van de batterij en de verbrandingsmotor.
Ondersteuning vanuit de batterij is beperkt qua energiehoeveelheid en kan dus maar
kortdurend toegepast worden.
Eisen: Mode Snelheid [m/s] Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 15 0 10% 5 0
2 (op P_ICE) 35 4% 0 0
3 (op P_ICE
en P_bat)
50 0% 0
Ad 3. Plug In Hybrid (idem full hybrid met energiebuffer uit extern opladen)
Doelstellingen:
Beperkt zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren
Zuiver elektrisch kunnen rijden op korte ritten en ondersteund elektrisch rijden op
langere ritten, dit bepaalt de energie inhoud van de batterij.
NB: we hanteren hier de kruissnelheid 80 km/u2 als snelheid!
2 De kruissnelheid gereden over de gewenste actieradius geeft een goede indicatie voor het energieverbruik in
een ECE ritcyclus. Voor personenauto's is deze 80 km/u. Bij bussen is de kruissnelheid lager: 50 km/u. Bij
sportauto's juiste weer hoger: 120 km/u.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 58/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De snelheid bij mode 3 is de topsnelheid die gehaald moeten kunnen worden vanuit
het vermogen van de batterij en de verbrandingsmotor.
Ondersteuning vanuit de batterij is beperkt qua energiehoeveelheid.
Eisen: Mode Snelheid [m/s] Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 15 0 10% 40 0
2 (op P_ICE) 22 0 4% 100 2
3 (op P_ICE en P_bat)
50 0% 0
Ad 4. Full electric (gehele energiebuffer uit extern opladen)
Doelstellingen:
Volledig zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren en de energie inhoud van de batterij.
NB: we hanteren hier de kruissnelheid 80 km/u3 als snelheid!
De topsnelheid is op alleen het vermogen uit de batterij.
Eisen: Mode Snelheid [m/s] Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 15 0 10% 40 0
2 (op P_bat) 22 0 4% 100 0
3 (op P_bat) 35 0%
Voor elk van de 4 type aandrijving wordt bepaald:
De batterij massa
o Op basis van het te leveren vermogen via EM2
o Op basis van de te rijden afstand zuiver elektrisch
o Op basis van de te rijden afstand en verbruik in de mixed mode (Extended
Range Electric Vehicle)
De energie inhoud van de batterij
o idem batterij massa maar dan berekend in kWh.
Het vermogen van de verbrandingsmotor (ICE) en de elektromotor (EM2)
o het vermogen van de EM2 op basis van mode 1 (of 2 in geval EV)
o het vermogen van de ICE op basis van mode 2 en 3
De berekeningen worden gedaan voor een parallel hybride en serie hybride aandrijving en
voor een voertuig in minimale en maximale belading.
De vermogens moeten mechanisch gekoppeld worden ten behoeve van de aandrijving van het
voertuig. Hoe deze koppeling plaatsvindt wordt bepaald door het type hybride aandrijving
(parallel, serie, gemengd) en het niveau van hybridisering (micro, mild, full en plug-in).
3 Zie voetnoot op vorige pagina.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 59/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Tabel 4.1 geeft deze relatie weer.
Een parallel hybride met een vaste verbinding tussen de verbrandingsmotor en de
aangedreven wielen kan nooit een full hybrid zijn.
Het snelheidsbereik waarop de elektromotor ondersteunt wordt hierbij bepaald door het
niveau van hybridisering. Bij een micro hybrid is dat hoogstens bij het wegrijden. Bij een
mild of plug in hybrid kan de ondersteuning over het hele snelheidsbereik plaats vinden. Het
KERS (Kinetic Energy Recovery System) in de Formule 1 is een voorbeeld van zo'n mild
hybrid. De Plug In parallel hybride is gelijk aan de Mild hybrid met het enige verschil dat
energie van buiten het voertuig is toegevoegd. Dit zien we terug bij de toepassingen in de
Ampera/Volt, Prius en Mitsubishi Outlander.
Bij een parallel hybride met ontkoppeling van de verbrandingsmotor kan zuiver elektrisch
gereden worden en is het daarmee een full hybrid. Omdat energie inhoud van de batterij en
het beschikbare elektrische vermogen beperkt is, is ook de snelheid waarmee zuiver elektrisch
gereden kan worden beperkt.
Bij een serie hybride en een gemengde hybride vindt de aandrijving zuiver elektrisch plaats en
kan het daarmee geen micro of mild hybrid zijn. De elektromotor heeft hierbij het vermogen
nodig om topsnelheid te kunnen rijden. Of dit vermogen dan afkomstig is van alleen de
batterij (mode 1) , de verbrandingsmotor (mode 2) of een combinatie van beiden (mode 3) is
hierbij nader te bepalen.
Uit de tabel kan men bepalen welk type hybride toegepast kan worden vanuit de keuze voor
de mate van hybridisering. Verdere selectie van de technisch haalbare concepten wordt
bepaald door bijvoorbeeld de vrijheden in het ontwerp. Zo is een parallel hybride eenvoudiger
in te passen in een conventionele aandrijving dan een serie of gemengde hybride.
Tabel 4.1: Snelheid, als percentage van de maximale snelheid, waarbij de aandrijving geheel of
gedeeltelijk vanuit de elektromotor plaats vindt. Type Niveau
Micro Mild Full Plug in
Parallel 10 100 Nvt 100
Toepassing Start-Stop
systemen
KERS in de F1 ??
Parallel met
ontkoppeling
10 100 50 100
Toepassing Evt voertuigen met
Park Assist
Honda Insight Honda Insight
Serie Nvt Nvt 100 100
Toepassing ?? Bussen met range
extender
Gemengd Nvt Nvt 100 100
Toepassing Prius Prius
Ampera/Volt
Outlander
De keuze bepaalt in feite ook de invulling de vermogensherkomst, dus naar snelheid en
vermogen. Het uitgangspunt is hierbij de grafiek vermogen als functie van de snelheid.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 60/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Indien we als voorbeeld de plug in hybriden Toyota Prius, Opel Ampera en Mitsubishi
Outlander met elkaar vergelijken (zie Tabel 4.2), dan zien we dat er met name een groot
verschil zit in:
1. De snelheid die zuiver elektrisch kan worden gereden
2. Het vermogen dat vanuit de elektromotor beschikbaar is.
Tabel 4.2: Snelheid, als percentage van de maximale snelheid, waarbij de aandrijving geheel of
gedeeltelijk vanuit de elektromotor plaats vindt.
Specificatie Eenheid Prius
PHEV
Outlander
PHEV
Ampera
PHEV
PICE [kW] 73 89 63
PEM2 [kW] 60 2*60 111
Ptot [kWh] 100 89+60 111
EBAT [kWh] 4,4 12 17
PBAT, continu [kW] ~12 ~36 ~44
PBAT, piek [kW] ~30 ~85 ~114
massa [kg] 1390 1785 1635
vmax [km/u] 180 170 161
vmax,elektrisch [km/u] 85 125 161
Acceleratie 0-100 km/u [s] 11 11 9
De Prius heeft een continu vermogen vanuit de batterij van 12 kW, hiermee kan de maximale
snelheid van 85 km/u elektrisch worden gereden. Bij de Outlander is dit vermogen 36 kW wat
overeenkomt met 125 km/u en bij de Ampera 44 kW wat overeenkomt met de topsnelheid van
161 km/u.
De Ampera is daarmee de enige PHEV van deze drie die over het hele snelheidsbereik zuiver
elektrisch kan rijden.
Hetzelfde beeld ontstaat wanneer we naar de vermogens voor het accelereren kijken. Bij de
Prius kan maximaal circa 30 kW geleverd worden door de batterij. Dat betekent dat bij de
maximum acceleratie ook vermogen uit de verbrandingsmotor nodig is. Dit geldt ook voor de
Outlander. Bij de Ampera kan ook het piekvermogen van 114 kW door de batterij geleverd
worden.
We zien dus dat er meerdere gradaties zijn in plug in hybriden. De bepalende keuzes zijn:
de snelheid tot waar zuiver elektrisch moet kunnen worden gereden vM1.
de snelheid tot waar een helling gereden kan worden zuiver elektrisch
de snelheid en actieradius zuiver elektrisch
Daarnaast zijn er de bepalende parameters met betrekking tot de verbrandingsmotor, dus:
de snelheid tot waar zuiver met de verbrandingsmotor moet kunnen worden gereden
vM2.
de snelheid tot waar een helling gereden kan worden zuiver met de
verbrandingsmotor.
Hoe de elektrische aandrijving en aandrijving met de verbrandingsmotor wordt samengesteld
is afhankelijk van de strategie die gekozen wordt aan de hand van de ritcyclus.
Figuur 4.21 geeft de vermogensopbouw weer. We zien dat met de toename van het vermogen
PW,M1 het snelheidsbereik elektrisch toeneemt. Echter bij de HEV en de PHEV wordt de
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 61/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
maximale snelheid alleen gehaald op de verbrandingsmotor PW,M2. Indien, in geval van de
Ampera het gehele snelheidsbereik elektrisch kan worden gereden zien we dat een andere
situatie waarbij PW,M2 en PW,M1 gelijk zijn voor het kunnen rijden van de maximum snelheid.
In de situatie van accelereren en helling op geldt (tijdelijk) aanspraak gemaakt wordt op het
vermogen uit de batterij, eventueel aangevuld met dat van de verbrandingsmotor.
Met de keuze voor het type aandrijving en daarmee het vaststellen van de prestatieeisen kan
de berekening opgbouwd worden.
Paragraaf 4.6 legt de basisdimensionering uit. De basisdimensionering is geeft een eerste
inschatting van de specificaties van de toe te passen componenten zodat de haalbaarheid van
de oplossing beoordeeld kan worden.
De basisberekening heeft echter een beperkte nauwkeurigheid doordat de massa van de
battterij als parameter hierin niet is verwerkt. Daarnaast houdt de berekening geen rekening
met de massa's van de andere componenten van de aandrijving zoals de coverter/inverter en
de elektrische machines. Tenslotte zijn de rendementen niet meegenomen.
De gedetailleerde berekening wordt uitgelegd in paragraaf 4.7. Hieruit volgt een betrouwbare
schatting van de componenten.
De resultaten van deze berekeningen zijn verwerkt in paragraaf 4.8.
Een zeer wezenlijk onderdeel in hybriden aandrijvingen zijn de power-split devices,
doorgaans uitgevoerd als planetaire stelsels. Deze worden toegelicht in paragraaf 0 met de
voorbeeldtoepassingen bij de Prius en de Ampera.
Tenslotte de validatie vindt plaats in paragraaf 4.10.
Hierbij worden de mogelijkheden toegelicht om door middel van de metingen en simulaties
de betrouwbaarheid van de keuzes te toetsen.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 62/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.24: Vermogensopbouw bij HEV, PHEV en E-REV
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 63/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.6 Concept: Basis dimensionering en packaging
Het doel van de conceptfase s het eerste deel van de ontwerptrechter te doorlopen. Dus van
idee tot concept. In dit proces vindt eerst divergeren plaats naar mogelijke
ontwerpoplossingen en vervolgens convergeren naar bruikbaar ontwerpoplossingen.
Hierbij vindt de toetsing plaats aan de hand van het programma van eisen
De volgende stappen worden doorlopen:
1. Het uitvoeren van de berekeningen ten aanzien van de prestaties ten aanzien van
snelheid, hieruit volgen de basiskenmerken (prestatie, massa en afmetingen) van de
componenten
2. Het uitvoeren van berekeningen ten aanzien van de prestaties ten aanzien van de
acceleratie, helling en verbruik
3. Het uitvoeren van berekeningen ten aanzien van TCO en ROI
4. Het samenstellen van de packaging, toepassing EVPT.
Meerdere concepten kunnen met elkaar worden vergeleken
Maar het kan ook de afweging zijn tussen EV, PHEV, HEV en ICE qua prijs en prestaties.
4.6.1 Berekeningen ten aanzien van de prestaties
De volgende berekeningen zijn van belang:
Berekening voertuigweerstanden
Berekening motorvermogen op basis van de topsnelheid
Berekening batterijmassa op basis van de topsnelheid en de actieradius.
4.6.1.1 Voertuigweerstanden
Rolweerstand
Alles samengesteld is de rolweerstandskracht recht evenredig met de normaalkracht en wordt
deze weergegeven door de rolweerstandscoëfficiënt frol.
gmfGfF rolrolrol ... ( 4.4 )
De gemiddelde rolweerstandcoëfficiënt voor een personenautoband ligt tussen 0,010 en 0,015
en is in het toegestane snelheidsgebied onafhankelijk van de voertuigsnelheid.
Luchtweerstand
2...
2vAcF wlucht
( 4.5 )
Hellingsweerstand
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 64/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De hellingsweerstand ontstaat als ontbonden deel van het gewicht van het voertuig evenwijdig
aan het vlak van de weg in rijrichting
sin.GFhelling ( 4.6 )
Acceleratieweerstand
xa amF .. ( 4.7 )
Door de voertuigweerstanden te sommeren tot de totale voertuigweerstanden vinden we de
essentiële karakteristiek op basis waarvan we het motorvermogen en batterijmassa kunnen
kiezen.
Stap 1. Het bepalen van het wielvermogen en batterijmassa aan de hand van de maximum
snelheid
Uit Figuur 4.5 volgt dat de topsnelheid wordt bepaald aan de hand de luchtweerstand en de
rolweerstand.
Er geldt dus:
luchtrolstot FFF , ( 4.8 )
Voor het benodigde wielvermogen bij de maximum snelheid vmax geldt nu:
max,max,, .vFPP stotmotorstot ( 4.9 )
Hoe het vermogen geleverd wordt is afhankelijk van welke mode men doorrekent en welk
type aandrijflijn het betreft.
In de volgende paragrafen wordt dat uitgewerkt.
Stap 2. Het bepalen van de Fa als functie van de snelheid
Gegeven het motorvermogen geldt dat er bij iedere snelheid lager dan de topsnelheid vmax
vermogen Pa beschikbaar is om te accelereren.
stotmotora PPP , ( 4.10 )
Hieruit volgt de kracht om te accelereren: Fa
v
PF a
a ( 4.11 )
Stap 3. Het beoordelen van de voertuigacceleratie
Gegeven de Fa kan vervolgens bepaald worden wat de voertuigacceleratie wordt:
.m
Fa a ( 4.12 )
Stap 4. Evaluatie
Voor a geldt ook:
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 65/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
t
va
( 4.13 )
Dus gegeven een de snelheidsstap Δv kunnen we bepalen welke tijd Δt hiervoor nodig is.
Door nu van de snelheid 0 tot de snelheid vmax steeds per snelheidstap ax en Δt te bepalen en
vervolgens deze Δt’s op te tellen hebben we de acceleratietijd bepaald.
a
vt
( 4.14 )
4.6.1.2 Basisvergelijkingen elektrische aandrijving
Zie Figuur 4.26.
Hoe het vermogen uiteindelijk wordt geleverd is afhankelijk van de gekozen configuratie.
Hierbij maken we onderscheid tussen het aantal motoren en de plaatsing van de motoren. Zo
kunnen voor- en achteras apart aangedreven worden. Ook is het mogelijk om bij de
aangedreven as ieder wiel apart aan te drijven.
Elektromotoren kunnen ook uitgevoerd worden als in-wheel motor.
Voor en nadelen moeten afgewogen ten aanzien van kosten, prestaties en
ontwikkeltijd/complexiteit.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 66/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Het maximaal over te brengen vermogen wordt begrensd door
Het vermogen uit de elektromotor en
het vermogen uit de batterij.
De laagste waarde telt dus.
Voorbeeld:
Levert de elektromotor 100 kW en is de som van het vermogen uit batterij gelijk aan
120 kW, dan is het maximaal over te brengen vermogen 100 kW
Voor het uitgaande vermogen in de elektromotor (EM2) geldt dus:
BATCIEMEM PP ..22 ( 4.15 )
Daarnaast moeten we ook nog het rendement de transmissie meerekenen om het vermogen
aan de wielen te bepalen:
BATCONVEMTRW
TREMW
PP
PP
...
.
2
2
( 4.16 )
Figuur 4.25: Systeembeschrijving elektrische aandrijving.
CONV / INV
Aandrijfas
Aan-
drijf-as
Differentieel
Aandrijfas
Wiel
Wiel
Band+weg
Band+weg
Pw, links
Pw, rechts
Transmissie
Krachtoverbrenging
op wegdek
Motor+aandrijflijn
Pdis,t Pdis,k
EM2 BAT TR
Elektrisch vermogen Mechanisch vermogen
Gedissipeerd vermogen (warmte)
Bij inwheel motoren
eindigt de aandrijflijn hier
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 67/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.6.1.3 Basisvergelijkingen serie-hybride aandrijving
Zie Figuur 4.26.
Er bestaat geen mechanische verbinding tussen de verbrandingsmotor en aangedreven wielen.
Het maximaal over te brengen vermogen wordt begrensd door
Het vermogen uit de elektromotor en
de som van het vermogen uit verbrandingsmotor+generator en batterij.
De laagste waarde telt dus.
Voorbeeld:
ICE
Pf
Figuur 4.26: Systeembeschrijving serie–hybride aandrijving
EM1
CONV / INV Aandrijfas
Aan-
drijf-as
Differentieel
Aandrijfas
Wiel
Wiel
Band+weg
Band+weg
PICE
Pw, links
Pw, rechts
Transmissie
Krachtoverbrenging
op wegdek
Vermogensbron
Motor+aandrijflijn
Pdis,m Pdis,t Pdis,k
Energie-
voorraad
Lucht
EM2
BAT
TR
Elektrisch vermogen
Mechanisch vermogen
Gedissipeerd vermogen (warmte)
Bij inwheel motoren
eindigt de aandrijflijn hier
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 68/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Levert de elektromotor 100 kW en is de som van het vermogen uit
verbrandingsmotor+generator en batterij gelijk aan 120 kW, dan is het maximaal
over te brengen vermogen 100 kW
Voor het uitgaande vermogen in de elektromotor (EM2) geldt dus:
122 .. EMCIBATEMEM PPP ( 4.17 )
Voor het vermogen van de generator (EM1) geldt:
11 .. EMICEfEM PP ( 4.18 )
Samengesteld wordt dit:
122 .... EMICEfCIBATEMEM PPP ( 4.19 )
Als laatste moeten we ook nog het rendement de transmissie meerekenen om het vermogen
aan de wielen te bepalen:
12
2
.....
.
EMICEfCIBATEMTRW
TREMW
PPP
PP
( 4.20 )
4.6.1.4 Basisvergelijkingen parallel-hybride aandrijving
De systeembeschrijving voor de parallel-hybride aandrijving is weergegeven in Figuur 4.27.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 69/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Voor het uitgaande vermogen in de elektromotor (EM2) geldt dus:
CIBATEMEM PP ..22 ( 4.21 )
Een parallel hybride heeft geen generator (EM1)
Voor het vermogen dat beschikbaar is vanuit de verbrandingsmotor geldt:
ICEfICE PP . ( 4.22 )
Als laatste moeten we ook nog het rendement de transmissie meerekenen om het vermogen
aan de wielen te bepalen. Samengesteld wordt dit:
ICEfCIBATEMTRW
TRICETREMW
PPP
PPP
....
..
2
2
( 4.23 )
4.6.1.5 Basisvergelijkingen gemengd-hybride aandrijving
De systeembeschrijving voor de gemengd-hybride aandrijving is weergegeven in Figuur 4.28.
ICE
Pf
Figuur 4.27: Systeembeschrijving parallel–hybride aandrijving
Koppeling
CONV / INV
Aandrijfas
Aan-
drijf-as
Differentieel
Aandrijfas
Wiel
Wiel
Band+weg
Band+weg
PICE
Pw, links
Pw, rechts
Transmissie Krachtoverbrenging
op wegdek
Vermogensbron
Motor+aandrijflijn
Pdis,m Pdis,t Pdis,k
Energie-
voorraad
Lucht
EM2
BAT
TR
Elektrisch vermogen Mechanisch vermogen
Gedissipeerd vermogen (warmte)
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 70/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Een gemengd hybride aandrijving varieert tussen de serie en de parallel hybride aandrijving:
Voor serie-hybride aandrijving hebben we de volgende vergelijking bepaald:
12 ..... EMICEfCIBATEMTRW PPP ( 4.24 )
Voor parallel-hybride aandrijving hebben we de volgende vergelijking bepaald:
ICEfCIBATEMTRW PPP .... 2 ( 4.25 )
Los van de plaatsing van ηEM2 de zijn dit dus dezelfde vergelijkingen.
4.6.1.6 Eigenschappen van de componenten van de elektrische aandrijving
De elektrische aandrijving bestaat in de minimale uitvoering uit:
1. De batterij
ICE
Pf
Figuur 4.28: Systeembeschrijving gemengd–hybride aandrijving
CONV / INV
Aandrijfas
Aan-
drijf-as
Differentieel
Aandrijfas
Wiel
Wiel
Band+weg
Band+weg
PICE
Pw, links
Pw, rechts
Transmissie Krachtoverbrenging
op wegdek
Vermogensbron
Motor+aandrijflijn
Pdis,m Pdis,t Pdis,k
Energie-
voorraad
Lucht
EM1
BAT
TR
Elektrisch vermogen Mechanisch vermogen
Gedissipeerd vermogen (warmte)
EM2
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 71/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
2. De Converter/inverter
3. De motor
Ad 1. De batterij
De batterijparameters in globale zin4 zijn:
De energiedichtheid: Ed [Wh/kg]
De energiedichtheid wordt bepaald aan de hand van de 1C waarde. Dat wil zeggen de
hoeveelheid energie die geleverd wordt bij gematigde vermogensafname.
Indien meer vermogen wordt afgenomen wordt de energiedichtheid lager.
Voorbeeld 15 kWh bij 1C betekent dat dus 15 kW gedurende 1 uur kan worden
afgenomen.
De vermogensdichtheid: Pd [W/kg]
De vermogensdichtheid kan gerelateerd worden aan de energiedichtheid. Een
vuistregel is dat de vermogensdichtheid bi 3C wordt bepaald: Dat betekent dat de
batterij maximaal 45 kW aan vermogen kan leveren.
Het rendement bij ontladen en laden
Hierbij treden verliezen op afhankelijk van de interne weerstand in de batterij.
Het gebruiksbereik van de batterij: DOD (Depth Of Discharge)
Het gebruiksbereik geeft aan wat het werkgebied is van de batterij als percentage van
de totale energie inhoud. Bij 15 kWh en een DOD van 80% is de effectieve energie
inhoud 12 kWh. De DOD heeft geen effect op de vermogensdichtheid.
Batterijen voor een EV worden ontworpen op hoge energiedichtheid en batterijen voor een
HEV worden ontworpen op vermogensdichtheid: (zie Figuur 4.29)
Van massa naar afmetingen
Batterijconditionering en packaging
Onderstaand een overzicht van de prestaties van diverse opslagsystemen [27].
Technologie levenscycles Efficientie
[%]
Vermogens-
dichtheid
[W/kg]
Energie-dichtheid
[Wh/kg]
Loodzuur batterij 500-800 50-92 150-400 30-40
Li-ion batterij 400-1200 80-90 300-1500 150-250
NiMH batterij 500-1000 66 250-1000 30-80
Ultracap 1000000 90 1000-9000 0,5-30
Voor Li-Ion geldt: Wh/kg naar Wh/l: factor 1,5 [29]
4 In globale zin waarbij we de batterij als black box beschouwen. Meer in detail vindt dimensionering naar het
aantal cellen plaats aan de hand stroomdichtheid [Ah] en de spanning [V] per cel. Afhankelijke van de gewenste
samengestelde spanning moeten de batterijen in serie en parallel geschakeld worden.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 72/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Ad 2. De converter/inverter
Met een converter wordt de spanning geregeld. Deze vindt in deze keten de plaats in
gelijkspanningsmotoren (DC).
De Inverter stelt een (meerfase)wisselspanning samen waarmee wisselstroommotoren
(AC) worden aangestuurd.
In energie gerelateerde berekeningen is alleen het rendement van belang.
Ad 3. De motor/generator
De elektromotor zet elektrisch vermogen om in mechanisch vermogen. Het rendement van
deze omzetting varieert tussen 0,7 en 0,95 afhankelijk van het werkpunt.
In het ideale geval geldt: P(omega)=C
In dat geval geld (M=P/omega)
Hiermee onstaat een ‘ideale’ trekkrachtkromme aan de wielen.
In de praktijk geldt dat het vermogen niet gelijk de maximale waarde heeft bij het wegrijden.
Dit heeft meerdere redenen. Mechanisch gezien omdat de componenten in de aandrijflijn
beperkt belastbaar zijn en elektrisch gezien vanwege de warmteontwikkeling (de verliezen) in
de motor.
Indien men een motor kiest is dat op basis van de zogenaamde nominale karakteristiek. Dat
wat de motor in duurbelasting kan realiseren. Voor kortstondig accelereren of decelereren (en
Figuur 4.29: Energie en vermogensdichtheden van batterijen [28]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 73/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
hiermee regenereren) wordt het piekvermogen gehanteerd. Het piekvermogen kan 1,5 tot 2
keer het nominale vermogen bepalen. De beperking wordt hierbij in de warmteafgift. Een
vloeistof gekoelde motor kan dus langer en zwaarder belast worden dan een luchtgekoelde
motor.
Het laatste werkpunt dat van belang is is het kunnen rijden tegen een helling op.
4.6.1.7 Uitvoering en resultaat
Onderstaande geldt voor de ideale elektrische aandrijving. Dat betekent dat de het hele
snelheidsbereik elektrisch wordt aangedreven.
Stap 1. Het bepalen van het motorvermogen aan de hand van de maximum snelheid
De volgende parameters zijn van belang:
Voor de Frol
o De rolweerstandscoëfficiënt: frol= 0,015
o De voertuigmassa (zonder passagiers en bagage): mtot= 750 kg
Voor de Flucht
o Het frontaal oppervlakte: A=1,9 m2
o De luchtweerstandscoefficient cw= 0,3
o De soortelijke massa van lucht: ρ= 1,27 kg/m3
o De maximum snelheid: vmax= 50 m/s
NgmfGfF rolrolrol 11081,9.750.015,0...max,
Nv
AcF wlucht 9052
50.27,1.9,1.3,0
2...
22
maxmax,
NFFF luchtrolstot 1015905110max,,
Tot slot geldt voor het benodigde motorvermogen
WvFP stotstot 5075050.1015. max,max,, met W=N.m/s
Het motorvermogen Pmotor wordt dus 50750 W (50761 W exact)
Over het gehele bereik van de snelheid v wordt dit, zie Figuur 4.30
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 74/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Stap 2. Het bepalen van de Fa als functie van de snelheid
De berekening moet uitgevoerd worden voor een aantal niveau’s van de snelheid tussen 0 en
vmax
Voorbeeld, v=20 m/s
Nv
AcF wlucht 1452
20.27,1.9,1.3,0
2...
22
NFFF luchtrolstot 255145110,
Tot slot geldt voor het benodigde motorvermogen:
WvFP stotstot 510020.255. max,,
Hieruit volgt dan voor Pa:
WPPP stotmotora 45650510050750,
Hieruit volgt Fa
Nv
PF a
a 228320
45650
Over het gehele bereik van de snelheid v wordt dit, zie Figuur 4.31 en Figuur 4.6
Figuur 4.30: Stationaire voertuigweerstanden als functie van de voertuigsnelheid
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Stationaire voertuigweerstanden als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
zie
legenda
F rol [N]
F lucht [N]
F tot,s [N]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 75/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Stap 3. Het beoordelen van de voertuigacceleratie
De berekening moet uitgevoerd worden voor een aantal niveau’s van de snelheid tussen 0 en
vmax
Voorbeeld, v=20 m/s
Figuur 4.32: Stationaire, accelererende en totale aandrijfkracht als functie van de
voertuigsnelheid
Figuur 4.31: Stationaire en accelererende motorvermogen als functie van de
voertuigsnelheid
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Stationaire, accelerende en totale aandrijfkracht als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
zie
legenda
F tot s [N]
F a [N]
F tot [N]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
10
20
30
40
50
60
Stationaire en accelerende motorvermogen als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
zie
legenda
P tot s [kW]
P a [kW]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 76/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Gegeven de Fa kan vervolgens bepaald worden wat de voertuigacceleratie wordt:
2/04,31.750
2283
.sm
m
Fa a
met 1 [-]
Over het gehele bereik van de snelheid v wordt dit, zie Figuur 4.33.
Stap 4. Evaluatie
Het resultaat is in Figuur 4.34 weergegeven.
Figuur 4.33: Stationaire, accelererende en totale aandrijfkracht als functie van de
voertuigsnelheid
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Voertuigacceleratie (theoretisch) als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
a [
m/s
2]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 77/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Uit de berekening volgt:
Maximaal motorvermogen: 50,8 kW
Acceleratie
o 0-25% vmax: 1,7 s (wens 2 s)
o 25-50% vmax: 4,8 s (wens 4 s)
o 50-75% vmax: 9,5 s (wens 8 s)
o 75-100% vmax: 22,8 s (wens 16 s)5
We concluderen dat het voertuig in de eerste opzet redelijk aan zijn specificaties voldoet.
De berekening zegt nu alleen wat over het motorvermogen. Wat betekent dit voor de
batterijmassa en prestaties ten aanzien van het rijden op een helling.
Eisen: Mode Snelheid [m/s] Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 15 0 4% 0 0
2 (op P_ICE) 35 4% 0 0
3 (op P_ICE
en P_bat)
50 0% 0
De batterijmassa volgt uit het bereik en de motorvermogen bij de maximum snelheid.
Aldus volgt:
5 Het betreft hier de waarde tot 95% van de maximum snelheid omdat de echte maximum snelheid pas na een
(zeer) lange tijd gehaald wordt.
Figuur 4.34: Cumulatieve acceleratietijd als functie van de voertuigsnelheid
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
5
10
15
20
25
30
35
Cumulatieve acceleratietijd (theoretisch) als functie van de voertuigsnelheid
v [m/s]
t cum
ula
tief
[s]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 78/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
CIEMTR
MW
BAT
PP
.. 2
1, ( 4.26 )
Voor PW,M1 geldt nu met als basis:
11, . MhellingluchtrolMW vFFFP ( 4.27 )
de volgende vergelijking:
1
2
11, ....2
1)sincos..(. MMWRHYBRtotMW vvAcfmmgP
( 4.28 )
De algemene vergelijking voor het vermogen dat een batterij kan leveren is ook gelijk aan het
product van de vermogensdichtheid en massa van de batterij.
BATBATdBAT mPP ., ( 4.29 )
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 79/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.6.2 Berekeningen ten aanzien van TCO
De Total Cost of Ownership (TCO) richt zich op de kosten voor
• Aanschaf
• Onderhoud
• Verbruik en gebruik
Bij met name EV’s zijn ten opzichte van de ICE voertuigen de aanschafkosten hoger maar
daarna zijn de kosten voor onderhoud en gebruik (belastingen) eb verbruik (energie) veel
lager. De TCO gebruik je om de koppeling te leggen met het gebruiksprofiel. Anders
gesteld: als je het gebruiksprofiel kent en de kosten van de ICE variant ook, dan kun je
hiermee de eisen formuleren voor de kosten van aanschaf van de elektrische/hybride
aandrijving.
HR GTZero Burton Petrol Burton Electric
Aanschafprijs: 33.518,44€ 19.995,00€ 38.000,00€
TCO 37.771,94€ 33.571,80€ 41.625,03€
Kosten per kilometer 0,60€ 0,53€ 0,66€
Investeringskosten: 26.148,49€ 16.396,01€ 31.351,97€
TCO 30.742,14€ 28.974,73€ 35.054,33€
Kosten per kilometer 0,49€ 0,46€ 0,56€
Investeringskosten: 27.560,79€ 15.764,51€ 31.403,72€
TCO 32.020,27€ 30.948,08€ 35.498,12€
Kosten per kilometer 0,51€ 0,49€ 0,56€
Scenario: aankoop volledig voertuig
Scenario: zelfbouw met uitbesteed werk
Scenario: zelfbouw zonder uitbesteed werk
Total Cost of Ownership
Figuur 4.35: Voorbeeld TCO eindresultaten HR GTZero
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 80/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.6.3 Het samenstellen van de packaging, toepassing EVPT.
Referentie:
[R.M.M.Hogt; Electric Vehicle Packaging Tool; Hogeschool Rotterdam; November 2012]
Zie Figuur 4.36.
Door het plaatsen van batterijen en het vervangen van de bestaande aandrijving door een elektrische
aandrijving verandert de massa (m) en het traagheidsmoment (Jz) van een voertuig. Daarnaast kan
de positie van het zwaartepunt veranderen. Deze kunnen beiden effect hebben op het stationaire en
dynamische rijgedrag van een voertuig.
Zo zal het verplaatsen van het zwaartepunt naar achter leiden tot een minder onderstuurd voertuig
(met het risico op een overstuurd voertuig). Ook zal hierdoor en ten gevolge van de mogelijk hogere
traagheidsmoment het voertuig in een uitwijkmanoeuvre trager de reageren. Dit effect is uiteraard
het grootst wanneer de batterijen boven te achteras worden geplaatst. Echter ook wanneer men de
batterijen centraal plaatst zullen in mindere mate dezelfde effecten optreden.
Eenzelfde vraagstuk speelt wanneer de hoogte van het zwaartepunt van het voertuig verandert.
Het plaatsen van bijvoorbeeld een deel van de batterijen voor in het voertuig zou het rijgedrag
het minst wijzigen maar is vanuit het oogpunt van de passieve veiligheid een niet logische keuze.
Voor de ontwerper is het van belang vroegtijdig inzicht te verwerven in deze relaties om zodoende
de juiste ontwerpkeuzes te maken vanuit het oogpunt van rijgedrag van het voertuig de kostprijs van
het voertuig en de ontwikkelingstijd. Daarnaast moeten de keuzes aansluiten op de keuzes ten
aanzien van passieve veiligheid en voertuigpackaging.
Omdat de voertuigdynamica is een specialistisch vakgebied zou de ontwerper ermee geholpen zijn
als een eenvoudige tool toegepast kan worden. Enerzijds om op basis van de voertuigparameters
gegevens vast te stellen van de aandrijving (massa batterij gegeven een gewenste actieradius) en
anderzijds om als deze gegevens bekend zijn dit direct te kunnen toetsen aan het gewenste rijgedrag
van het voertuig. Indien bekend is hoe het gewenste voertuiggedrag wijzigt, dan is het ook wenselijk
om dit dan vervolgens weer te corrigeren naar het gewenste voertuiggedrag
Ook
Ook voor de regelgevende en keurende instantie is het van belang een objectieve toetsing te kunnen
Figuur 4.36: De verschillen tussen het referentievoertuig met conventionele aandrijving en het
voertuig met een elektrische aandrijving
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 81/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reference packaging Specification EV
(speed, driving range,
possible battery
positions)
Reference vehicle
parameters
Reference
characteristic values
vehicle handling
Correction algorithm
Compiles results without corrected cornering stiffness
front and/or rear axle
Compile results with corrected
cornering stiffness front
and/or rear axle
Characteristic values
vehicle handling
# configurations
Vehicle parameters
# configurations
1
2
3
4
doen
Een correcte uitspraak
vraagt om de juiste
parameters en daarmee
de kennis om deze te
kunnen
schatten. Het onderzoek
dat door de Hogeschool
Rotterdam is uitgevoerd
in het kader van het
Raak
Pro e-Mobility lab heeft
tot doel het complexe
vraagstuk in te vullen
met een handzame tool:
Electric
Vehicle Packaging Tool,
EVPT.
De EVPT kan toegepast
worden als specifiek
model of als generiek
model. Bij het specifieke
model
wordt gebruik gemaakt
van de parameters van
het te onderzoeken
voertuig. Hiermee
worden voor
dit voertuig de gevolgen
van elektrificering
berekend en
gevisualiseerd.
Bij het generieke model
wordt de verandering
van de massa, de ligging van het zwaartepunt gebruikt
om de effecten op het rijgedrag te beoordelen aan de hand van een tabellenboek.
Dit tabellenboek is opgesteld op basis grote aantallen berekeningen en simulaties met het specifieke
model. De resultaten zijn vertaald naar een wiskundige vergelijking van waaruit de tabellen zijn
berekend.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 82/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.6.3.1 Werkwijze
Stappen:
1. Bepaal voor het basis voertuig (met verbrandingsmotor) de ligging van het zwaartepunt
(xpos0)
2. Kies de categorie(ën) van xpos die daar het dichtst bij ligt/liggen.
a. Er zijn 5 categorieën met xpos0 op 20,30,40,50 en 60% van de wielbasis
b. Er zijn 3 categorieën voor de nominale karakteristieke snelheid.
50 km/u voor stadsbussen, 80 km/u voor personen en bestelwagens en 140 km/u voor
sportwagens
c. Er zijn drie categorieën voor de batterijplaatsing
i. Jz1: centraal geplaatst tussen voor en achteras
ii. Jz2: gelijkmatig verdeeld over de lengte van het voertuig
iii. Jz3: geplaatste voorbij vooras en/of achter achteras
De categorieën zijn herkenbaar in de filenaam:
EVPT_xx_y_z.pdf
o xx is de karakteristieke snelheid
o y is de categorie voor xpos0
o z is de categorie voor Jz
De filenaam met toevoeging ‘c’ bevat de tabellen voor samengesteld met het
correctiealgoritme voor cv en ca
3. Bepaal aan de hand van het voertuigontwerp (plaatsing componenten)
a. De verandering van de ligging van het zwaartepunt
𝑥𝑝𝑜𝑠_𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑒𝑓 = 𝑥𝑝𝑜𝑠/𝑥𝑝𝑜𝑠0
b. De verandering van de voertuigmassa
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑒𝑓 = 𝑚𝑡𝑜𝑡/𝑚𝑡𝑜𝑡0
4. Aan de hand van de tabel kan nu beoordeeld worden
a. Hoe groot de verandering in het voertuiggedrag is
i. Stationair lateraal gedrag: stuurgradiënt en karakteristieke snelheid
ii. Dynamisch lateraal gedrag: responsietijd tmax en overshoot van de
gierhoeksnelheid bij een stapvormige stuurinput bij nominale karakteristieke
snelheid
b. Wat de aanpassingen in de slipstijfheid voor (cv) en (ca) moeten zijn om het
voertuiggedrag weer gelijk te maken aan dat van het origineel
In de tabellen worden drie kleuren gehanteerd:
Groen: verandering <=10%
>>> geen aanpassing cv en/of ca nodig
Geel: verandering >10% en <=20%
>>> cv en of ca aanpassen
Rood: verandering >20%
>>> vermijden/niet toepassen, kies andere plaatsing en/of massa componenten
In Figuur 4.37 en Figuur 4.38 het voorbeeld voor de stuurgradiënt: bovenstaand de kleuren en
onderstaand de relatieve waarde van de verandering.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 83/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De EVPT rekent tevens uit wat de verandering in de slipstijfheid op de vooras en achteras
moet zijn om weer tot hetzelfde rijgedrag terug te komen.
Dit is in de Figuur 4.39 weergegeven.
Figuur 4.38: Stuurgradient: effect van de verandering van de voertuigmassa en de ligging
van het zwaartepunt, relatieve waarden
Figuur 4.37: Stuurgradiënt: effect van de verandering van de voertuigmassa en de ligging
van het zwaartepunt: kleurindicatie
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 84/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.39: Correctie algoritme voor dynamisch lateraal gedrag
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 85/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 86/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.7 Engineering: Detail dimensionering en uitwerking aandrijving
In deze paragraaf wordt de detail dimensionering van de aandrijving behandeld.
We maken onderscheid tussen een full hybrid en een plug in hybrid, waarbij de berekening
voor de full hybrid het startpunt is.
Uit de dimensionering volgt de massa van de batterij en de overige hybride componenten
zodat hiermee de technische packaging van het het voertuig samengesteld kan worden.
Tot slot: de gekozen benadering is een vereenvoudigde benadering, opgesteld door de
auteur. Het voldoet als eerste orde benadering voor het samenstellen van de technische
packaging in het D0/D1-beslismoment (product-idea/definition) in het ontwikkeltraject van
het voertuig.
4.7.1 Dimensionering hybride aandrijving met verbrandingsmotor
Het type hybride bepaalt de opbouw van de berekening. Hierbij wordt onderscheid gemaakt
tussen hybriden en plug in hybriden en tussen het type hybride (serie, parallel, gemengd)
In lijn met de systeembeschrijvingen kunnen de basisvergelijkingen voor de hybride
aandrijving worden opgesteld.
4.7.1.1 Werkwijze voor dimensionering hybride aandrijving
Tijdens het ontwerpproces van een hybride aandrijving worden parameters in 4 stappen
vastgelegd (zie Figuur 4.40):
1. Topologie: layout aandrijflijn, basis technische packaging
2. Afmetingen componenten
3. Rendement componenten
4. Regelstrategie
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 87/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Over de regelstrategie bij hybride aandrijvingen zijn reeds vele publicaties verschenen en op
basis daarvan zijn richtwaarden gegeven voor de componenten in een hybride aandrijflijn. Zie
[ 1] , [ 17] en [ 18].
Deze zijn echter ook weer gebaseerd op aannames met betrekking tot het gebruik (de
ritcyclus) van het voertuig, de gewenste levensduur van de batterij, kosten en prestaties
(acceleratie).
Mode 1: (op batterij)
CIBATEMTRMW PP ... 21, ( 4.30 )
Mode 2: (op brandstof)
Serie: 122, .... EMICEfEMTRMW PP ( 4.31 )
Parallel: ICEfTRMW PP ..2, ( 4.32 )
Mode 3: (op batterij en brandstof)
Serie: 123, ..... EMICEfCIBATEMTRMW PPP ( 4.33 )
Parallel: ICEfCIBATEMTRMW PPP .... 23, ( 4.34 )
Werkwijze
Als basis wordt uitgegaan van een vereenvoudigde benadering op basis van:
de maximale snelheid +belading+helling waarop met mode 1 kan worden gereden, deze
geeft PBAT
de maximale snelheid +belading+helling waarop met mode 2 kan worden gereden, deze
geeft PICE
Figuur 4.40: Ontwerp parameters, parameter beschrijving en subparameers bij ontwerp
hybride aandrijving [ 1]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 88/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Hiermee zijn het vermogen van de verbrandingsmotor en het vermogen van de batterij
bepaald. Vervolgens kan hiermee het piekvermogen aan de wielen worden bepaald voor mode
3. Hieruit volgende de maximale acceleratie en topsnelheid (kortstondig)
Het rekenschema is weergegeven in Figuur 4.41.
In dit rekenschema wordt voor de normale hybride de massa van de batterij bepaald uit het
benodigde vermogen uit de batterij.
In het nu volgende worden eerst de hybriden behandeld, daarna de plug in hybriden.
Het wezenlijke verschil is dat bij hybride het vermogen dat de batterij levert maatgevend is en
dat bij de plug in hybride de energie inhoud van de batterij maatgevend is.
De berekeningen worden altijd eerst uitgevoerd voor de normale hybriden. Hieruit volgt de
basis hybride aandrijflijn.
Vervolgens worden hier de specificatie van de plug in hybride aandrijflijn gekoppeld.
Er zijn nu twee mogelijkheden.
de energie inhoud van de batterij is maatgevend
het vermogen van de batterij is maatgevend
We gaan uit van de worst-case, dus de maximaal bepaalde batterijmassa is maatgevend.
Indien de batterij bij een plug in een grotere energieinhoud krijgt, krijgt deze ook een groter
vermogen (PBAT). Dit kan tot een herziening leiden van de het vermogen de de
verbrandingsmotor (PICE) moet leveren
Aangezien er een direct verband is tussen de massa van de batterij, het gewenste vermogen en
de gewenste energieinhoud en de voertuigacceleratie en topsnelheid is de massa van de
batterij zowel een parameter bij de voertuigweerstanden (rol, helling en accelatie) als bij
vermogensdichtheid en energieinhoud.
Dit kan wiskundig worden opgelost en aldus zal dit in de komende paragrafen ook volgen.
Figuur 4.41 is dus een vereenvoudiging van het rekenschema.
Het voorgaande gaat uit van alleen de toepassing van batterijen. Deze kunnen een beperkende
factor zijn indien het gewenste vermogen waarmee een batterij bij regeneratief remmen
opgeladen kan worden niet gehaald wordt. In dat geval kan men ultracaps toepassen. Deze
hebben daarnaast als voordeel dat ze in het dynamische gebied de piekstromen bij de batterij
verlagen wat de levensduur ten goede komt.
Omdat de laad/ontlaad cyclus van de ultracaps zich doorgaans in maximaal 10tallen seconden
plaatsvindt is de dimensionering van de ultracaps alleen relevant voor het dynamische gedrag.
Deze berekeningen voor de batterijmassa blijven dus geldig en noodzakelijk.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 89/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.41: Rekenschema dimensionering hybride aandrijving
PW,M1
Voertuigparameters tav van Rolweerstand, Luchtweerstand, Hellingsweerstand: - Massa (excl massa hybride aandrijving)
- Parameters luchtweerstand en rolweerstand
- Hellingshoek
PW,M2
PW,M3
Serie Parallel Gemengd
mBAT,P mBAT,E mBAT,E
MAX
MAX
mBAT
Eisen actie-
radius zuiver
elektrisch
Eisen
brandstof-verbruik
gemengd hybride
Plug in hybride
Acceleratie en topsnelheid (kortstondig)
PICE
PW,M1,plugin
PW,M2,plugin
EBAT EBAT
PBAT
PICE
Voldoet ?
Overweeg toepassing van
energiebuffering met
ultracaps, vliegwiel etc..
Evaluatie van de mogelijkheden voor regeneratief
remmen, aansluitend keuzes met betrekking tot
energiebuffering (her)overwegen
nee
ja
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 90/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.7.1.2 Toepassing dimensionering hybride aandrijving
Voor het vermogen van de batterijen wordt uitgegaan van de eerdere vergelijking voor mode
1.
Aldus volgt:
CIEMTR
MW
BAT
PP
.. 2
1, ( 4.35 )
Voor PW,M1 geldt nu met als basis:
11, . MhellingluchtrolMW vFFFP ( 4.36 )
de volgende vergelijking:
1
2
11, ....2
1)sincos..(. MMWRHYBRtotMW vvAcfmmgP
( 4.37 )
De algemene vergelijking voor het vermogen dat een batterijs kan leveren is ook gelijk aan
het produkt van de vermogensdichtheid en massa van de batterij’s
BATBATdBAT mPP ., ( 4.38 )
Teneinde de massa van de batterij te kunnen bepalen in relatie tot verandering van de
voertuigweerstanden kunnen we beide vergelijkingen kunnen samenvoegen.
Hieruit volgt de massa van de batterij!.
De total toegevoegde massa is gelijk aan de massa van de batterij plus de massa van de
overige componenten van de hybride aandrijving.
CIEMEMBATHYBR mmmmm 21 ( 4.39 )
De massa van de componenten is afhankelijk van mBAT en PW,M3. Dit wordt nu toegelicht:
In geval van de parallel hybride kunnen de massa van al deze componenten
geschreven worden als functie van de massa van de batterij. De elektromotor wordt
immers alleen gevoed vanuit de batterij die daarmee bepalend is voor het vermogen
dat elektromotor moet leveren.
De massa van de generator (EM1) vervalt voor de parallel hybride.
We definiëren voor de parallel hybride cm,EM2 en cm,CI.
BATEMmEM
BAT
EMEMm mcm
m
mc .2,2
22, ( 4.40 )
en
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 91/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
BATCImCONV mcm ., ( 4.41 )
De massa van de parallel hybride aandrijving kan nu geschreven worden als:
CImEMmBATparallelHYBR ccmm ,2,. 1. ( 4.42 )
In geval van de serie hybride is de massa van de convertor/invertor een functie van de
massa van de batterij. De massa van de andere componenten (EM1, EM2) wordt nu
bepaald door het vermogen dat bij Mode 3 (maximale prestaties) moet worden
doorgegeven.
Dit vermogen PW,M3 is ook weer een functie van de rol/lucht/hellingsweerstand. Omdat
dit vermogen de topsnelheid vertegenwoordigt is de hellingshoek 0. Bij zo’n hoge
snelheid is de luchtweerstand maatgevend voor de totale stationaire
voertuigweerstand. Daarnaast geldt dat de componenten van de hybride aandrijving
ook weer een beperkt deel vormen van de voertuigmassa.
We kunnen dus uitgaan van een benadering van de PW,M3 op basis van
luchtweerstandkracht en een rolweerstand met een globale schatting van de massa van
de aandrijflijn.
De elektromotor wordt alleen gevoed vanuit de batterij die daarmee bepalend is voor
het vermogen dat dat elektromotor moet leveren. We definiëren hiertoe de constante
cp,EM1 en cp,EM2
3,1,1
3,
11, . MWEMpEM
MW
EMEMp Pcm
P
mc en 3,2,2 . MWEMpEM Pcm ( 4.43 )
2,1,3,,, .1. EMpEMpMWCImBATserieHYBR ccPcmm ( 4.44 )
Bij een gemengd hybride bepaalt de verhouding tussen PW,M1 en PW,M2 welke
maatgevend is:
- PW,M1>= PW,M2, dan rekenen als serie hybride, dus rekenen met mHYBR,serie
Dit omdat mEM1 en mEM2 dan belangrijker zijn (grotere massa voor deze
componenten.
- PW,M1< PW,M2, dan rekenen als parallel hybride, dus rekenen met mHYBR,parallel
Idem, maar nu juist minder grote massa voor deze componenten
Voor een gemengd hybride moet men dus altijd beiden berekenen!
De complete vergelijking kan nu samengesteld worden:
CIEMTR
MMWRHYBRtot
BATBATd
vvAcfmmg
mP
..
....2
1)sincos..(.
.2
1
2
1
,
( 4.45 )
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 92/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Afhankelijk van serie of parallel hybride aandrijving kan de massa mHYBR,serie of mHYBR,parallel
hier ingevuld worden
Vervolgens kunnen we de vergelijking verder ordenen en de massa van de batterij bepalen.
4.7.1.2.1 Seriehybride
CIEMTR
MMWRserieHYBRtot
BATBATd
vvAcfmmg
mP
..
....2
1)sincos..(.
.2
1
2
1,
,
( 4.46 )
We schrijven mHYBR,serie nu uit en halen wat termen van rechts naar links:
Daarnaast definiëren we TermA (constante voor rolweerstand en hellingsweerstand) en TermB
(de luchtweerstandkracht)
)sincos.( RfTermA ( 4.47 )
2
1...2
1MW vAcTermB ( 4.48 )
We krijgen nu
TermBTermAccPcmmgmv
PEMpEMpMWCImBATtotBAT
M
BATdCIEMTR ..1..
....2,1,3,,
1
,2
en we definieren TermC :
1
,2 ....
M
BATdCIEMTR
v
PTermC
( 4.49 )
en dan volgt:
TermBTermAccPcmmgmTermC EMpEMpMWCImBATtotBAT ..1... 2,1,3,,
De vergelijking gaan we ordenen in termen met en zonder mBAT
TermBTermAccPmgcTermAgTermCm EMpEMpMWtotCImBAT ...1... 2,1,3,,
We kunnen nu mBAT berekenen:
CIm
EMpEMpMWtot
BATcTermAgTermC
TermBTermAccPmgm
,
2,1,3,
1..
...
( 4.50 )
Enige controles:
- de eenheid van de teller is N en die van de noemer is N/kg, dus mBAT is kg:
KLOPT
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 93/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
- Indien mBAT veel groter is dan de andere massa’s van de hybride aandrijving,
dan wordt de vergelijking:
..
..
TermAgTermC
TermBTermAmgm tot
BAT
We zien hier een vergelijking ontstaan waarin termA het aandeel van
rolweerstand en hellingsweerstand vertegenwoordigt. Naarmate deze groter
wordt zal de noemer kleiner worden en de teller groter worden: KLOPT
- Indien een op een vlakke weg de rolweerstand veel kleiner is dan de
luchtweerstand, dan wordt de vergelijking
1,2
1
,2
.....
....
.
MluchtBATdCIEMTRBAT
M
BATdCIEMTR
luchtBAT
BAT
vFPm
v
P
Fm
geeftinvullenTermC
TermBm
Links staat hier en geleverde vermogen uit de batterij. Rechts het gevraagde
vermogen uit de luchtweerstandskracht: KLOPT
Voorbeeldresultaat, zie Figuur 4.42 (voertuig Ecologic, Li-Ion batterij’s (vermogensdichtheid
432 W/kg),
- Conditie 1= onbeladen, vlakke weg
- Conditie 2= beladen, vlakke weg
- Conditie 3=onbeladen, helling
- Conditie 4=beladen, helling:
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 94/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.7.1.2.2 Parallelhybride
Hiervoor geldt een soortgelijke benadering, alleen met:
CImEMmBATparallelHYBR ccmm ,2,. 1.
CIEMTR
MMWRparallelHYBRtot
BATBATd
vvAcfmmg
mP
..
....2
1)sincos..(.
.2
1
2
1,
,
( 4.51 )
We schrijven mHYBR,parallel nu uit en halen wat termen van rechts naar links:
Daarnaast definiëren we TermA (constante voor rolweerstand en hellingsweerstand) en TermB
(de luchtweerstandskracht)
)sincos.( RfTermA ( 4.52 )
Figuur 4.42: Batterijmassa als functie van de snelheid vM1 bij vier verschillende condities
0 5 10 15 20 25 300
50
100
150
200
250
300
Accumassa bij een gegeven snelheid v M1 (op basis van het accuvermogen)
Snelheid [m/s]
accum
assa [
kg]
conditie 1
conditie 2
conditie 3
conditie 4
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 95/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
2
1...2
1MW vAcTermB ( 4.53 )
We krijgen nu
TermBTermAccmmgmv
PCImEMmBATtotBAT
M
BATdCIEMTR .1..
....,2,
1
,2
en we definieren TermC :
1
,2 ....
M
BATdCIEMTR
v
PTermC
( 4.54 )
en dan volgt:
TermBTermAccmmgmTermC CImEMmBATtotBAT .1... ,2,
De vergelijking gaan we ordenen in termen met en zonder mBAT
TermBTermAmgccTermAgTermCm totCImEMmBAT ..1... ,2,
We kunnen nu mBAT berekenen:
CImEMm
tot
BATccTermAgTermC
TermBTermAmgm
,2,1..
..
( 4.55 )
4.7.1.3 Toepassing dimensionering plug-in hybride aandrijving
In geval van een plug-in hybride kan de specificatie zijn:
1. bereik volledig elektrisch bij een constante snelheid
2. bereik hybride met gewenst verbruik (km/l) bij een constante snelheid
In beide gevallen volgt hieruit een gewenste energie inhoud van de batterij (EBAT,plugin).
Hieruit volgt de PBAT,plugin en omdat PW,M3 hetzelfde blijft de PICE,plugin .
Ook hier is er een directe relatie tussen de massa van de batterij (dus de energie inhoud) en de
voertuigweerstanden.
Specificatie 1: bereik volledig elektrisch bij een constante snelheid
Rekenen we volgens specificatie 1, dan gaan we uit van de berekeningen van PM1 van de
normale hybride. Alleen worden de berekeningen nu niet uitgevoerd naar vermogen maar naar
energie.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 96/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De vergelijking voor PBAT kunnen we dus herschrijven als:
CIEMTR
MW
BAT
EE
.. 2
1, ( 4.56 )
De algemene vergelijking voor het vermogen dat een batterijs kan leveren is ook gelijk aan
het produkt van de vermogensdichtheid en massa van de batterij’s
BATBATdBAT mDODEE .., ( 4.57 )
Voor EW,M1 geldt nu:
tvFFFE MhellingluchtrolMW .. 11, ( 4.58 )
We schrijven hier v.t(=s) omdat we uitgaan van een constante snelheid vM1.
Ook hier kunnen we de massa van de hybride componenten benoemen. Belangrijk is dat nu de
massa mEM1, mEM2 en mCI nu reeds bekend zijn.
De complete vergelijking kan nu samengesteld worden:
CIEMTR
MMWRCIEMEMBATtot
BATBATd
tvvAcfmmmmmg
mDODE
..
.....2
1)sincos..(.
..2
1
2
121
,
( 4.59 )
Hieruit kan mBAT bepaald worden.
We passen weer TermA en TermB toe:
)sincos.( RfTermA ( 4.60 )
2
1...2
1MW vAcTermB ( 4.61 )
Hiermee wordt de vergelijking
CIEMTR
MCIEMEMBATtotBATBATd
tvtermBTermAmmmmmgmDODE
..
......
2
121,
( 4.62 )
Bij de rechter term gaan we mBAT apart plaatsen zodat deze vervolgens naar links gebracht
kan worden.
CIEMTR
MCIEMEMtot
CIEMTR
MBATBATBATd
tvtermBTermAmmmmgtvTermAmgmDODE
..
....
..
......
2
121
2
1,
(
4.63
CIEMTR
MCIEMEMtot
CIEMTR
MBATBATBATd
tvtermBTermAmmmmgtvTermAmgmDODE
..
....
..
......
2
121
2
1,
(
4.64 )
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 97/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
CIEMTR
MCIEMEMtot
BAT
CIEMTR
MBATd
tvtermBTermAmmmmgm
tvTermAgDODE
..
.....
..
....
2
121
2
1,
( 4.65 )
CIEMTR
MBATd
CIEMTR
MCIEMEMtot
BATtvTermAg
DODE
tvtermBTermAmmmmg
m
..
....
..
....
2
1,
2
121
( 4.66 )
tvTermAgDODE
tvtermBTermAmmmmgm
MCIEMTRBATd
MCIEMEMtotBAT
.......
....
12,
121
( 4.67 )
Indien we een parallel hybride hebben geldt : mEM1=0
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 98/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Specificatie 2: Bereik hybride met gewenst verbruik (km/l) bij een constante snelheid
Nu geldt dat er gedurende een bepaalde tijd bij een constante snelheid vermogen geleverd
wordt vanuit de batterij en de verbrandingsmotor.
We rekenen nu vanuit de specificatie van het ‘fuel economy’ [km/l]. Hieruit volgt hoeveel
energie aan de wielen beschikbaar is vanuit de verbrandingsmotor. Ook is bekend hoeveel
energie totaal nodig is. Het verschil daartussen is de energie die de batterij moet leveren.
We gaan dus uit van mode 3.
De eerdere vergelijking voor PW,M3 gaan we herschrijven naar energie:
123, ..... EMICEfCIBATEMTRMW EEE ( 4.68 )
Voor EW,M3 kunnen we schrijven:
tvFFFE MhellingluchtrolMW .. 23, ( 4.69 )
NB:
We schrijven hier v.t(=s) omdat we uitgaan van een constante snelheid vM2.
vM2 is hierbij de kruissnelheid van het voertuig
Met massa’s wordt dit:
tvvAcfmmmmmgE MMWRCIEMEMBATtotMW .....2
1)sincos..(. 2
2
3213,
( 4.70 )
NB:
In geval van een parallel plug in hybride is mEM1 0
Tevens geldt dan ICEfEMCIBATTRMW EEE .... 23,
Met TermA en TermB kunnen we dit schrijven als:
tvTermBTermAmmmmmgE MCIEMEMBATtotMW .... 2213, ( 4.71 )
Voor EBAT kunnen we schijven
BATdBATBAT EDODmE ,.. ( 4.72 )
We kunnen deze vergelijkingen nu samenvoegen en mBAT bepalen
Uitwerking volgt in volgende versie.
tvTermBTermAmmmmmgEEDODm MCIEMEMBATtotEMICEfCIBATdBATEMTR ........... 2211,2
( 4.73 )
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 99/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
We kunnen nu mBAT gaan berekenen:
122212,2 ................. EMICEfEMTRMCIEMEMtotMBATCIBATdBATEMTR EtvTermBTermAmmmmgtvTermAmgEDODm
( 4.74 )
tvTermAgEDOD
EtvTermBTermAmmmmgm
MCIBATdEMTR
EMICEfEMTRMCIEMEMtot
BAT.......
........
2,2
12221
( 4.75 )
voor een parallel plug in wordt dit:
tvTermAgEDOD
EtvTermBTermAmmmgm
MCIBATdEMTR
ICEfTRMCIEMtot
BAT.......
......
2,2
22
( 4.76 )
In de vergelijking kunnen we zien dat indien we geen energie uit een verbrandingsmotor
toevoegen de vergelijking dezelfde wordt als voor de berekening volgens specificatie 1.
Voor Ef kunnen we schrijven:
fdMf EtvfeE ,2 .001,0...01,0. ( 4.77 )
4.7.2 Dimensionering hybride aandrijving met brandstofcel
Deze dimensionering is identiek aan de hybride aandrijving met verbrandingsmotor met als
verschillen:
Alleen serie-hybride aandrijving mogelijk
Energieomzetting in verbrandingsmotor wordt energieomzetting in brandstofcel
4.7.3 Dimensionering zuiver elektrische aandrijving
Deze dimensionering is identiek aan de hybride aandrijving met verbrandingsmotor met als
verschil dat geldt vM1=vM3 en vM2=0
Oftewel er vindt alleen aandrijving vanuit de batterij+elektromotor plaats!
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 100/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.8 Voorbeeldvoertuigen ten aanzien van de dimensionering
In deze paragraaf behandelen we enige bestaande voertuigen aan de hand van de
detaildimensionering. Het doel hiervan is te toetsen van de berekening aan de keuzes die voor
deze voertuigen gemaakt zijn en deze keuzes ook beter te begrijpen.
Voor de berekening wordt gebruik gemaakt van Matlab software die afgeleid is van de
basisberekening voor de conventionele aandrijving. Deze software bestaat uit de volgende m-
files:
Ecologic_v200
Hoofdprogramma
o Ecologic_Initialisatie_variabelen_basis
De initalisatie van de parameters voor conventionele voertuigen
o Ecologic_Initialisatie_variabelen_mode_3
De initalisatie van voertuigen voor mode_3 (PHEV)
Andere modes:
1: conventionele aandrijving
2: alternatieve aandrijving (automaat, CVT)
3: HEV, EV, PHEV en E-REV aandrijving
4: brandstofcel
o Ecologic_berekening_PHEV
De berekening wordt uitgevoerd 4 niveau's van hybrisering
Mild
Full
Plug in
E-REV of EV
Voor ieder niveau van hybridisering wordt de berekening uitgevoerd voor de
parallel en serie hybride
Voor
o Ecologic_Resultaten_PHEV
De resultaten worden geexporteerd naar een txt file die ingelezen wordt in
excel.
De tabel maakt zelf geen keuze en geeft voor een selectie van de niveau's van hybridisering de
resultaten weer. Afhankelijk van de keuze qua niveau en vorm van hybridisering kunnen
hieruit de resultaten worden samengesteld.
Parameters bij de berekening:
E_d_batwh=140;
E_d_bat=E_d_batwh*3600 % [Wh/kg]*3600 = J/kg Li-Ion
P_d_bat=3*E_d_batwh
eta_TR=0.95;
eta_EM1=0.95;
eta_EM2=0.95;
eta_CI=0.95;
c_m_CI=0.1;
c_P_EM1=0.001;
c_P_EM2=0.001
c_m_EM2=0.1;
DOD_bat=0.7; (0,4 voor HEV)
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 101/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.8.1 ESCBO, Elektrische Burton
Het betreft hier de HRGTZero zoals deze bij de Hogeschool Rotterdam gebouwd is.
Doelstellingen:
Volledig zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren en de energie inhoud van de batterij.
NB: we hanteren hier de kruissnelheid 80 km/u als snelheid!
Eisen: Mode Snelheid
[km/u]
Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 60 0 10% 40 0
2 (op P_bat) 130 0 0% 100 0
3 (op P_ICE
en P_bat)
130 0%
Resultaten: Onderdeel Specificatie Eenheid Waarde leeg Waarde beladen Waarde in echte
voertuig
Motoren PICE [kW] - -
PEM2 [kW] 34 35 30 (45 piek)
Batterij EBAT,P [kWh] 7 8
EBAT,EV [kWh] 14 14 15
EBAT,E-REV [kWh]
mBAT,P [kg] 49 53
mBAT,EV [kg] 97 101
mBAT,E-REV [kg]
Conclusies:
Resultaten komen goed overeen:
Het vermogen van de motor komt goed overeen met de werkelijkheid.
Dat geldt ook voor de energieinhoud van de batterij.
Het vermogen dat nodig is om de helling van 10% op te rijden met 40 km/u is lager
dan beschikbaar is. Dat betekent dat het voertuig een steilere helling zou kunnen
rijden. Echter moeten we dan wel rekening houden met de trekkrachtkromme van de
motor waarbij het de vraag is of er voldoende trekkracht aanwezig is om weg te rijden.
Uit ervaring is gebleken dat het voertuig zonder problemen een trailer op kan rijden,
overeenkomend met een helling van 50%.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 102/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.8.2 Tesla Roadster
Doelstellingen:
Volledig zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren en de energie inhoud van de batterij.
NB: we hanteren hier de kruissnelheid 120 km/u als snelheid!
Eisen: Mode Snelheid
[km/u]
Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 120 0 10% 200 0
2 (op P_bat) 200 0 0% 0
3 (op P_ICE
en P_bat)
200 0%
Kruissnelheid voor EBAT,EV: 120 km/u
Resultaten: Onderdeel Specificatie Eenheid Waarde leeg Waarde beladen Waarde in echte
voertuig
Motoren PICE [kW]
PEM2 [kW] 62 62 225
Batterij EBAT,P [kWh] 24 25
EBAT,EV [kWh] 51 52 56
EBAT,E-REV [kWh]
mBAT,P [kg] 171 180
mBAT,EV [kg] 364 372
mBAT,E-REV [kg]
Conclusies:
Resultaten komen qua batterij redelijk overeen.
Het motorvermogen wijkt wat af: Voor een sportwagen zijn de acceleratie-eisen belangrijker
dan de eisen met betrekking tot de maximum snelheid. Dit is in feite hetzelfde als bij de
conventionele aandrijving. Uitgaande van de energieinhoud van 56 kWh is een
motorvermogen van 225 kW een logische waarde.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 103/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.8.3 Toyota Prius standaard
Ad 2. Full hybrid (elektrisch rijden mogelijk tot een beperkte snelheid en afstand)
Doelstellingen:
Beperkt zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren en de energie inhoud van de batterij.
Eisen: Mode Snelheid
[km/u]
Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 60 0 10% 5
2 (op P_ICE) 150 0%
3 (op P_ICE
en P_bat)
180 0%
Kruissnelheid voor EBAT,EV: 80 km/u (mode 2)
Resultaten: Onderdeel Specificatie Eenheid Waarde leeg Waarde beladen Waarde in echte
voertuig
Motoren PICE [kW] 68 71 73
PEM2 [kW] 32 39 60
Batterij EBAT,P [kWh] 12 14
EBAT,EV [kWh] 1,3 1,5 1,3
EBAT,E-REV [kWh]
mBAT,P [kg] 85 102
mBAT,EV [kg] 9 11
mBAT,E-REV [kg]
Conclusies:
Resultaten komen redelijk overeen:
Het vermogen van de verbrandingsmotor, bepaald op basis van mode 2, komt goed
overeen.
Het vermogen van de EM2 is lager. Hierbij dient opgemerkt te worden dat hier
waarschijnlijk de acceleratie een bepalende factor is. De eerst Prius heeft namelijk wel
een EM2 in de orde van 35 kW. Bij de Prius 2 is dit 50 kW.
De energieinhoud van de batterij ten aanzien van elektrisch kunnen rijden met 60 km/u
over 5 km komt goed overeen met de werkelijkheid. Voor het leveren van het
vermogen in combinatie met de helling is dit lager dan je zou wensen. Hier zijn twee
aspecten aan de orde:
o Een hybride batterij kan een hogere vermogensdichtheid hebben
o Het vermogen voor de genoemde situatie wordt ook deels door de
verbrandingsmotor geleverd.
o Wanneer we vervolgens de berekening doen voor zuiver elektrisch op een
vlakke weg met 60 km/u, dan is een vermogen nodig van ongeveer 6 kW. Dit
moet de batterij kunnen leveren
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 104/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.8.4 Toyota Prius Plug in
Ad 3. Plug In Hybrid (idem full hybrid met energiebuffer uit extern opladen)
Doelstellingen:
Beperkt zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren
Zuiver elektrisch kunnen rijden op korte ritten en ondersteund elektrisch rijden op
langere ritten, dit bepaalt de energie inhoud van de batterij.
NB: we hanteren hier de kruissnelheid 80 km/u als snelheid!
Eisen: Mode Snelheid
[km/u]
Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 85 0 10% 25 -
2 (op P_ICE) 150 0 0% 50 2,1
3 (op P_ICE
en P_bat)
180 0% - -
Kruissnelheid voor EBAT,EV: 80 km/u (mode 2)
Resultaten: Onderdeel Specificatie Eenheid Waarde leeg Waarde beladen Waarde in echte
voertuig
Motoren PICE [kW] 68 71 73
PEM2 [kW] 50 59 60
Batterij EBAT,P [kWh] 18 22
EBAT,EV [kWh] 4,9 5,4 4,4
EBAT,E-REV [kWh] 5,3 6,4
mBAT,P [kg] 131 156
mBAT,EV [kg] 35 39
mBAT,E-REV [kg] 38 45
Conclusies:
Resultaten komen redelijk in de buurt:
Door de hogere eisen voor het elektrisch kunnen rijden komt het vermogen van EM2
nu veel beter overeen met de werkelijkheid. Mogelijk heeft Toyota daar bij de
ontwikkeling van de Prius 2 en 3 al op geanticipeerd.
De energiehoud voor het kunnen rijden in de gemengde mode (ICE+batterij) bij een
verbruik van 2,1 l/100 km en de energieinhoud voor het zuiver elektrisch kunnen
rijden komen redelijk overeen met de werkelijkheid.
De energieinhoud van de batterij ten aanzien van vermogen is veel lager dan je zou
wensen. Hier zijn twee aspecten aan de orde:
o Een hybride batterij kan een hogere vermogensdichtheid hebben
o Het vermogen voor de genoemde situatie wordt ook deels door de
verbrandingsmotor geleverd.
o Wanneer we vervolgens de berekening doen voor zuiver elektrisch op een
vlakke weg met 85 km/u, dan is een vermogen nodig van ongeveer 10 kW. Dit
moet de batterij kunnen leveren.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 105/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.8.5 Opel Ampera
Ad 3. Plug In Hybrid (idem full hybrid met energiebuffer uit extern opladen)
Doelstellingen:
Beperkt zuiver elektrisch kunnen rijden, dit bepaalt het vermogen dat de batterij moet
kunnen leveren
Zuiver elektrisch kunnen rijden op korte ritten en ondersteund elektrisch rijden op
langere ritten, dit bepaalt de energie inhoud van de batterij.
NB: we hanteren hier de kruissnelheid 80 km/u als snelheid!
Eisen: Mode Snelheid
[km/u]
Hellings%
min tbv
mBAT,E
Hellings% max
tbv mBAT,P en
PICE
Actieradius [km]
bij tbv mBAT,E
Brandstofverbruik
[l/100 km] tbv
mBAT,E
1 (op P_bat) 85 0 10% 80 -
2 (op P_ICE) 161 0 0% 50 1,2
3 (op P_ICE
en P_bat)
200 (fictief,
begrensd op 161)
0% - -
Kruissnelheid voor EBAT,EV: 80 km/u (mode 2)
Resultaten: Onderdeel Specificatie Eenheid Waarde leeg Waarde beladen Waarde in echte
voertuig
Motoren PICE [kW] 91 94 63
PEM2 [kW] 54 63 111
Batterij EBAT,P [kWh] 20 24
EBAT,EV [kWh] 17 19 17
EBAT,E-REV [kWh] 8 9
mBAT,P [kg] 142 167
mBAT,EV [kg] 121 133
mBAT,E-REV [kg] 54 62
Conclusies:
Het vermogen PICE is volgens de berekeningen hoger dan in werkelijkheid. Dit zou
kunnen betekenen dat de voertuigweerstanden niet juist geschat zijn.
PEM2 is veel hoger dan het vermogen uit de batterij alleen. Hier geldt dat het voertuig
bij accelereren als serie hybride werkt en het vermogen van de verbrandingsmotor ook
wordt aangewend. Daarnaast kan de batterij kortstondig tot 8*17 kW leveren.
De energieinhoud van de batterij ten aanzien voor het zuiver elektrisch rijden komt
goed overeen met de werkelijkheid. In het geval van de E-REV mode komt deze wat
lager uit. Mogelijk door een hogere snelheid in werkelijkheid dan 80 km/u.
o De energieinhoud van de batterij ten aanzien van vermogen is in werkelijkheid
lager dan de berekende waarde. Hier is aan de orde dat Een hybride batterij kan
een hogere vermogensdichtheid hebben
o Wanneer we vervolgens de berekening doen voor zuiver elektrisch op een
vlakke weg met 161 km/u, dan is een vermogen nodig van ongeveer 40 kW.
Dit moet de batterij kunnen leveren.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 106/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.9 Planetaire stelsels in hybride aandrijvingen
Met als kenmerk dat er meer dan twee vermogensstromen zijn en het gegeven dat geschakeld
moet kunnen worden zonder vermogensonderbreking is het logisch dat planetaire stelsels
worden toegepast bij hybride aandrijvingen.
Deze paragraaf behandelt hiervan achtereenvolgens:
De basiskennis
De berekening van de overbrengingsverhoudingen voor de verschillende combinaties
De berekening van de vermogensstromen.
De basiskennis is een beknopte samenvatting van de theorie in [30]
Met dit als gegeven kunnen we de toepassing bij hybriden analyseren. Hierbij zullen we zien
dat ook geschakeld wordt om het systeemrendement te optimaliseren.
4.9.1 Planetaire stelsels, basis
Zie Figuur 4.43
De planetaire stelsels vormen het hart van de wisselbak. Er bestaan vele uitvoeringen waarvan
in deze paragraaf het basis planetaire stelsel wordt behandeld.
Het basis planetaire stelsel (het gesloten planetaire stelsel) bestaat uit het zonnewiel (element
A) met daarop ingrijpend de satellieten (element B) en daarop ingrijpend het ringwiel
(element D). De satellietwielen zijn onderling verbonden door een satellietendrager (element
C.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 107/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
We definiëren dus ook vier assen:
De zonnewielas: As A;
De satelietassen: As B;
De satelietdrageras: As C;
De ringwielas: As D.
Planetaire stelsels worden vooral toegepast in situaties waar grote vermogens overgebracht
moeten worden. De voordelen van een planetair stelsel ten opzichte van een conventionele
overbrenging zijn onder andere:
In en uitgaande as in lijn;
lagere thermische en mechanische belasting door vermogensvertakking;
Geen geschuif met tandwielen om te schakelen;
Daardoor onder volle belasting schakelbaar.
Door de complexiteit is een planetaire overbrenging echter duurder dan een conventionele
overbrenging.
In de basis uitvoering (een enkel aangedreven planetair stelsel) moet één as de ingaande as
zijn, een tweede as de uitgaande as en moet een derde as vastgezet worden. De satellieten
lopen hierbij altijd vrij.
Tabel 4.3 laat zien dat er zo 6 mogelijke overbrengingsverhoudingen ontstaan.
Figuur 4.43: Het gesloten planetaire tandwielstelsel
C
D
B
A
D
B
A
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 108/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Tabel 4.3: De combinaties van een planetair stelsel
As Combinatie
I II III IV V VI
Ingaande as
(Aandrijvend)
A A C C D D
Uitgaande as
(Aangedreven)
C D A D A C
Geremde as
(Reactie)
D C D A C A
De afmetingen van het planetaire stelsel bepalen de overbrengingsverhouding. Het teken van
de overbrengingsverhouding (+ of -) en of de absolute waarde groter of kleiner dan 1 is wordt
bepaald door de gekozen combinatie.
Bij planetaire stelsels worden (tangentiële) snelheidsvectoren aan de omtrek van de
tandwielen als basis voor de berekening van overbrengingsverhoudingen gebruikt. De
vergelijkingen voor de overbrengingsverhoudingen worden hier direct van afgeleid. Met
behulp van de snelheidsvectoren kan de overbrengingsverhouding dus ook grafisch worden
bepaald. Gaat men echter verder met het samenstellen van een stelsel van planetaire stelsels in
een wisselbak, dan zal men mathematische vergelijkingen moeten toepassen.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 109/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Deze paragraaf behandelt de grondbeginselen van het werken met snelheidsvectoren. Hiertoe
beschouwen we drie delen:
Element A en Element D (tandheugels)
Element B met as C
Zie Figuur 4.45.
Indien we drager C fixeren aan de vaste wereld en heugel A een snelheidsvector naar rechts
geven dan krijgt heugel D een even zo grote snelheidsvector naar links. Deze redenatie
kunnen we grafisch ondersteunen door een verbindingslijn te trekken
van de snelheidsvector bij heugel A
via de snelheidsvector bij drager C (deze is 0)
naar de te bepalen snelheidsvector bij heugel D
Zie ...
Op een soortgelijke wijze gaan we te werk wanneer heugel A een snelheidsvector naar rechts
geven en heugel D fixeren aan de vaste wereld. Drager C krijgt nu een snelheid naar rechts
van de helft van de snelheid van heugel A
Figuur 4.45: Basisopstelling, C vast (geremd), A ingaand en D uitgaand
Heugel D
Drager C
Wiel B
Heugel A
Figuur 4.44: Basisopstelling
Heugel D
Drager C
Wiel B
Heugel A
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 110/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Deze redenatie kunnen we grafisch ondersteunen door een verbindingslijn te trekken
van de snelheidsvector bij heugel A naar
de snelheidsvector bij heugel D (deze is 0)
teneinde de snelheid van drager C te bepalen
In de volgende paragraaf wordt dezelfde methodiek toegepast bij planetaire stelsels.
4.9.2 Planetaire stelsels, berekening overbrengingsverhoudingen
4.9.2.1 Enkel aangedreven planetaire stelsels
Het basis rekenschema is weergegeven in Figuur 4.47, met als ingaande variabelen, uitgaande
variabelen en de parameters (afmetingen en combinatie). Indien er geen vermogensverlies
optreedt geldt dat de verandering van het moment omgekeerd evenredig is met de verandering
van de hoeksnelheid.
In de rest van deze paragraaf wordt steeds gerekend met de hoeksnelheden. Een analyse met
betrekking tot de vermogensstromen en het moment staat in paragraaf Error! Reference
source not found..
Figuur 4.46: Basisopstelling, D vast (geremd), A ingaand en C uitgaand
Heugel D
Drager C
Wiel B
Heugel A
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 111/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
In Figuur 4.48 is het planetaire stelsel afgebeeld volgens combinatie I, waarbij het zonnewiel
(A) wordt aangedreven, het ringwiel (D) wordt geremd en de satellietendrager C de uitgaande
as is.
De overbrengingsverhouding kan grafisch en numeriek worden bepaald. In feite wordt de
vergelijking van de overbrengingsverhouding afgeleid van de schets/tekening voor de
grafische bepaling.
In de figuur kan uit de verhouding van de omtreksnelheid ωC (= vC/rC) en ωA (=vA/rA) de
overbrengingsverhouding iI bepaald worden.
Omdat dit voor het dimensioneren essentieel is zal in deze reader uiteindelijk steeds de
vergelijking voor overbrengingsverhouding afgeleid worden.
Voor combinatie I geldt:
Figuur 4.48: Grafische bepaling van de overbrengingsverhouding, combinatie I
ωin
Figuur 4.47: Basis rekenschema
vergelijking
overbrengings-
verhouding
radii van
tandwielen
Min
ωuit
Muit
Pin Puit schakeling, ingaande,
uitgaande en geremde as
C
D
B
A rA
rB
rD rC
vA
vC
Combinatie I:
Ingaand: A
Uitgaand: C
Geremd: D
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 112/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
AAA rv . en 0Dv dus C
AC
r
v.5.0 en
A
CI
r
ri
.5.0 ( 4.78 )
We kunnen rC ook opschrijven als functie van rD. Hiermee volgt de voor de
overbrengingsverhouding iI :
A
D
A
ADI
r
r
r
rri
1
.5.0
.5.0 ( 4.79 )
Het overzicht van de overbrengingsverhoudingen voor de diverse schakelingen van één
planetair stelsel is afgebeeld in Tabel 4.4. Tabel 4.4: Berekening overbrengingsverhoudingen van enkel aangedreven planetaire stelsels
Combinatie As Vergelijking Bereik
Ingaand Uitgaand Geremd
I A C D
A
DI
r
ri 1
i>2
II A D C
A
DII
r
ri
i<-1
III C A D
DA
AIII
rr
ri
0<i<0.5
IV C D A
DA
DIV
rr
ri
0.5<i<1
V D A C
D
AV
r
ri
-1<i<0
VI D C A
D
AVI
r
ri 1
1<i<2
Figuur 4.49 laat het verloop van de aldus verkregen overbrengingsverhoudingen zien
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 113/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.9.2.2 Dubbel aangedreven planetaire stelsels
In veel gevallen worden planetaire stelsels met een dubbel aandrijving toegepast. Dit betekent
dat het reactie element een hoeksnelheid ongelijk aan 0 heeft. Hierdoor verandert de bepaling
van de overbrengingsverhoudingen.
In het rekenschema hebben we nu dus twee ingaande variabelen en één uitgaande variabelen.
Voor het goed kunnen samenstellen van vergelijkingen bij combinaties van planetaire stelsels
wordt niet met twee ingaande hoehsnelheden gerekend maar met een eerste aandrijving en een
overbrengingsverhouding tussen de eerste en de tweede aandrijving. Zie basis rekenschema in
.Figuur 4.50.
De basis voor de afleiding van de vergelijkingen wordt weer gevormd door de grafische
weergaven van de omtrekssnelheden. Zie Figuur 4.51. Hierin is volgens combinatie I, het
zonnewiel A de ingaande as en wordt de tweede aandrijving gevormd door het ringwiel D.
Figuur 4.49:Overbrengingsverhoudingen van een enkel aangedreven (gesloten) planetair stelsels
Overbrengingsverhoudingen van een gesloten
planetair stelsel
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5
Verhouding r_D/r_A
Ov
erb
ren
gin
gs
ve
rho
ud
ing
i,
zie
leg
en
da
I
II
III
IV
V
VI
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 114/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Net zo goed zouden we kunnen stellen dat het ringwiel de eerste aandrijving is en het
zonnewiel de tweede aandrijving. Hier zijn geen directe afspraken over bekend. Logisch is
echter steeds de eerste aandrijving toe te kennen aan de het element dat direct (of het meest
direct wordt aangedreven vanuit de ingaande as van de wisselbak) en de tweede aandrijving
toe te kennen aan het element dat indirect wordt aangedreven.
Zie Figuur 4.51.Voor Combinatie I geldt:
Figuur 4.51: Dubbel aangedreven planetair stelsel, combinatie I
ωA
Figuur 4.50: Basis rekenschema, combinatie I, dubbel aangedreven
vergelijking
overbrengings-
verhouding
rA, rC, rD
ωD
ωC D
ADi
iD Ander
planetair
stelsel
Dubbel aangedreven planetair stelsel, combinatie I
C
D
B
A rA
rB
rD rC
vA
vC
Combinatie I:
Ingaand: A
Uitgaand: C
Tweede aandrijving: D
vD
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 115/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
AAA rv . en DDD rv . dus
C
DDAAC
r
rr ...5,0
en
C
DDAA
A
C
AI
r
rri
...5.0
( 4.80 )
We kunnen rC ook opschrijven als functie van rD en rA . Daarnaast kan D als functie van A
geschreven worden. Hierdoor vereenvoudigt zich de vergelijking tot:
D
D
A
DA
DA
D
D
AAA
AI
ri
r
rr
rr
ri
r
i1
.5.0
...5.0
( 4.81 )
Indien D stilstaat, is i oneindig groot en zal weer de oorspronkelijke vergelijking van een
enkel aangedreven stelsel onstaan. Figuur 4.52 geeft dit weer. Merk op dat met de keuze van
iD ook een tekenomkering gerealiseerd kan worden, maar dat deze alleen geldig is in een zeer
klein gebied van iD.
Figuur 4.52: Overbrengingsverhoudingen bij een dubbel aangedreven stelsel, combinatie I
Overbrengingsverhouding i_I als functie van i_D,
bij D=2A
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
15
18
-15 -5 5 15 25
i_D
i_I
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 116/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Overzicht overbrengingsverhoudingen voor de diverse schakelingen van één dubbel
aangedreven planetair stelsel, zie Tabel 4.5. Tabel 4.5: Overbrengingsverhoudingen dubbel aangedreven planetaire stelsels
Combinatie As Vergelijking
Ingaand Uitgaand Tweede
aandrijving
I A C D
D
DA
DAI
i
rr
rri
II A D C
A
C
DA
DII
ri
rr
ri
III C A D
D
DDA
AIII
i
rrr
ri
IV C D A
A
ADA
DIV
i
rrr
ri
V D A C
D
C
DA
AV
ri
rr
ri
VI D C A
A
AD
DAVI
i
rr
rri
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 117/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.9.2.3 Negatieve vermogensvertakking
Een negatieve vermogensvertakking is ook een dubbel aangedreven stelsel, echter is deze zo
uitgevoerd dat het toerental van de als de tweede aangedreven as een vaste verhouding heeft
met het toerental van de uitgaande as. Deze vaste verhouding wordt verkregen door een
rondlopende vermogenstak (blindvermogen).
Blindvermogen is een rekenkundig vermogen dat ontstaat in een tandwieloverbrenging waarin
een gesloten kring aanwezig is waarin tandwielen onder belasting draaien zonder nuttig
vermogen naar buiten af te geven.
Een analogie is een rondlopende vloeistofstroom (zie Figuur 4.54).
Zie Figuur 4.53.
Figuur 4.53: Een negatieve vermogensvertakking
Figuur 4.54: Leidingstelsel, analogie voor een negatieve vermogensvertakking
Negatieve vermogenstak
Dit deel is in de werkelijkheid een
samengesteld punt
ωA=0
iD
Negatieve
vermogensvertakking
Ingaande as Uitgaande as
Rem is aan
Combinatie I
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 118/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De systeembeschrijving is als volgt:
Voor combinatie I geldt nu:
AAA rv . en CCC rv . en DDD rv . en D
CD
i
( 4.82 )
We beginnen met:
C
DDAAC
r
rr ...5.0
( 4.83 )
Voor de overbrengingsverhouding iD geldt: D
CDi
dus
D
CD
i
Hieruit volgt:
DA
D
D
CAA
C
C
D
D
C
AA
Crr
ri
r
r
ri
r
.....5.0
( 4.84 )
We brengen de alle termen met ωC naar de linkerkant van de vergelijking:
DA
AA
DAD
DC
Crr
r
rri
r
.
.
. ( 4.85 )
Nu volgt voor ωC:
DAD
D
DA
AA
C
rri
r
rr
r
.1
.
( 4.86 )
Hiermee kunnen we de vergelijking van iI vervolgens verder afleiden:
ωA
Figuur 4.55: Basis rekenschema, combinatie I, negatieve vermogensvertakking
vergelijking
overbrengings-
verhouding
rA, rC, rD
ωD
ωC D
CDi
iD Ander
planetair
stelsel
Planetair stelsel met negatieve vermogensvertakking,
combinatie I
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 119/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
DA
D
A
D
DDA
DA
A
DAD
D
DAD
D
DA
AA
A
C
AI
ir
r
r
i
rrr
rr
r
rri
r
rri
r
rr
ri
111
.1
.1
.
( 4.87 )
Figuur 4.56 laat zien hoe iI verloopt als functie van iD bij rD=2rA
Figuur 4.56: Overbrengingsverhouding bij een negatieve vermogensvertakking
I_I als functie van i_D bij een stelsel met een
negative vermogensvertakking
-20
-15
-10
-5
0
5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
i_D
i_I
I_I
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 120/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Het effect van een negatieve vermogenvertakking kan ook ‘grafisch’ bepaald worden. Zie
Figuur 4.57. Gegeven is iD=1,5 en ωD=1 rad/s
DCD
C
D
C
D
D
C
C
D
C
D vvv
vv
v
r
v
r
v
i .2
25,2
2
5,1.5,1.
2
5,15,1
( 4.88 )
Stel vD=1, dan volgen hieruit vC, vA, ωC en ωA
125,1Cv en 25,1125,11125,1 Av
dus 75,05,1
125,1C en 25,1
1
25,1A
( 4.89 )
Tenslotte de overbrengingsverhouding:
667,175,0
25,1
C
AIi
( 4.90 )
Figuur 4.57: De grafische benadering van een negatieve vermogensvertakking
ωA=0
iD=1,5
Negatieve
vermogensvertakking
Ingaande as Uitgaande as
Rem is aan
Combinatie I
vD=1
vC=1,125
vA=1,25
rD rC rA
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 121/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
De toepassing van een negatieve vermogensvertakking is vooral zinvol in combinatie met een
dubbel aangedreven stelsel. In de voorbeeldcase zullen we zien dat men
de eerste versnelling realiseert door een enkel aangedreven stelsel in te schaken
de tweede versnelling realiseert om daar via een tweede stelsel een tweede aandrijving
aan toe te voegen
de derde versnelling realiseerd door voor van dit tweede stelsel een stelsel met een
negatieve vermogensvertakking te maken
4.9.3 Planetaire stelsels, berekening vermogensstromen
Nadat de overbrengingsverhoudingen bekend zijn volgt de verdere dimensionering van de
wisselbak. De eerste stap daarbij is het bepalen van de afmetingen van de componenten.
De basis voor deze berekening volgt uit de bepaling van de vermogensstromen en de over te
brengen momenten. Van daaruit kunnen de tandwielen etc..gedimensioneerd worden en van
daaruit volgen dan ook de dimensies van de remmen en koppelingen in de wisselbak (zie Ad
3).
De basisregel is dat, als we het rendement op 1 stellen, het uitgaande vermogen gelijk is aan
het ingaande vermogen. De vraag is dus alleen hoe deze vermogens door de wisselbak heen
gaan lopen.
Een andere basis regel is het krachtenevenwicht:
DA FF en DAC FFF ( 4.91 )
Figuur 4.58: Krachtenevenwicht in een planetair stelsel
FC
FA
FD
C
D
B
A
D
B
A
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 122/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Als voorbeeld werken we dit uit voor de tweede versnellingstrap van de ZF4HP500
Hier loopt het koppel ook alleen via K5 de bak in en hierbij is het eerste stelsel, stelsel
B. Dit werkt als enkel werkend stelsel volgens combinatie I. De uitgaande
hoeksnelheid van de satellietdrager van stelsel B is werkt nu als tweede aandrijving
van stelsel A volgens combinatie I. Hieruit volgt de resulterende
overbrengingsverhouding.
Stelsel B werkt dus volgens combinatie I:
BI
BA
BCi ,
,
,
en
BA
BD
BIr
ri
,
,
, 1 ( 4.92 )
Stelsel C is een dubbel aangedreven stelsel. Voor de overbrengingsverhouding geldt:
BD
AD
AA
ADAA
AI
i
rr
rri
,
,
,
,,
,
met BIBD ii ,, ( 4.93 )
Rekenvoorbeeld:
Gegeven: rA=0,1 m, rD=0,2 m (voor beide stelsels)
Invullen geeft:
BD
BA
BD
BI ir
ri ,
,
,
, 31,0
2,011
8,1
3
2,01,0
2,01,0
,
,
,
,,
,
BD
AD
AA
ADAA
AI
i
rr
rri
We gaan nu als volgt verder:
Bepalen FC,A (dus de omtrekskracht op de satellietendrager van stelsel A)
Bepalen MA,A en MD,A (de ingaande momenten van stelsel A)
Bepalen ωD,A
Bepalen PA,A en PD,A
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 123/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
inAIACuit MiMM .,, en inin
AC
AC
AC MM
r
MF .12
15,0
.8,1
,
,
, ( 4.94 )
Uit de beginvoorwaarde volgt
ininDACAD MMrFM .2,12,0..12.5,0..5,0 ,, ( 4.95 )
en
ininAACAA MMrFM .6,01..12.5,0..5,0 ,, ( 4.96
)
Vanuit de overbrengingsverhouding van stelsel B geldt: ωD,A =ωC,B=0,33.ωA,B
Daarmee kunnen nu de vermogens berekend worden :
AinAinADADAD MMMP ..40,0.33,0..20,1. ,,, ( 4.97 )
Dit vermogen loopt dus via stelsel B naar stelsel A
AinAAAAA MMP ..60,0.,, ( 4.98 )
Dit vermogen loopt dus direct naar stelsel A
Voor de vermogensverdeling geldt dus dat 40% van het vermogen via stelsel B loopt en 60%
direct naar stelsel A. We kunnen daarmee het volgende Sankey-diagram opstellen:
ωA.Min
Figuur 4.59: Vermogensstromen voor de tweede versnelling
Stelsel A,
combinatie I,
dubbel: iI,A ωC.Muit
Stelsel B,
combinatie
I, enkel: iI,B
ωA.MA,A
ωD.MD,A
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 124/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Omdat de zonnewielen van stelsel A en B op dezelfde as zitten is momentverdeling evenredig
met de vermogensverdeling.
Voor de omtrekskrachten geldt nu voor stelsel A:
inin
AA
inAA M
M
r
MF .6
1,0.6,0.6,0
,
, en AAAD FF ,, ( 4.99 )
Voor de omtrekskrachten geldt nu voor stelsel B
inin
BA
inBA M
M
r
MF .4
1,0.4,0.4,0
,
, en BABD FF ,, ( 4.100 )
Figuur 4.60: Sankeydiagram voor de tweede versnelling
Stelsel B,
combinatie
I, enkel: iI,B
Stelsel A,
combinatie I,
dubbel: iI,A
100%
40%
60%
100%
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 125/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.9.4 Toepassingen in elektrische en hybride voertuigen
Als we de Opel Ampera en de Prius Plug in met elkaar vergelijken dan zien we grote
verschillen in de specificaties van de componenten.
Specificatie Eenheid Prius Ampera
PICE [kW] 73 63
PEM2 [kW] 60 111
Ptot [kWh] 100 111
EBAT [kWh] 4,4 17
massa [kg] 1390 1635
vmax [km/u] 180 161
Acceleratie 0-100 km/u [s] 11 9
Om dit nader te analyseren, lees:
Document Prius: THS.pdf
Ampera: document Chevrolet Volt - DevelopmentStory of the Pioneering Electrified
Vehicle (SAE 04-2011).pdf. pag 124-137
Het principeschema van de Prius (THS) is weergegeven in Figuur 4.61.
We onderscheiden de volgende modes:
1. Mode EV: alleen aandrijving via MG2, gevoed uit de batterij
2. Mode two motor EV: aandrijving via MG1 en MG2, gevoed uit de batterij
3. mode Combined (voor accelereren). evt met batterij ondersteuning.
MG1 is hierbij als generator geschakeld en MG2 als motor
4. Mode zuiver ICE: vermogen op MG2=0
5. Mode optimized ICE
Hierbij wordt een vermogenssplitsing toegepast. MG1 wordt gevoed door MG2. Het
vermogen van ICE blijft gelijk alsmede de voertuigsnelheid. Echter wordt de
hoeksnelheid van de ICE zodanig dat het verbruik zo laag mogelijk is.
6. Mode regeneratief remmen: idem mode two motor EV, alleen nu met vermogen naar
de batterij
Meer uitleg met vermogensstromen, snelheidsvectoren en krachten in het planetair stelsel: zie
Prius_modes.pdf.
Figuur 4.62 geeft weer hoe de motor en generator samenwerken:
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 126/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Het principeschema van de Ampera/Volt is weergegeven in Figuur 4.63.
We onderscheiden de volgende modes:
1. Mode one motor EV: alleen aandrijving via MG2, gevoed uit de batterij
2. Mode two motor EV: aandrijving via MG1 en MG2, gevoed uit de batterij
3. Mode serie one motor EV: MG1 als generator en MG2 als motor, als een serie
hybride.
Figuur 4.62: Samenstelling trekkracht bij de Prius (Toyota Hybrid System)
Figuur 4.61: Principeschema van de Prius (Toyota Hybrid System)
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 127/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4. Mode Combined two motor extended range.
Het vermogen van de ICE kan traploos gevaieeerd worden van direct naar de wielen
tot volledig via MG1 (serie hybride)
5. Mode regeneratief remmen: idem mode one motor EV, alleen nu met vermogen naar
de batterij
Meer uitleg met vermogensstromen, snelheidsvectoren en krachten in het planetair stelsel: zie
Ampera_modes.pdf
Schakelschema:
Mode Clutch 1 Clutch 2 Clutch 3
One-Motor EV Open Open Closed
Two-Motor EV Open Closed Open
Series One-Motor ER Closed Open Closed
Combined Two-Motor ER Closed Closed Open
Regenerative braking Open Open Closed
Figuur 4.64 geeft het trekkrachtdiagram van de Ampera weer. De gestippelde lijn is gevoed
door het vermogen dat de batterij continu kan leveren. Dit is het nominale vermogen en dat is
in de orde van 44 kW. Het piekvermogen is 5/2*44 kW=110 kW. Dit is ook het maximum
vermogen dat geleverd kan worden. Dit is dan een gecombineerd vermogen van de batterij en
ICE of alleen van de batterij! Belangrijk is dus dat maximale voertuigprestaties ook zuiver
elektrisch gehaald kunnen worden. Hoe het koppel aan de as is samengesteld is afhankelijk
van of het voertuig rijdt in de 'electric driving' of Extended range driving. Zie Figuur 4.65 en
Figuur 4.66.
Figuur 4.63: Principeschema van de Ampera/Volt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 128/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.65: Samenstelling trekkracht bij de Ampera, electric driving
Figuur 4.64: Samenstelling trekkracht bij de Ampera/Volt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 129/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Figuur 4.66: Samenstelling trekkracht bij de Ampera, extended range driving
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 130/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
4.10 VALIDATIE: simulatie en detaillering
Verdere uitwerking volgt later. Zie ppt week 4 cursus ACE1 DT.
Tabel 4.1: Fasering en resultaten
Fase Resultaten
Vooronderzoek keuze voertuig
Definitie PVE (eisen vanuit Tijd, geld en prestaties
Concept Conceptkeuze, basis dimensionering, packaging concept
Engineering keuze componenten, packaging uitwerking
Validatie (in simulatie) visualisatie en presentatie
Evaluatie conclusies en aanbevelingen
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 131/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5 Componenten in aandrijflijnen, technologie en dimensionering
@@gebruik verhandeling in mijn OSGV rapport, met name het morfologische schema+de
reader voor smart energy @@ is dit een goede basis??
5.1 Energiebron naar energiedrager
5.1.1 Fossiele brandstoffen
5.1.2 Bio-brandstoffen
@@Zie National Geographic, presentatie Theo Aarnink
5.1.3 Groene energiebronnen
5.1.3.1 Windenergie
5.1.3.2 Zonneenergie
5.1.3.2.1 Omzetting met zonnecellen naar elektrisch vermogen
5.1.3.2.2 Omzetting met warmte naar mechanisch vermogen
5.1.3.3 Waterkracht energie
5.1.3.4 Energie uit aardwarmte
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 132/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.1.4 Energiedragers
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 133/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.1.4.1 Elektrisch
5.1.4.1.1 Batterij’s
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 134/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 135/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 136/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 137/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 138/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 139/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.1.4.1.2 Condensatoren
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 140/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 141/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.1.4.1.3 Vermogenselektronica
5.1.4.2 Mechanisch
5.1.4.2.1 Vliegwiel
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 142/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 143/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.1.4.2.2 Hydraulische en pneumatische batterijmulator
5.1.4.3 Chemisch
5.1.4.3.1 Waterstof
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 144/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 145/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 146/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.2 Energiedrager naar wiel
5.2.1 Verbrandingsmotoren
Zie overzicht uit smart energy
5.2.2 Brandstofcellen
Zie [2] en [3] en [5]
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 147/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 148/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.2.2.1 Typen brandstofcellen
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 149/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.2.2.2 Eigenschappen
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 150/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 151/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 152/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 153/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.2.2.3 Dimensionering
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 154/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 155/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 156/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 157/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 158/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
5.2.3 Elektromotoren
Refereren aan elektrische aandrijfsystemen (EAS01)
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 159/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
6 Systeemoptimalisatie
6.1 Pakket van eisen: functie en randvoorwaarden
6.2 Zuiver elektrische aandrijving
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 160/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
6.3 Hybriden met verbrandingsmotor
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 161/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 162/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 163/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 164/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 165/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 166/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 167/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 168/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 169/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 170/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 171/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 172/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 173/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 174/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 175/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 176/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 177/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
@@link met PML flighlink
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 178/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 179/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Lichte trucks
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 180/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 181/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 182/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 183/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
6.4 Hybriden met brandstofcel
6.5 Plug in Hybriden
7 Voorbeeldvoertuigen
7.1 Optimalisatie van bestaande systemen
VW Blue tech
7.2 Hybriden
Toyota Prius
Honda Civic Ima
7.3 Elektrische voertuigen
Tesla Roadster
Venturi
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 184/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
7.4 Waterstofvoertuigen
GM Sequel
www.fuelceltoday.com
7.5 Specifieke voertuigcategorieën
7.5.1 Bedrijfswagens
7.5.2 Bussen
7.5.3 Racewagens
7.5.3.1 Formula Zero
7.5.3.2 Formule 1
7.6 Hogeschool Rotterdam
7.6.1 Shell Ecomarathon
7.6.2 Open Source Green Vehicle
7.6.3 Biobrandstoffen
7.6.4 Deelname in Rotterdam Climate Initiative
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 185/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
8 Marktontwikkeling in voertuigen
8.1 Basis kostprijs
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 186/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 187/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 188/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 189/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 190/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 191/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
8.2 Marktprijs
Laten zien: marges bij duurdere voertuigen
8.3 Beïnvloeding marktprijs door subsidies en belastingen
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 192/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
9 Literatuur in de mediatheek
@@ boek “leven zonder olie”
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 193/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
10 Referenties en interessante websites
[ 1 ] Theo Hofman; Framework for combined control and design optimisation of hybrid
vehicle propulsion systems; Proefschrift verdedigd dd 6 november 2007; TU Eindhoven;
[ 2 ] Matthew Blair Guenther; Modelling and Design Optimisation of Low Speed Fuel cell
Hybrid Electrical Vehicles; 2005; University of Victoria; ….pdf
[ 3 ] European Hydrogen & Fuel Cell Technology Platform; Implementation Plan-status
2006; …pdf, www.HFPeurope.org
[ 4 ] Sam Golbuff; Optimisation of a plug in hybrid electrical vehicle; Georgia Institute of
technology; August 2006, … pdf
[ 5 ] Stratis Karamanolis; Brennstoffzellen; vogel buchverlag; 2003; ISBN 3 8023 1956 7
[ 6 ] Intergovernmental Panel on Climate Change, Fourth Assessment Report; Climate
Change 2007; Synthesis Report, Summary for Policymakers; 2007; Zie …pdf; www.ipcc.ch
Het basisdocument voor de klimaatconferentie in Bali
[ 7 ] http://www.eucar.be/start.html
[ 8 ] World Business Council for Sustainable Development; The Sustainable Mobility
Project; 2003; Mobility 2030 Full report.pdf
De visie van de mondiale autoindustrie
[ 9 ] Steven Tampert; Entwicklungstrends von motor und getriebe vor dem Hintergrund des
ACEA Selbstverpflichtung; ATZ 06/2006; Entwicklungstrends von motor und
getriebe.pdf
[ 10 ] Eucar ea.; Well-to-Wheels energy use and greenhouse gas (GHG) emissions for a
wide range of potential future fuels and powertrains options, Eucar, 2006;
Fileadmin_H04_Well to Wheel*.pdf
[ 11 ] R.M.M. Hogt; Cursus Voertuigontwerpen VTO01, diverse literatuurbronnen
waaronder methodisch ontwerpen en integraal ontwerpen; Hogeschool Rotterdam;
2005-heden
[ 12 ] R.M.M.Hogt; Design report OSGV; Fabulo Design/Hogeschool Rotterdam; januari
2007
[ 13 ] R.M.M.Hogt; Reader Wielophanging, OPH01 Mindmaps; Hogeschool Rotterdam; mei
2006
[ 14 ] R.M.M. Hogt; Design report Ecologic; Fabulo Design; 1993
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 194/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
[ 15 ] R.M.M.Hogt; Aandrijvingen, AUT01 ; Hogeschool Rotterdam; augustus 2011
[ 16 ] Menahed Anderman, President Advanced Automotive Batteries; Status and Prospects
of Battery Technology for Hybrid Electric Vehicles, including Plug-in Hybrid Electric
Vehicles; Briefing to the U.S. Senate Committee on Energy and Natural Resources;
January 26, 2007, file; @@@
[ 17 ] Jonn Axsen et al ; Batteries for Plug-in Hybrid Electric Vehicles, Goals and the State
of Technology circa 2008; Institute for transportation studies, University of California
Davis, CA; Report UCD-ITS-RR-08-14; may 2008; file; @@@
[ 18 ] Sam Golbuff ; Optimization of a plug-in hybrid electric vehicle; Georgia Institute of
Technology; August 2006 file; @@@
[ 19 ] Toyota Hybrid System; Toyota, 2003, pdf-file: Toyota hybrid system.pdf
[ 20 ] ir. F.H. Rieck; Waarom gaan wij elektrisch rijden, SEV2008, pdf-file:
Par35b_HRO.pdf
[ 21 ] Prof.dr. Cees de Bont; Dutch-Insert, SEV2008, pdf-file: Par23_DUTCH-Insert.pdf
[ 22 ] dr. Ruud Hunik, dr. Rob Ross; De toekomst van de batterij, SEV2008, pdf-file:
Plen4_IWO.pdf
[ 23 ] Instituut voor wetenschap en ontwikkeling (IWO); pdf-file:
IWO&IPbv_Algemene_Info.pdf
[ 24 ] dr. Ruud Hunik, dr. Rob Ross; De toekomst van de batterij, SEV2008, pdf-file:
Plen6_Toyota.pdf
[ 25 ] R.M.M. Hogt; Integratie nieuwe generatie aandrijflijnen in opleiding Autotechniek;
SEV2008, pdf-file: Par35a_HRO.pdf
[ 26 ] Theo Gunneweg, Ester de Oude,Wouter van Leeuwen, Corien Slamet; Opdracht 2
cursus Smart Energy; september 2008
[ 27 ] Chris Mi et al; Hybrid Electric Vehicles; 2011; John Wiley & Sons; ISBN 978 0 470
74773 5
[ 28 ] Kazunori Handa et al; Development of next-generation electric vehicle “i-
MIEV”;2007; Mitsubishi Motors technical review
[ 29 ] …; Electric Vehicle Technology Explained;..; ..
[ 30 ] R.M.M.Hogt; Reader alternatieve aandrijving ; Hogeschool Rotterdam; 2006
Diverse websites:
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 195/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
www.sustainable-solutions.nl
www.fairclimate.nl
http://www.evworld.com/
www.fuelcelltoday.com
http://www.evisol.com
Evisol is specialized in developing, manufacturing and selling of high-end, highly reliable,
drive solutions for the rapidly growing market of hybrid- and full electric vehicles and boats.
www.quicc.eu/QUICC!
NL’se producten van elektrische voertuigen, onderdeel Duracar holding
www.nedstack.nl
NedStack is focused on the commercialization and volume production of PEM fuel cell stacks.
The application of innovative materials and designs has led to a strong improvement of the
performance of PEM fuel cells. PEM technology offers proper solutions for stationary as well
as mobile applications. PEM fuel cells are more efficient, cleaner (zero emission) and less
noisy than all other energy conversion technologies.
www.iwo.nl
De ideële stichting IWO is in 1994 opgericht voor educatie, begeleiding, advisering en
publicaties door het uitvoeren en/of coördineren van wetenschaps- en ontwikkelingsprojecten
dan wel ondersteuning te verlenen bij dergelijke activiteiten. IWO wil wetenschappelijke
verworvenheden benutten voor de positieve ontwikkeling van gemeenschappen en individuen.
Onder positieve ontwikkelingen wordt verstaan respect voor de gehele schepping, wat zich
o.a. vertaalt in duurzaam gebruik van de aarde, respect voor de natuur, vreedzame
coëxistentie en rechtvaardigheid jegens individuen, groepen en volken.
Reader nieuwe generatie aandrijvingen 196/196
Versie 3.13, 22 september 2013 Roeland M.M. Hogt
11 Bijlagen
Functie-werkwijze-diagrammen (Morphologic Cards) aandrijving
Functie-werkwijze-diagrammen aandrijving
Top Related