MAHLE Range Extender verbessert die Akzeptanz des Elektroantriebs

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Stuttgart, September 2011 – Um von den Verbrauchern akzeptiert zu werden, müssen elektrisch angetriebene Fahrzeuge eine zufriedenstellende Reichweite haben. Hier hilft der von MAHLE Powertrain entwickelte Range Extender. Der Zweizylinder-Ottomotor mit 0,9 l Hubraum hat einen in das Kurbelgehäuse integrierten Generator, der bei Bedarf die entladene Batterie wieder auflädt.

Die Notwendigkeit zur lokalen Reduzierung des CO2-Ausstoßes führt zu einem wachsenden Interesse an batterieelektrischen Fahrzeugen. Aber neben den hohen Kosten automobiltauglicher Batterien ist die geringe Reichweite derzeit der Hauptnachteil dieser Antriebstechnologie. Beide Nachteile kompensiert ein Range Extender. Bei diesem Antriebskonzept wird bei Bedarf ein kleiner Verbrennungsmotor zugeschaltet, welcher über einen nachgeschalteten Generator die Batterie wieder auflädt. Die Batterie kann durch den Einsatz eines Range Extenders deutlich kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden. Gleichzeitig kann dadurch die Reichweite des Antriebsstrangs auf ein akzeptables Niveau erhöht werden.

MAHLE hat einen solchen Range Extender komplett selbst entwickelt und dafür die Leistungscharakteristik eines fiktiven Fahrzeugs der Kompaktklasse als Vergleichsmaßstab herangezogen. Daraus leiteten sich folgende Anforderungen für die Auslegung des seriellen Range-Extender-Konzepts ab:

  • Bei elektrischem Betrieb ohne Unterstützung des Verbrennungsmotors soll die Reichweite mindestens 80 km betragen. Damit sind 70 Prozent aller typischerweise im Alltag gefahrenen Strecken abgedeckt.
  • Eine konstante Reisegeschwindigkeit von 120 km/h und eine maximale Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h soll erreicht werden.
  • Ein mit dem Referenzfahrzeug vergleichbares beziehungsweise besseres Anfahr-, Beschleunigungs- und Steigungsvermögen soll erreicht werden.

MAHLE hat verschiedene Konzepte erarbeitet und unter technischen und kommerziellen Gesichtspunkten bewertet. Untersucht wurden unterschiedliche Motorkonfigurationen, Kraftstoffarten und thermodynamische Prozesse. Ziele waren neben geringen Produktionskosten ein niedriger Kraftstoffverbrauch und ein gutes NVH-Verhalten (Noise-Vibration-Harshness) des Motors. Der Fahrkomfort soll nicht beeinträchtigt werden, wenn der Range Extender zum Einsatz kommt.

Als optimale Lösung erwies sich dabei ein Reihen-Zweizylinder-Viertakt-Ottomotor mit 30 kW Nennleistung aus 0,9 l Hubraum. Der elektrische Generator ist dabei komplett in das Kurbelgehäuse des Motors integriert. In Kombination mit einem 55 kW starken Permanentmagnet-Synchronmotor und einer Lithium-Ionen-Batterie mit 15 kWh Kapazität werden alle fahrdynamischen Anforderungen sicher erfüllt.

Da der Verbrennungsmotor keine mechanische Verbindung zu den Rädern hat, ergeben sich neue Möglichkeiten der Gestaltung und der Auslegung. Das Aggregat läuft hauptsächlich unter Volllast und hat zwei Hauptbetriebspunkte. Ist eine Batterieaufladung nötig, wird der Zweizylinder-Motor mit 15 kW Leistungsabgabe an der Kurbelwelle betrieben. Soll das Ladeniveau der Batterie selbst bei schneller Fahrt erhalten bleiben, wird der Motor mit 30 kW Leistung an der Kurbelwelle betrieben.

Zur Konzeptüberprüfung hat MAHLE einen Prototypen des Range Extenders gebaut und auf einem Motorenprüfstand ausgiebig erprobt. Der Motor erreichte dabei die gesetzten Zielwerte mit einer Nennleistung von 30 kW bei 4.000 min-1

Ein herausragendes Merkmal des MAHLE Range-Extender-Motors sind seine kompakten Abmessungen. Mit einer Breite von 416 mm, einer Tiefe von 327 mm und einer Höhe von 481 mm ist er in der Größenordnung von Flugzeug-Handgepäck. Und mit einer Masse von unter 70 kg (inklusive Generator) passt er reibungslos in die Package- und Gewichtsverteilungskonzepte der Automobilhersteller. Ein weiterer Vorteil: Der Motor muss nicht in gewohnter Weise eingebaut werden. Denkbar sind alle beliebigen Einbaulagen, von 0° (stehend) bis 90° (liegend).

Da die Zündpunkte des Reihen-Zweizylindermotors bei 0° und 180° Kurbelwelle festgelegt wurden, kann auf eine Ausgleichswelle verzichtet werden. Die je zwei Ventile pro Zylinder werden indirekt über Rollenkipphebel von einer obenliegenden Nockenwelle betätigt. Dies verringert die Höhe des Motorblocks und reduziert außerdem die Reibung im Ventiltrieb.

Zur optimalen Ausnutzung des verfügbaren Bauraums haben die MAHLE Ingenieure ferner ein kompaktes, eng am Motor liegendes Ansaugsystem entwickelt. Mit eindimensionalen thermodynamischen Simulationen wurden das Ansaugsystem sowie die Ein- und Auslass-Geometrien ausgelegt. In Kombination mit dreidimensionalen FEM-Simulationen (FEM = Finite Elemente Methode) konnten trotz der kurzen Ansaugstrecke die Resonanzschwingungen effektiv gedämpft werden.

MAHLE hat auch ein numerisches Antriebsstrang-Simulationsmodell erstellt und damit unterschiedliche Nutzerprofile ausgewertet. Diese Werte wurden dann mit den Emissionen des Referenzfahrzeugs verglichen. Zur Analyse des Energieeinsatzes im realen Fahrbetrieb müssen auch die Betriebs- bzw. Ladestrategien der Batterie mitberücksichtigt werden. Untersucht wurden auch Worst-Case-Szenarien mit leerer Batterie. Alle Fahrzyklen und Ladestrategien lieferten dabei geringere CO2-Emissionswerte als der konventionelle Referenzantrieb.

Bei der Konstruktion des Motors hat MAHLE Powertrain eng mit den verschiedenen Geschäftsbereichen von MAHLE zusammengearbeitet. So sind beispielsweise Komponenten wie Kolben, Pleuel und Lager original MAHLE Produkte. Im Range Extender steckt somit das international vernetze Know-how von MAHLE.

Der MAHLE Konzern ist einer der 30 weltweit größten Automobilzulieferer. Mit den beiden Geschäftsbereichen Motorsysteme und -komponenten sowie Filtration und Motorperipherie zählt MAHLE weltweit zu den Top-3-Systemanbietern von Kolbensystemen, Zylinderkomponenten, Ventiltrieb-, Luftmanagement- und Flüssigkeitsmanagement-Systemen. Im Geschäftsbereich Industry sind die Industrieaktivitäten von MAHLE gebündelt. Dazu zählen die Bereiche Großmotoren, Industriefiltration sowie Kühl- und Klimatisierungssysteme. Der Geschäftsbereich Aftermarket bedient den freien Teilehandel mit MAHLE Produkten in Erstausrüstungsqualität. MAHLE erzielte im Jahr 2010 einen Umsatz von rund 5,3 Mrd. EUR und beschäftigt mehr als 47.000 Mitarbeiter an über 100 Produktionsstandorten und in acht Forschungs- und Entwicklungszentren.

 


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Ein herausragendes Merkmal des MAHLE Range Extender sind seine kompakten Abmessungen. Mit einer Breite von 416 mm, einer Tiefe von 327 mm und einer Höhe von 481 mm ist er in der Größenordnung von Flugzeug-Handgepäck. Und mit einer Masse von unter 70 kg (inklusive Generator) passt er reibungslos in die Package- und Gewichtsverteilungskonzepte der Automobilhersteller. Ein weiterer Vorteil: Der Motor muss nicht in gewohnter Weise eingebaut werden. Denkbar sind alle beliebigen Einbaulagen, von 0° (stehend) bis 90° (liegend).


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