061031 KollEA FHH RBoschGmbH Vortrag Markt Lenkung · Gerald Zierer Bosch- BueP/TEF14 07223 / 82-1552 ... PKW 540/1000 Einw. (+ 1%) Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt Jahresbericht

Bey / 061031_Koll-EA_FHH-RBoschGmbH© Alle Rechte bei Prof. Dr.-Ing. St. Beyer, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht bei mir. - 1 -

FachhochschuleHannover

Prof. Dr.-Ing. St. BeyerFG: Elektr. Antriebe u. Automatisierungstechnik

Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA Elektrische Antriebe im KfzEin Kolloquium zur elektrischen Antriebstechnik

Agenda 31.10.2006 FH-Hannover, Ricklinger Stadtweg 12030459 Hannover

Uhrzeit08:30 – 08:40 Uhr Begrüßung St. Beyer08:40 – 09:20 Uhr Gleichstrommaschinen für elektrische D. Bühler

Antriebssysteme im Kfz09:20 – 10:00 Uhr Elektronisch kommutierte Antriebe J. Halfmann

im Kfz 10:00 – 10:20 Uhr Pause10:20 – 10:40 Uhr Werkstoffe und Komponenten D. Bühler

elektrischen Antriebe10:40 – 11:00 Uhr Entwicklungswerkzeuge für J. Halfmann

elektrische Antriebe11:00 – 11:20 Uhr Projektarbeit T. Lott11:20 – 12:00 Uhr Industrielle Fertigung G. Zierer

elektrischer Antriebe12:00 – 13:00 Uhr Mittagspause13:00 – 13:30 Uhr Elektrische Lenkung St. Beyer13:30 – 14:00 Uhr Antriebssystem Getriebesteller T. Lott14:00 – 14:40 Uhr Stand der Technik und Entwicklungs- J. Landrath

tendenzen bei Hybridfahrzeugen14:40 – 15:20 Uhr Auslegung elektrischer Antriebe A. Jacob

für Hybridfahrzeuge15:30 – 16:30 Uhr Möglichkeit zu Gesprächen im kleinen Kreis

mit den Referenten zu Technik, Arbeitsweltund mehr

Pausen10:00 – 10:20 Uhr12:00 – 13:00 Uhr

ReferentenDirk Bühler Bosch- EB/EDT6 07223 / 82-2624Jürgen Halfmann Bosch- EB/EDT5 07223 / 82-3886Thomas Lott Bosch- GS-TC/ENM2 07223 / 82-2418Gerald Zierer Bosch- BueP/TEF14 07223 / 82-1552Dr. Axel Jacob Bosch- GS/PJ-HT11 0711/811-49501Prof. Dr. Joachim Landrath FHH/E2 0511/9296-1280Prof. Dr. Stefan Beyer FHH/E2 0511/9296-1289

Elektrische Antriebeim Kfz

31.10.200608:30 – 16:30 Uhr

FHH Hörsaal 100 (Neubau)

Ricklinger Stadtweg 12030459 Hannover

Ein Kolloquium zur elektrischen Antriebstechnik

Anforderungen und Randbedingungentechnische Lösungen und aktuelle Produkte zukünftige Entwicklungsziele, Chancen und Märkte



Elektrische Antriebe im KfzEin Kolloquium zur elektrischen Antriebstechnik

Agenda 31.10.2006 FH-Hannover, Ricklinger Stadtweg 12030459 Hannover

Uhrzeit08:30 – 08:40 Uhr Begrüßung St. Beyer08:40 – 09:20 Uhr Gleichstrommaschinen für elektrische M. Albrecht

Antriebssysteme im Kfz09:20 – 10:00 Uhr Elektronisch kommutierte Antriebe J. Halfmann

im Kfz 10:00 – 10:20 Uhr Pause10:20 – 10:40 Uhr Werkstoffe und Komponenten M. Albrecht

elektrischen Antriebe10:40 – 11:00 Uhr Entwicklungswerkzeuge für J. Halfmann

elektrische Antriebe11:00 – 11:20 Uhr Projektarbeit T. Lott11:20 – 12:00 Uhr Industrielle Fertigung G. Zierer

elektrischer Antriebe12:00 – 13:00 Uhr Mittagspause13:00 – 13:30 Uhr Elektrische Lenkung St. Beyer13:30 – 14:00 Uhr Antriebssystem Getriebesteller T. Lott14:00 – 14:40 Uhr Stand der Technik und Entwicklungs- J. Landrath

tendenzen bei Hybridfahrzeugen14:40 – 15:20 Uhr Auslegung elektrischer Antriebe A. Jacob

für Hybridfahrzeuge15:30 – 16:30 Uhr Möglichkeit zu Gesprächen im kleinen Kreis

mit den Referenten zu Technik, Arbeitsweltund mehr

Pausen10:00 – 10:20 Uhr12:00 – 13:00 Uhr

ReferentenMichael Albrecht Bosch- EB/EDT6 07223 / 82-2624Jürgen Halfmann Bosch- EB/EDT5 07223 / 82-3886Thomas Lott Bosch- GS-TC/ENM2 07223 / 82-2418Gerald Zierer Bosch- BueP/TEF14 07223 / 82-1552Dr. Axel Jacob Bosch- GS/PJ-HT11 0711/811-49501Prof. Dr. Joachim Landrath FHH/E2 0511/9296-1280Prof. Dr. Stefan Beyer FHH/E2 0511/9296-1289

Elektrische Antriebeim Kfz

31.10.200608:30 – 16:30 Uhr

FHH Hörsaal 100 (Neubau)

Ricklinger Stadtweg 12030459 Hannover

Ein Kolloquium zur elektrischen Antriebstechnik

Anforderungen und Randbedingungentechnische Lösungen und aktuelle Produkte zukünftige Entwicklungsziele, Chancen und Märkte



A:B:

C:

D:

E:

F:G:

H:I:J:

K:

L:




Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA

zum Kolloquium der elektrischen Antriebstechnik „Elektrische Antriebe im Kfz“an der FH Hannover am 31.10.2006

Prof. Dr. St. Beyer

Fachbereich Elektro- und Informationstechnik E

Fachgebiet Elektrische Antriebe und Automatisierungstechnik E2

Postadresse Postfach 920 261

D-30441 Hannover

Büro Raum 2858 2. Etage

Ricklinger Stadtweg 120

D-30459 Hannover

Telefon 0511/9296-1289

Fax 0511/9296-1270

E-Mail stefan.beyer @ fh-hannover.de

Einführung Markt

R. B

osch

Gm

bH

Beispiel




Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA Elektrische Antriebe im Kfz

Einführung

Koll EA

Markt am Beispiel Deutschland

Kraftfahrzeugbestand und dessen Aufteilung am 01.01.2003 59,2 Mio. Kfz und Anhänger

PKW

44,8 Mio 75,7 %+ 1,0 %

Neuzulassungen 2002

PKW 3,25 Mio.

Durchschnittsalter

PKW 7,2 Jahreseit 91 zunehmend 6,3 … 7,2 … 8

Fahrzeugdichte

PKW 540/1000 Einw. (+ 1%)

Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt Jahresbericht 2003

6

Krafträder3,7 Mio.+ 4 %

LKW2,6 Mio.-1,9 %

Sattel-Zugmaschinenu. Trecker, sonstige1,98 Mio.+ 1,2 %, + 1,5 %

Anhänger5,3 Mio.+ 3,8 %

Busse0,084 Mio.- 2,8 %

übrige0,681 Mio.+ 0,4 %

Anzahl undprozentuale Änderung gegenüber Vorjahr





Einführung

Koll EA


Kfz-Bestand 01.01.2005

Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt, Jahresbericht 2005

8

Änderung gegenüber 01.01.2003Kfz und Anhänger + 2,2 % 59,2 … 60,5 Mio.

Änderung gegenüber 01.01.2004davon PKW + 2,9 % 44,8 … 46,1 Mio. 1,3 Mio. PKW

3.600 PKW mit Hybridantrieb

davon Zugmaschinen + 7,6 %

LKW + 3,7 %Busse + 0,5 %

Krafträder - 4,7 %

aber verstärkte Kfz-Löschung z.B. 2004 3,3 Mio. Neuzulassungenund Neu-Zulassungen

40

41

42

43

44

45

46

47

1997 1999 2001 2003 2005

PKW-Bestand in Deutschland

Mio.Stk.

Dat

enqu

elle

: KB

A-J

ahre

sber

icht

e

+ 10,5 %4,4 Mio. Stk.

76,2 %





Einführung

Koll EA


Wesentliche Treiber beim Kfz

Individualverkehr mit persönlicher UnabhängigkeitAbfahrt, Fahrzeit, Weg, Mitfahrer, Raumklima, Unterhaltung, Lasten-Transport

Sicherheit

Komfort

6

Statussymbol

sportliche Aspekte

Sparsamkeit / Betriebskosten

Preis des Fahrzeuges

40

41

42

43

44

45

46

47

1997 1999 2001 2003 2005

PKW-Bestand in Deutschland

Mio.Stk.

Dat

enqu

elle

: KB

A-J

ahre

sber

icht

e

+ 10,5 %4,4 Mio. Stk.

1.5822.295

3.1993.789

4.559

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

1970 1980 1990 2000 2010*

Personenverkehr in der EU-15 bis 2010

LuftverkehrEisenbahnÖPNVPKW

Dat

enqu

elle

: VD

A, A

uto-

Jahr

esbe

richt

200

6, E

U-K

omm

issi

on

Mrd.Pers.-km

*Prognose 2010





Einführung

Koll EA

Einteilung der PKW-Klassen

A: Mini Class (Minis)

z. B.: Ford Ka, Twingo, Mini Cooper, Fiat Seicento, VW Lupo

D: Upper Medium Class (Mittelklasse)

z. B.: 3-er BMW, Peugeot 406, Audi A4, Ford Galant, Opel Vectra, VW Passat

G: Offroad, Pick-up, SUV (Geländew.)

z. B.: Durango, Escape, Jeep Wrangler, Land Cruiser 100, VW Touareg

B: Small Class (Kleinwagen)

z. B.: Peugeot 106 u. 206, VW Polo, Opel Corsa, Ford Fiesta, Audi A2

E: Upper Class (Obere Mittelklasse)

z. B.: 5-er BMW, Ford Avensis, Audi A6, Opel Omega, Volvo 70

H: VAN, Mini-VAN (Vans)

z. B.: Ford Galaxy, Estima, Peugeot 807, VW Touran

C: Medium Class (Kompaktklasse)

z. B.: Peugeot 306, VW Golf u. Bora, Audi A3Opel Astra, Ford Escort u. Focus

F: Luxury Class (Oberklasse)

z. B.: 7-er BMW, Audi A8, Maybach, Rolls Royce

S: Sports Car Class (Cabriolets)

z. B.: Alfa Spider, Z3, TT Coupe, Corvette, Lamborghini Barchetta

Abbildungen mitfrei gewählten Beispielen





Einführung

Koll EA


Datenquelle: KraftfahrzeugbundesamtJahresbericht 2005Statistische Mitteilungen Mai 2006

12

ca. 50 % Mini-Klasse, Kleinwagen, Kompaktklasse

ca. 25 % Mittelklasse, Obere Mittelklasse, Oberklasse

ca. 25 % Geländewagen, Cabrios, VANs, Utilities

Jan. - Mai 2006

ca. 46 %

ca. 24 %

ca. 29 %

Kaufverhalten in 2005 bei fabrikneuen PKW

13,0

4,7

6,3

1,3

5,7

16,9

25,0

4,50,3

4,50,9

17,0

NeuzulassungenJan. - Mai 2006 in %

StückzahlÄnderung gegenüber Vorjahreszeitraum

Wohnmobil12.085 Stk.

+ 4 %

sonstige4.475 Stk.+ 42,5 %

Mini63.651 Stk.

+ 40,1 %

Kleinwg.239.445 Stk.

+ 8 %

Kompaktkl.353.453 Stk.

- 6,5 %

∼∼∼∼ 46 %

Mittelkl.238.240 Stk. + 1,2 %

Oberkl.17.818 Stk.

+ 15,4 %

Obere Mittelkl.80.889 Stk.

- 8,9 %

∼∼∼∼ 24 %

Geländewg.88.712 Stk.

+ 16 %

Cabrio66.134 Stk.

- 15 %

Van183.920 Stk.

+ 12,6 %

Utilities63.296 Stk.

+ 14,2 %

∼∼∼∼ 29 %





Einführung

Koll EA

MarktWeltweite PKW-Produktion Ist-Stand

Vereinfachte Annahme:

• mittlerer Kfz-Ausstattungsgrad

25 elektrische Motoren

• 2005: 1.500 Mio. el. Motoren

• 2013: 1.750 Mio. el. Motoren

5

Annahme: geringere konstante Zunahme

Datenquelle bis Jahr 2005: VDA, International Auto Statistics 2006

80 Mio.

70 Mio.

60 Mio.

50 Mio.

40 Mio.

30 Mio.

20 Mio.

10 Mio.

0

2003 2005 2007 2009 2011 2013

Stück

Jahr

Welt

Europa

NAFTAJapan

China

Deutschland

2003: 5,145 Mio. 2005: 5,350 Mio.

Mercosur





Einführung

Koll EA

MarktProduktion Kleinmotoren in Deutschland

0

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

3.000.000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Jahr

Stü

ckza

hl

0

20.000.000

40.000.000

60.000.000

80.000.000

100.000.000

120.000.000

140.000.000

160.000.000

180.000.000

200.000.000

1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Jahr

Stü

ckza

hl

DC: 37,5 … 750 W

Kleinmotoren gesamt

DC und AC: < 37,5 W

Universalmotor > 37,5 W

2.431 Mio €

1.275 Mio €

221 Mio €

797 Mio €

117 Mio €

AC: > 750 W

21 Mio €

AC: 37,5 … 750 W

Gesamtproduktion aller elektrische Antriebe 2004: 6.505 Mio €(Motoren, Stromrichter, Zubehör) ZEVI-2005

2





Ein Beitrag zum Antriebskolloquium „Elektrische Antriebe im Kfz“an der FH Hannover am 31.10.2006

Prof. Dr. St. Beyer

Fachbereich Elektro- und Informationstechnik E

Fachgebiet Elektrische Antriebe und Automatisierungstechnik E2

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Ricklinger Stadtweg 120

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Telefon 0511/9296-1289

Fax 0511/9296-1270

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Elektrische Lenkung

nsk-

Inte

rnet

Beispiel




Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA Einführung in Projekte

Inhaltsverzeichnis

Koll EA

1 Lenk-Anlagen1.1 Nutzen einer Lenkung1.2 Lenk-Anlagen

2 Lenk-Systeme2.1 Hilfskraftanlagen auf hydraulischer Basis2.2 Beispiel für den Aufbau einer elektrischen Hilfskraftanlage2.3 Lenkkräfte und elektrische Hilfskraftanlagen ohne Hydraulik2.4 Besonderheiten und Vorzüge der elektrischen Hilfskraftanlagen2.5 Zusätzliche Funktionalitäten2.6 Fahren „ohne“ mechanische Verbindungen

3 Lenksystem EPS3.1 Grundstruktur eines elektrischen Lenksystems3.2 Typische Anforderungen Stellmotor3.3 Abschätzung Stellmotoren3.4 Typische Anforderungen Stellglied

4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb4.1 Antriebsmerkmale Stellmotor4.2 Antriebsmerkmale Stellglied

5 Betätigungsfelder für Ingenieure

Inhaltsverzeichnis

Quellenangabenbei den jeweiligen

Darstellungen




Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA Elektrische Lenkung

1 Lenk-Anlagen

Koll EA

1.1 Nutzen einer Lenkungohne viele Worte …

4

Haben wir etwas Haben wir etwas

bei der Entwicklungbei der Entwicklung

vergessen?vergessen?

lenken allgemein:• einem Fahrzeug

eine bestimmte Richtung geben

Lenkung, Lenk-Anlage allgemein:• alle Baugruppen u. Komponenten,

die für das Lenken erforderlich sind





1 Lenk-Anlagen

Koll EA

1.2 Lenk-Anlagen

Lenksäule

Lenkstock

Lenkgetriebe

Lenkrad

mit aktivem Fahrzeugführer

§38StVZO Muskelkraftanlagen

Lenkkraft wird vom Fahrer ausschließlich mit Muskelkraft über Lenkrad / Lenksäule / Lenkgetriebe aufgebracht.

§38StVZO Hilfskraftanlagen

Lenkkraft wird mit Muskelkraft desFahrers und von einer vorhandenenEnergiequelle gemeinsam aufgebracht.

Lenkspindel mit Torsionsstab

Hilfskraftanlage

11

Lenksensorik

Quelle: Prospekt ZF-Servolectric Ausführungsbeispiel „Pinion“

Motor-StellgliedElektronik

E-Motor Zahnstangemit Übersetzung

Lenkspindelmit Getriebe





2 Lenk-Systeme

Koll EA

2 Lenk-Systeme 1

mit / ohne Muskelkraft des Fahrerzeugführers

Elektro-hydraulische LenkungEHSL oder EHPS

Hydraulische LenkungHSL oder HPS

• mechanische Verbindungen

• Kraftunterstützung des Fahrerzeugführers

Aktive LenkungSteer-by-WireDrive-by-Wire

…

• elektrische Verbindungen

• bedarfsgerechte Kraftunterstützung

• Assistenzsysteme

Elektrische ServolenkungESL oder EPS








2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.1 Hilfskraftanlagen auf hydraulischer Basis Konventionelle Servo-Lenkung

14

• hohe LeistungsdichteHydraulikkräfte / Bauvolumen +

• gutes Preis-Leistungsverhältnis +• erfahrene Funktionssicherheit +

ZF

-Len

ksys

tem

e-In

tern

et

EHPS

Elektro-hydraulische Hilfskraftanlage

-• Hydraulik-Öl und Schläuche

nasses und verteiltes System

• Hydrauliksystem erzeugt hohe Lenkkräfte +

• Öl-Pumpe durch Kurbelwelledes V-Motor drehzahlabhängigüber Keilriemen ständigangetriebendrehzahlabhängige Förderleistungübertragbare Leistung durch KeilriemenWirkungsgrad

-

-• keine „Zusatzfunktionen“

ESLoderHPS

EHPS

• Integriertes Pumpensystem 1 Einheit: elektr. Antrieb, Pumpe, Ölreservoir

+

• Elektrischer Antrieb fürHydraulikpumpeerzeugt nur bedarfsabhängigen Hydraulikdruckhöherer Wirkungsgrad, KraftstoffeinsparungBordnetz begrenzt Leistung

+

-

• Parametrierbare Lenkung einstellbare variable Pumpenleistung

+





Quelle: ZFLS-Prospekt G7802 P-MBA 2/98 d

Elektrische Lenkung

2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.2 Beispiel für den Aufbau einer elektrischen HilfskraftanlageLenksystem mit E-Motor Typ „Pinion“ (Ritzel) „Double-Pinion“

Fahrzeuge derMittelklassez.B. für • Peugeot 306• VW Golf u. Bora• Audi A3• Opel Astra• Ford Escort• Ford Focus

Achslast bis ca. 800 kg

Drehmomentdes Fahrers

Drehm

oment

E-Motor

6

Zahnstangen-kräfte < 9000 N





2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.3 Lenkkräfte und elektrische Hilfskraftanlagen ohne Hydraulik9

Lenkkräfte (Orientierungswerte)

je nach Fahrzeugklasse und -typ

GeländewagenTransporter

Oberklasse

Obere Mittelklasse

Mittelklasse

Untere Mittelklasse

KleinwagenMini

„Rack“ oder „APA“-Actuator

„Column“-Actuator

„Pinion“- oder „Double-Pinion“-

Actuator

Quelle: ZFLS-Prospekt G7802 P-MBA 2/98 d

Ausführungsbeispiele

15.000

13.500

12.000

10.500

9.000

7.500

6.000

FZahnstange

N

• Zahnstangenkraft• Lenkachslast

ca. 1.200 kg

ca. 800 / 950 kg

ca. 650 kg

• Einbauraum• Bordnetzleistung





2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.4 Besonderheiten und Vorzüge der elektrischen HilfskraftanlagenBesonderheiten

trotzdem geht die Entwicklung weiter

Vorzüge für Endverbraucher Vorzüge für Fahrzeughersteller

Montagevorteil• ein Zulieferteil

• Montage komplettes System

+

12

zusätzliche Funktionalitäten• Komfort

• Sicherheit für Mensch und Fahrzeug

+

geringerer Platzbedarf im Motorraum• Position unabhängig von Verbrennungsmotor

• neuer Gestaltungsraum für „was anderes“

+

Entfall Hydraulikkomponenten• Pumpe, Ölbehälter, Hydraulikleitungen

• Öl und Öleinfüllung

• Ölstands- und Dichtigkeitskontrollen

• weniger zu montierende Teile

+

höhere Herstellkosten -Sicherheitsbedarf bis

hin zur Redundanz-

Energieverbrauch nur bei Lenk-Bedarf• Reduzierung Benzinverbrauch

• Bordnetzleistung zwischenzeitlich für

anderes zur Verfügung

+





typisch sind bis zu 85 % Geradeausfahrt → keine Lenkleistung erforderlich

Elektrische Lenkung

2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.4 Besonderheiten und Vorzüge der elektrischen HilfskraftanlagenSenkung Benzinverbrauch

Hydraulische Lenkung permanent in Betrieb → ständiger Energieverbrauch

Messungen ergaben bis zu 1 Liter Kraftstoff auf 400 km gespart

bei zukünftig erwarteten 2 Mio. zugelassenen Fahrzeugen mit elektrischer Lenkung

Einsparung bis zu 50 Mio. Liter Kraftstoff/Jahr

bei ca. 10.000 km Fahrleistung /Jahr

VDI Baden-Baden 10/05

Elektrische Lenkung bei Lenkanforderungen → bedarfsorientierter Verbrauch

→ 80 … 85 % weniger Energie

7

ThyssenKrupp 2004

bis zu 0,3 Liter pro 100 km

Senkung zwischen 3 … 5 % bei langer Geradeausfahrt

ZF-Lenksysteme 2005

80 % weniger Energie gegenüber herkömmlichen hydraulischen Servolenkungen

Einsparung 0,25 Liter pro 100 km





2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.5 Zusätzliche Funktionalitäten3 Beispiele

Einpark-Assistenz (Assistenz: Fahrer kann in Lenkung eingreifen)

Fahrer wählt Parkplatz aus und legt Rückwärtsgang ein

Sensoren vermessen Parklücke, lenken (und fahren)

erfolgt automatisch

Autonomes Fahrenz.B. bei stockendem Verkehr

Gas geben, bremsen und lenken

erfolgt durch Automatik

BO

SC

H

Abstandsregelung

BO

SC

H-I

nter

net

BO

SC

Hm

ot2/

98

Einpark-Assistenz

BO

SC

H

Aktive Fahrsicherheit

BO

SC

H

Unfallkritische Situation

6

Aktive Fahrsicherheitz.B. bei Schnee und Eis oder

unfallkritischen Situationen

Stabilisierung in Grenzsituationen

Überwachung durch Sensoren

Vergleich mit Fahrerwunsch und

Fahrzeugverhalten Bildquellen: Internet und mot 2/98





2 Lenk-Systeme

Koll EA

2.6 Fahren „ohne“ mechanische VerbindungZukunftsvision Drive-by-Wire

4

mehr Komfort, erhöhte Sicherheit• mechanische Trennung Bedien- und Stellelemente

• verringertes Verletzungsrisiko, neuartige „Sicherheitszellen“

• mehr Bewegungsfreiheit, bequeme entlastete Körperhaltung

• neue Fahrzeugkonstruktionen, ungetrübte Instrumentensicht

• keine Schwingungsübertragung ins Cockpit

Voraussetzung• realisierte Fahrerassistenzsysteme

„lenken, bremsen, beschleunigen, schalten“

• Hochdynamische Stellglieder, präzise Sensorik,

Hochgeschwindigkeitsnetzwerke,

Radarsysteme, Bildverarbeitung, …

Da

imle

rChr

ysle

r

Drive-by-Wire

Cockpit ohne Lenkrad und Pedalez.B. Side-Stick-Steuerung für jede Fahrzeugbewegung

• Hebel zurück/vor für Bremsen/Geschwindigkeit

• Hebel links/rechts für Lenkung (Rückmeldung/Widerstand)

• Hebeltasten für weitere Funktionen

Lenkung

Side-Stick

Sensorik

Bremsenmit Hydraulik

V-Motor-Elektronik

Fahrdynamikregler

Steuergeräte u. Stellglieder Da

imle

rChr

ysle

r





3 Lenksystem EPS

Koll EA

3 Lenksystem EPS 3

Elektro-hydraulische LenkungEHSL oder EHPS

Hydraulische LenkungHSL oder HPS


• Kraftunterstützung des Fahrerzeugführers

Aktive LenkungSteer-by-WireDrive-by-Wire

…

• elektrische Verbindungen



Nähere Betrachtung der elektrischen Hilfskraftanlage EPS

Elektrische ServolenkungESL oder EPS




Systembeispiele





GUB

Bordnetz

Last

Elektrische Lenkung

3 Lenksystem EPS

Koll EA

Blockschaltbild

Stellglied

UZk

Übergeordnetes SteuergerätControl Unit

Lenk-sensoren

• Lenkmoment• Lenkwinkel• -geschwindikeit

• Fahrzeuggeschwindigkeit• Lenkwinkelsensor Rad

IDC I

M

POS

ϑϑϑϑ

Motor-/Elektronik-Sensoren

9 3.1 Grundstruktur eines elektrischen Lenksystems

3 ∼

M

Stellmotor

Fahrzeug-management

Kommunikation/Signale:• Zündschlüssel• Batteriezustand• V-Motor-Drehzahl• Anzeigegeräte/Instrumententafel• Sicherheit





3 Lenksystem EPS

Koll EA

3.2 Typische AnforderungenStellmotor

Drehzahl-Drehmoment-Bereich

Bordnetzspannung UB

9 … 13 VBauvolumen V

M< 1 Liter

Masse mM

< 4 kgBordnetzstrom I

DC< 100 A

Motorstrangstrom îmax

< 140 AMomentenwelligkeit ∆M

W/M < 2 … 4 %

Lebensdauer 6000 … 8000 h 12 … 16 a

Schutzart IP6K9K … ca. 300 Tkm

ohne FremdkühlungUmgebung -40°C … 80°CFeuchte, Salznebel, … … 125°C

mehrere Minuten140 °C ohne Leistung …

Eckdaten Motorauslegung

5

Welche Motorkonzeptekommen in Frage?

0 1000 2000 3000 4000

12

10

8

6

4

2

0

MW

Nm

nW

1/min

750 W

ϑM

≈ 80°C

14 V

(42 V)

1.200 W





3 Lenksystem EPS

Koll EA

3.3 Abschätzung StellmotorenMaschinenkonzept

gleicher Bauvolumen-Durchmesser Innenläufer-Maschinen

PSM-SE DC-Ferrit

Bei

spie

le fü

r ei

nen

Mas

chin

ena

ufba

u

SR

• gestanzte Blechpakete

• Stator-Einzel-zahn-Wicklung

• Blechpaket-

Rotor

• gestanztesAnkerblechpaket

• Ankerwicklungmit Kommutator-Bürstensystem

• gezogener Poltopf,kostengünstige großvolumigeFerrit-Magnete

Bos

ch

ASM

• gestanzte Blechpakete

• Stator-Stab- od.Einziehwicklung

• Druckguß-Alu-Rotorkäfig

Bos

ch

7

• gestanzteBlechpakete


• kostenintensiveSE-Magnete

Her

ste

ller

PSM-Rotor

• gestanzteBlechpakete


• kostengünstigereFerrit-Magnete

PSM-Ferrit





Hochdynamischer 4Q-Betrieb mit bedarfsgerechtem Drehmoment und DrehrichtungStrom- /Drehmomentregelung und überlagerte Drehzahlregelung mit Soll-Ist-Vergleich

Elektrische Lenkung

3 Lenksystem EPS

Koll EA

Stellglied (Elektronik)

Weitere Anforderungen

3.4 Typische Anforderungen

• Signalerfassung (interne Sensorik: Drehmoment, Drehzahl, Strangstrom, Temperatur)

• Signalauswertung (inkl. externe Sensorik: Zündschlüssel, Bordnetz, Fahr- und Lenkgeschwindigkeit, …)

• Steuersignalerzeugung für die Leistungshalbleiter-Schalter

Wegbau-, Anbau- oderintegrierte Elektronik für

eine optimale Systemlösung

Optimierte BauraumanpassungGeometrie, Volumen, Schüttelbelastung, Umgebungstemperatur, Entwärmung, Lebensdauer

7

Bordnetzspannung UB

9 … 13 VBordnetzstrom I

DC< 100 A

Motorstrangstrom îmax

< 140 AMomentenwelligkeit ∆M

W/M < 2 … 4 %

Lebensdauer 6000 … 8000 h 12 … 16 a

Schutzart IP6K9K … ca. 300Tkm

ohne FremdkühlungUmgebung -40°C … 80°C

… 125°Cmehrere Minuten 140 °C ohne Leistung …

Feuchte, Salznebel, ….

Wandlung Gleichstromenergie in mehrphasige frequenzvariable Wechselstromenergie Elektronischer Kommutator

UK 1,2,3U

Zk

Sicherheit / Überwachung / Zuverlässigkeit





Bildquelle: Prospekt ZF-Servolectric 06/01

Elektrische Lenkung

4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb

Koll EA

4 Beispiel EPS-System mit ASM-Antrieb 13

Elektro-mechanische Servolenkung EPS-“Double-Pinion“

Großserien-Konzept

Stellmotor/Elektronik/Sensoriküber Schneckengetriebe/Ritzelan Lenk-Zahnstange

Erfassung Lenkwunschdes Fahrers

Bereitstellung der fahrgeschwindigkeits-abhängigen Lenkunterstützung

Erfassung einer Lenkbeeinträchtigungüber Stromüberwachung

optimiertes Ritzel für höhere Zahnstangenkräfte

Externe Signale:

• Zündschlüssel

• V-Motor-Drehzahl

• Kfz-Geschwindigkeit

• Stromversorgung

• Diagnosefähigkeit

InterneSignale:

• Elektronik-

Temperatur

• Motor-Drehzahl• Drehmoment-

Sensor

Lenkritzel

VW

-Int

erne

t

Einbauort Nähe Abgasstrang,angepasste Bauraumgeometrie






Koll EA

4.1 Antriebsmerkmale EPS-“Double-Pinion“7

Systemgerecht

+ geringe Drehmomentwelligkeit

+ geringe Geräuschentwicklung

Robust

+ kein Magnetmaterial

+ einfacher Aufbau

+ einfaches Handling / Montage

+ hohe Lebensdauer

+ schmutzunempfindlich

Leistungsfähigo gute Dynamik

+ großer Drehzahlbereich

+ großer Temperaturbereich

Nachteile

- Kraftdichte

- Bauraum

- Wirkungsgrad

- Gewicht

Technische Eignung / Anforderungen z.Zt.

bis „Medium Class“-Fahrzeug Golf

Bos

ch-I

nter

net

bei höheren Anforderungen

• mehr Bauvolumen

• oder PSM-Konzept mit höherer Leistungsdichte

Bos

ch-I

nter

net

Asynchronmotor

Hersteller Bosch






Koll EA

4.2 Antriebsmerkmale7

Stellglied (Steuergerät)

U-Zwk WR Motor

UZk

CZk

+

-

UK,U

UK,V

UK,W

T1

T2

T3

T4

T5

T6

UV

W

mögl. Anpassung Stromform an induzierte Spg.maximales Momentminimale Drehmoment-Welligkeit

hoher Wirkungsgrad

+

++

Zwischenkreiskondensatorals Puffer (Entkopplung)

Energiezwischenspeicher

Ist-Strommessung und Vergleich mit Soll-WertStrom (Drehmomentregelung)

Sinusförmige Klemmenspannung UK

aus einer Rechteckspannung konstanter Frequenz mit variablem Tastverhältnis

90%

uK,U

Mittelwert UK,U,7

0

UZk

t

10%

UK,U,15 = 0,1 * UZk

wechselseitiges Takten d.Zwischenkreisspg. UZk

für einen sinusförmigen Maschinenstrom (n-abhängig)

Berechnung betriebsabhängiger Steuersignale über µC und über abgelegteLenkmoment-Kennfelder





Hersteller ZFLS/Bosch

Elektrische Lenkung


Koll EA

4.2 Antriebsmerkmale EPS-“Double-Pinion“12

Stellglied (Steuergerät)

Mikrohybrid-Technologie

Anschlüsse zu Elko´s, Filter, Stecker, …(Stanzgitter)

Bordnetz +/-

µ-Hybrid• Signalverarbeitung• Steuersignalerzeugung

über Brückentreiber• Regelung/Berechnung

über fahrgeschwindigkeits-abhängigesDrehmoment-Kennfeld

WR-Halbbrücke2 FET mit Stromshuntin DBC-Technologie

Al-TrägerBefestigung DBC´s, µ-Hybridund Wärmeabfuhr

GelElektronikschutzund Wärmeabfuhr

Stecker Bordnetz undexterne Signale

Zwk-Elko´s und FilterSpannungsstabilisierung, Puffer

und Filter zur Minderung des

Einflusses des hochfrequenten

steilflankigen WR-Schaltensauf das Bordnetz




Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA Elektrische LenkungKoll EA

5 Betätigungsfelder für Ingenieure21

Elektrische Lenkung

Maschinenentwurf und -auslegung

Elektronikentwurf und -auslegung

Konstruktion Elektro-Maschinenbau

Elektronikkonstruktion

Antriebssimulation /Regelungstechnik

Softwareentwicklung /Datenverarbeitung

Meß- und Prüftechnik / Labor

Technischer Material-Einkauf

Vertrieb und Kundenbetreuung

Führungsfunktion Projektleitungoder Linie

Fertigungstechnik

Systemingenieur Fahrzeug/Lenkungmeist beim Fahrzeughersteller / Kunde

Projektingenieur elektrische Antriebe beim Fahrzeughersteller / Kunde

Ingenieurausbildung

wesentliche Anforderungen

Aus- und laufende Weiterbildung,eventuell Experte

fachliches Interesse und persönliches Engagement

Bereitschaft und Fähigkeit zur Teamarbeit

…..




Elektrische Antriebe im Kfz 31.10.2006Koll EA Elektrische LenkungKoll EA

Allzeit gute Fahrt!

2

Documents

061031 KollEA FHH RBoschGmbH Vortrag Markt Lenkung · Gerald Zierer Bosch- BueP/TEF14 07223 / 82-1552 ... PKW 540/1000 Einw. (+ 1%) Datenquelle: Kraftfahrzeugbundesamt Jahresbericht