[Back]

R. Steffan:
"Entwicklung eines 48 Volt Full-Hybrid Antriebsstrangs für ein Ultraleicht-Fahrzeug";
Supervisor, Reviewer: P. Hofmann, C. Beidl; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2015; oral examination: 2015-09-14.

Due to the legal limitation of the C02 vehicle emissions, different technologies were actual focused in the automotive research and development to achieve the requested targets and avoid financial penalties. The car manufacturer recognised the C02 saving potential by a reduced vehicle weight. In addition, hybrid powertrain solutions, which increase the fuel efficiency by an intelligent combination of the internal combustion engine with the electric motor, were more and more introduced in the series production. Next to complex and cost intensive high voltage systems, hybrid approaches with a voltage level below 60 Volt were analysed as well.
As additional voltage protection demands can be avoided, these installations are less complex. As a priority target, the increasing energy demand of the electrical on-board system should be covered and, in addition, the higher recuperation potential in comparison to a conventional 12 Volt system is used for a sustainable fuel reduction. The use of the electric machine as a traction motor and, therefore, to represent a hybrid vehicle with all common driving functions, is limited especially for series vehicles due the higher curb weight and the limited power of the low voltage system.
This thesis deals with the combination of the prior mentioned technology trends and analyses in detail a low voltage hybrid approach in the context of an ultra-light vehicle concept (A-segment) with a curb weight below 700 kg. Belt-Starter-Generators with a voltage level of 12 Volt and 48 Volt were considered and compared to a powertrain configuration with a Conventional alternator plus starter structure as this would be common in such vehicle dass. Especially the powertrain architecture, which means the positioning of the Belt-Starter Generator in the existing powertrain, is focused. Simulations as well as test bench measurements at the real powertrain investigate the different topologies regarding fuel efficiency and comfort criteria. Despite the 48 Volt level, an intelligent adaption of the Belt-Starter Generator in combination with an established hybrid operating strategy generates hybrid functions as they are common for Full-Hybrid vehicles and lead to a fuel reduction up to -23,2 % (NEDC) and -16,1 % (WLTP) compared to a conventional 12 Volt configuration.

Als Reaktion auf die gesetzliche Reglementierung der CO2 Fahrzeugemissionen werden aktuell verschiedenste Technologieansätze in der automobilen Forschung und Entwicklung verfolgt, um die geforderten Grenzwerte einzuhalten und die bei Überschreitung drohenden Strafzahlungen zu umgehen. Seitens der Hersteller wurde unter anderem das C02 Einsparpotenzial durch die Reduktion des Fahrzeuggewichts erkannt. Weiterhin werden zunehmend hybride Antriebslösungen in die Serienproduktion überführt; welche durch einen intelligenten Betrieb von Verbrennungsmotor und Elektromaschine die Triebstrangeffizienz steigern.

Neben komplexen und kostenintensiven Hochvoltsystemen werden darüber hinaus Hybridansätze im Niederspannungsbereich bis 60 Volt untersucht. Deren Komplexität ist durch die Vermeidung von zusätzlichen Spannungsschutzmaßnahmen deutlich geringer. Vorrangig sollen diese Systeme den steigenden Bedarf an elektrischer Energie im Bordnetz decken, darüber hinaus wird das im Vergleich zum konventionellen 12 Volt System gesteigerte Rekuperationspotenzial nachhaltig zur Verbrauchsreduktion eingesetzt. Die Nutzung der Elektromaschine als Antriebsmotor und damit die Darstellung eines vollwertigen Hybridfahrzeugs bleibt vor allem in Serienfahrzeugen auf Grund des höheren Fahrzeuggewichts und der dennoch limitierten Leistung dieser Niederspannungssysteme eher begrenzt.

Die vorliegende Arbeit widmet sich einer Kombination der zuvor erwähnten Technologietrends und untersucht im Speziellen einen Hybridantrieb im Niederspannungsbereich im Kontext eines ultraleichten Fahrzeugkonzepts (A-Segment) mit einem Leergewicht unter 700 kg. Betrachtet werden Riemen-Starter-Generatoren mit einem Spannungsniveau von 12 Volt und 48 Volt im Vergleich zu in diesem Segment üblichen Konfigurationen bestehend aus konventioneller Lichtmaschine und Ritzelstarter. Besonderer Fokus wird dabei auf die Antriebsarchitektur, d.h. die Positionierung des Riemen-Starter-Generators in den bestehenden Triebstrang, gelegt. Verbrauchs- und komfortrelevante Faktoren werden mittels Simulationen und Messungen am realen Antriebsstrang untersucht und die Besonderheiten der einzelnen Topologien hervorgehoben. Die intelligente Anbindung des Riemen-Starter-Generators in Kombination mit einer fundierten Betriebsstrategie generiert trotz einem Spannungsniveau von lediglich 48 Volt somit die Funktionalitäten eines Full-Hybrid Fahrzeugs mit Verbrauchsvorteilen von -23,2 % (NEFZ) und -16,1 % (WLTP) gegenüber dem konventionellen 12 Volt Antriebssystem.