Pojazd z systemem wspomagania zasięgu MAHLE

Wykorzystując silnik spalinowy jako system wspomagania zasięgu (range extender), zasilane akumulatorem układy napędu w samochodach osobowych mogą osiągnąć zasięg porównywalny z zasięgiem konwencjonalnych układach napędu. System wspomagania zasięgu RE może zatem stać się bramą do szerszych zastosowań seryjnych w pojazdach z elektrycznych systemach napędowych. MAHLE aktualnie bada tę technologię układu napędu z wykorzystaniem systemu wspomagania zasięgu w postaci silnika spalinowego oraz pojazdu demonstracyjnego, obu opracowanych w obrębie firmy.

Jako podstawę pojazdu demonstracyjnego z napędem elektrycznym i systemem wspomagania zasięgu (Range Extended Electric Vehicle — REEV), MAHLE wybrało konwencjonalnie napędzany pojazd z segmentu B. Głównymi przyczynami tej decyzji były szacunki rynkowe dla układów napędu z systemem wspomagania zasięgu oraz typowy profil użytkownika, obejmujący codzienne podróże po drogach wiejskich i autostradach o zasięgu od 50 do 80 km, jak również wyzwania związane z gabarytami. Kompaktowa i elastyczna pozycja instalacji silnika przedłużacza zasięgu MAHLE jest tu szczególnie użyteczna.

Rzędowa, dwucylindrowa budowa ze zintegrowanym generatorem sprawia, że przedłużacz zasięgu jest znacznie mniejszy niż 1,2-litrowy, rzędowy, czterocylindrowy silnik zainstalowany w podstawowym pojeździe. Dzięki wyjątkowo kompaktowym wymiarom 55 kW (wartość szczytowa 100 kW) elektrycznego silnika trakcyjnego i 2-biegowej przekładni redukcyjnej, wszystkie główne elementy napędu (włączając falownik i jednostki sterowania), za wyjątkiem akumulatora wysokiego napięcia, można było łatwo zmieścić z przodu pojazdu.

Bezpośrednia bliskość silnika spalinowego i elementów elektrycznego napędu w już ciasnej przestrzeni instalacyjnej przedniej części pojazdu wymaga zintegrowania oddzielnych obwodów chłodzenia. Typowa temperatura chłodziwa około 90°C w silniku spalinowym nie może wpływać na znacząco niższy poziom temperatury w obwodzie chłodzenia silnika elektrycznego (około 40°C). Aby to zapewnić, należy wykorzystać izolację. Strategia chłodzenia głównego radiatora w pojeździe demonstracyjnym jest oparta na wymogach poszczególnych indywidualnych obwodów. Kiedy w jednym z obwodów wymagane jest dodatkowe chłodzenie, otrzymuje on priorytet w interakcjach indywidualnych obwodów.

Zasadniczo, elektryczny układ napędu zaprojektowano tak, by umożliwić pojazdowi demonstracyjnemu spełnienie, a nawet przekroczenie wymogów wydajności jazdy podstawowego pojazdu, z wyłączenie maksymalnej prędkości. Ważne było również wykazanie, że konfiguracja napędu nie wymaga poświęcenia ładowności. Akumulator wysokiego napięcia - o pojemności 14 kWh - jest zainstalowany poniżej podłogi, w miejscu na koło zapasowe, dzięki czemu nie ogranicza przestrzeni ładunkowej ani przestrzeni w przedziale dla pasażerów. Ponadto około 45-litrowy zbiornik paliwa z pojazdu podstawowego został zmniejszony prawie o połowę, do 25 l.

Firma MAHLE zoptymalizowała strategię działania systemu wspomagania zasięgu pod kątem minimalnego zużycia paliwa podczas jazdy przy jednoczesnym przestrzeganiu limitów emisji spalin, hałasu i wibracji. W tym celu wibracje związane z prędkością obrotową podczas cyklu spalania zostały zredukowane w maksymalnym możliwym zakresie na wczesnych etapach rozwoju, minimalizując ty samym wysiłek związany z aplikacją wymagany dla silnika. Dynamiczna kontrola obciążenia generatora i odpowiedni wybór punktów operacyjnych zapewniają dobrą podstawę. Jak wykazano w szeroko zakrojonych testach rozruchu na zimno, punkty operacyjne częściowym obciążeniem przy niskich prędkościach zapewniają najlepszy kompromis pomiędzy niską emisją spalin (około 30% limitów Euro 6) i zużyciem paliwa w NEDC.

W oparciu o aktualnie obowiązujące europejskie przepisy dotyczące spalin, aby uzyskać najmniejsze wartości emisji CO2 w pojazdach elektrycznych z systemem wspomagania zasięgu (ogólnie tzw. samochodach hybrydowych Plug-in), zasięg uzyskiwany wyłącznie na silniku elektrycznym musi być zmaksymalizowany, zaś system wspomagania zasięgu nie może przeładowywać akumulatora. Zakładając, że energia elektryczna jest pozyskiwana z „odnawialnych” źródeł (wiatr, woda, energia słoneczna), wszelka energia pozostająca w akumulatorze na koniec podróży byłaby bezproduktywna z punktu widzenia emisji CO2. Strategia działania dla REVV optymalizująca zużycie paliwa uruchamia system wspomagania zasięgu, kiedy osiągnięty zostanie niski poziom naładowania akumulatora (w celu zmaksymalizowania zasięg podróży wyłącznie na napędzie elektrycznym), a później pozostaje on tylko nieznacznie powyżej aktualnie wymaganej mocy napędu (np. +1 kW). W celu zredukowania emisji hałasu podczas faktycznej jazdy do poziomu praktycznie poniżej poziomu dźwięków tła, jedna z potencjalnych strategii działania zakłada uruchamianie systemu wspomagania zasięgu tylko w wyjątkowych przypadkach (takich jak bardzo niski poziom naładowania akumulatora), jeśli zapotrzebowanie na moc jest poniżej 5 kW lub prędkość pojazdu jest niższa niż 45 km/godz. W standardowych warunkach działania, moc wyjściowa jest regulowana proporcjonalnie do prędkości pojazdu.

Strategia działania umożliwia pojazdowi demonstracyjnemu przekroczenie czysto elektrycznego zasięgu 70 km, dodając ponad 400 km przy łącznej emisji poniżej 45 g CO2/km. Oznacza to redukcję emisji CO2 o około 2/3 w porównaniu z już dobrym początkowym wynikiem pojazdu podstawowego. Kluczowa jest tutaj bardzo wysoka ogólna wydajność systemu napędu MAHLE. Ponad 31% w najlepszym punkcie w całym systemie napędu to imponujący wynik, zwłaszcza biorąc pod uwagę fizyczne niekorzystne aspekty wydajności seryjnych koncepcji napędów hybrydowych z dwiema dodatkowymi konwersjami energii (z mechanicznej na elektryczną, a z elektrycznej z powrotem na mechaniczną). Choć nowoczesnych konwencjonalnych systemów napędu, na poziomie około 35% (benzyna) i ponad 40% (diesel) jest nieosiągalna dla REEV z powodu natury tego systemu, różnica ta jest zadziwiająco mała w przypadku systemów napędu MAHLE.

Dzięki globalnym staraniom mającym na celu dalsze znaczące zredukowanie zużycia paliwa i emisji z systemów napędu pojazdu, w przyszłości będzie wykorzystywane szerokie spektrum różnych systemów napędu, w zależności od obszaru zastosowania. Przyczyni się do tego w dużym stopniu ciągła optymalizacja istniejących silników spalinowych. W kolejnej dekadzie, czysto elektryczne systemy napędu mogą osiągnąć udział w rynku około 5% w środowisku miejskim w klasie samochodów małych i kompaktowych. Dzięki systemowi wspomagania zasięgu, pojazdy te znacząco zwiększą swój wcześniej ograniczony zasięg i zmniejszą się ogólne koszty w wyniku wykorzystania akumulatorów o mniejszej pojemności. System wspomagania zasięgu może zatem sprawić, że elektryczny system napędu stanie się o wiele bardziej atrakcyjny. W oparciu o wewnętrzne scenariusze dla systemów napędu, MAHLE przewiduje zatem, że systemy wspomagania zasięgu będą mieć w ciągu następnych dziesięciu lat realne możliwości w pojazdach czysto elektrycznych, i aktywnie kształtuje dzięki temu projektowi bieżący rozwój przyszłej mobilności.