Vergleich von Verbrauch und Wirkungsgrad BEV / Verbrenner

[desinteressierter]

Ja ist nicht neu, dieses mal ist es aber einer interaktive Excel mit der man die entsprechenden Parameter nach seinen inviduellen Wünschen ändern kann.

Den Anfang machen BEV. Ich werde in den kommenden Tagen/Wochen dann Verbrenner (Diesel/ Otto) nachreichen. Eben so mehrere Beispiele und interaktive Vergleiche zwischen BEV und Verbrenner. Bei genügend Resonanz evtl. auch noch Hybride, da dies doch sehr aufwendig ist.

Was berücksichtigt die Sheet?

- bis zu sieben inviduell erstellte Fahrprofile aus Messfahrten. Als Referenz den WLTP Zyklus.

- den Wärmehaushalt bezüglich BEV (Akku-Erwärmung, Aufheizung der Fahrerkabine inkl. Wärmeverluste. Nicht berücksichtigt ist eine Klimatisierung bei warmen Temperaturen

- Wirkungsgradkennfeld des Motor bei Zug und Rekuperation

- Wirkungsgradkennfeld Getriebe

- Wirkungsgradkennfeld des Akkumulator

- Reifenschlupf und dessen Verluste

- Fahrwiderstand in Abhängigkeit einer statischen Steigung, Temperatur, inviduelle Rollreibungskoeffizient

Sollten sich Fehler eingeschlichen haben, dann gerne kommentieren.

Wünsche viel Spaß und gutes Gelingen.

BEV

https://www.dropbox.com/.../Verbrauch%20-%20Elektro.xlsx?dl=0

Link wegen der Größe nur extern.

[christian_2]

Hallo,

erstmal Respekt für Deine Arbeit! Da bist Du sicher sehr viele Stunden dran gesessen...

Warum machst Du das? Hobby? Studium? Facharbeit oder dgl.? Aus beruflichen Gründen?

Warum machst Du das nicht in Simulink? Das hätte mehrere Vorteile:

- Es wird so viel, viel einfacher -> auch weniger Fehler

- Andere können die Berechnung viel leichter lesen/nachvollziehen

- Ergebnisdarstellung wird viel einfacher

- Eine ganze Reihe 'Spezialisten', die hier im Forum unterwegs sind, würden ausgeschlossen

Den letzten Punkt fände ich sehr 'symphatisch'. Die Moderation hier ist ja nahezu nicht existet, so dass viele Diskussionen auf unterstem Niveau ablaufen (und ich meine jetzt nicht das 'fachliche' Niveau). Ich glaube, dass so viele Teilnehmer abgeschreckt werden und dann gar nichts mehr schreiben (mich eingeschlossen). Ich habe schon mehrfach bei manchen Themen mit einer Antwort angefangen, dann aber nach der ersten Zeile wieder aufgehört, weil ich schon geahnt habe, dass das wieder nur blöde Kommentare zur Folge haben wird. Und dann lasse ich es halt ganz sein.

 

Was mir auf Anhieb aufgefallen ist:

1. Rechne die Wirkungsgrade in Verlustmomente um. So sind diese i. d. R. mathematisch relativ leicht beschreibbar (spätestens wenn du in lastabhängige und lastunabhängige Verluste aufteilst).

Für Verbrauchskennfelder gilt das auch. Hier kein be-Kennfeld verwenden, sondern ein Kraftstoffmassenstrom-Kennfeld in Abhängigkeit vom induzierten Mitteldruck und Drehzahl. Wenn man eine Oberfläche erzeugst, wird das schnell ersichtlich.

2. Ich vermisse die Leistungselektronik. Oder ist die beim Wirkungsgrad der E-Maschine dabei?

3. Was ist mit den Nebenaggregaten? Lenkhilfe, Bordnetz, etc.

4. Wirkungsgrad Antriebswelle 99.5 %? Sind das Lagerverluste? Kreuzgelenk? Erscheint mir viel zu schlecht.

5. Wirkungsgrade E-Maschine erscheinen mir relativ schlecht. Das ist ein ältere Motor, oder? Aktuelle Motoren/Generatoren sind deutlich besser

6. Schreibe doch mal die Formeln für sich auf, die Du verwendet hast (über die Beschreibung oder als Text im Kommentar). So etwas wie '=WENN(FG33+((FE33+AZ33+BA33)*(A34-A33))/AR34>'Eingabemaske PKW (Elektro)'!$F$21-0.5;'Eingabemaske PKW (Elektro)'!$F$21;FG33+((FE33+AZ33+BA33)*(A34-A33))/AR34)' ist zwar sicher notwendig, aber extrem schwer oder anstrengend zu lesen.

7. Bei machen Spalten fehlt bei der Beschreibung die Einheit. Z. B. 'Q Kabine'

8. Ein Kommentar bei einer Beschreibung zur berechneten Größe wäre auch schön.

9. Die Berechnung des Schlupfes hätte mich ja interessiert und wie Du es hinbekommen hast, dass da nichts schwingt. Ich habe aber weder eine Schlupfkurve gefunden, noch konnte ich '=WENN(G30/(1.1*(I30+J30))<0;0;(INDEX(Kupplung!$G$4:$G$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30+J30)));Kupplung!$E$4:$E$17;1)+1)-INDEX(Kupplung!$G$4:$G$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30+J30)));Kupplung!$E$4:$E$17;1)))/(INDEX(Kupplung!$E$4:$E$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30+J30)));Kupplung!$E$4:$E$17;1)+1)-INDEX(Kupplung!$E$4:$E$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30' wirklich nachvollziehen.

10. Auch hätte mich das thermische Modell sehr interessiert. Konnte ich aber auch nicht nachvollziehen

11. Ermittelst Du mit '=(INDEX('Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$81:$BZ$95;(VERGLEICH(CU28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!$A$81:$A$95;1));(VERGLEICH(CV28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1)))*(1-(CV28-INDEX('Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1;(VERGLEICH(CV28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1))))/(INDEX('Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1;(VERGLEICH(CV28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!' einen Kennfeldwert (ich habe es nicht nachvollzogen)?. Wird auch interpoliert oder wird nur ein Wert im Kennfeld gesucht? Siehe auch Punkt 1!

12. Wundere Dich nicht, wenn Du für die Aufteilung von cW und A einen Kommentar bekommst, dass das ja totaler Unsinn wäre (nur cW x A wäre richtig)! Einfach ignorieren. Du kannst hier hunderte Verweise auf Fachliteratur zitieren, das wird hier alles konsequent ignoriert. Ich habe die Diskussion aufgegeben und beteilige mich nicht mehr daran.

13. Und wenn Du irgendwann mal behauptest, dass Körper von Kräften beschleunigt werden, ist hier die Hölle los. Dann hast Du Jehova gesagt und wirst so lange gesteinigt, bis Du endlich einsiehst, dass ein Körper von der Leistung beschleunigt wird ;-) (auch das zweite newtonsche Axiom wird hier zum Teil einfach ignoriert - Verweise auf Literaturquellen werden Dir NICHT helfen).

Nochmal mein Rat: Mach' das in Simulink! :-)

 

Viele Grüße

Christian

 

 

[desinteressierter]

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

Hallo,

erstmal Respekt für Deine Arbeit! Da bist Du sicher sehr viele Stunden dran gesessen...

Warum machst Du das? Hobby? Studium? Facharbeit oder dgl.? Aus beruflichen Gründen?

Danke für das Lob, ist nur ein Hobby um mein Wissenstand am laufenden zu halten und mit Interessenten dieses erarbeitete Wissen zu teilen und da kommen wir auch schon zu dem Ratschlag mit Simulink. Für Private Zwecke wäre dies das richtige Hilfsmittel. Vor allem kann man hier eine Schaltungslogik mit einem Schaltungskennfeld integrieren. Leider werden dann aber Interessenten ausgeschlossen, da nicht jeder im Besitz von Simulink ist. Und für die, die im Besitz von Simulink sind, ist das meist kalter Kaffee, die erstellen sich ihre Streckenmodelle einfach selber.

Ich kann Dir aber gerne die Kennfelder zukommen lassen, dann kannst Du ja als Ergänzung ein Simulinkmodell mit Schaltungslogik bauen bzw. ich habe hier noch eine Dissertation bezüglich Dymola. Da kann man dann bezüglich Verbrenner den Wärmehaushalt inkl. Sekundäreinblasung und Gemischanreicherung für die Kataufheizung berücksichtigen. Kennfelder bezüglich Abgasenergie, Abgastemperatur sind vorhanden. Ob das dann einen Mehrwert bietet ist natürlich eine andere Frage, da beim Verbrenner der Mehrverbrauchsfaktor in Abhängigkeit von Fahrtstrecke und Temperatur bekannt ist und kaum von dem eigentlichen Fahrprofil abhängt.

https://mediatum.ub.tum.de/doc/1114641/document.pdf

 

 

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

2. Ich vermisse die Leistungselektronik. Oder ist die beim Wirkungsgrad der E-Maschine dabei?

Der Inverter ist im Kennfeld der E-Maschine inkludiert.

 

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

3. Was ist mit den Nebenaggregaten? Lenkhilfe, Bordnetz, etc.

Unter Eingabemaske im Feld Verbraucher. Typisch sind beim BEV ~ 200 W für die Wasserpumpe, ~ 100 W Steuergerät, ~ 70 W Innenraumlüfter und ~ 130 W Hauptlüfter. Eine hydraulische Servopumpe, die nun mal deutlich ineffizienter als eine elektrische Pumpe ist, kommt bei Volleinschlag auf 300 W. Bezüglich eines Hystogramm bei einen üblichen Fahrprofil sind es selten über 100 W und im Mittel meist weniger als 50 W. Man sollte sich nicht im "klein klein" verlieren.

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

 

4. Wirkungsgrad Antriebswelle 99.5 %? Sind das Lagerverluste? Kreuzgelenk? Erscheint mir viel zu schlecht.

Ja das kann sein, dazu kann man ja einfach den Wert nach seinen Vorstellungen ändern, wobei dieser Wert kaum eine Relevanz hat, ob das nun 0,995 oder 0,998 bei eine Beugungswinkel von 4° sind.

 

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

5. Wirkungsgrade E-Maschine erscheinen mir relativ schlecht. Das ist ein ältere Motor, oder? Aktuelle Motoren/Generatoren sind deutlich besser

Mit einem eta von 0,97 für die PMSM und ASM ist das für so einen kompakten Motor (PMSM) mit gerade mal 80 kW und einer Masse von nur 56 kG ein erstaunlich guter Wert. Die Daten von dem ASM Motor stammen ursprünglich aus einer Messung von einem Tesla Motor. Bezüglich PMSM --> Nissan Leaf. Sind also aktuelle Motoren und ein eta von 0,97 ist in dieser Kompatkgröße wohl kaum zu übertreffen.

 

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

9. Die Berechnung des Schlupfes hätte mich ja interessiert und wie Du es hinbekommen hast, dass da nichts schwingt. Ich habe aber weder eine Schlupfkurve gefunden, noch konnte ich '=WENN(G30/(1.1*(I30+J30))<0;0;(INDEX(Kupplung!$G$4:$G$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30+J30)));Kupplung!$E$4:$E$17;1)+1)-INDEX(Kupplung!$G$4:$G$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30+J30)));Kupplung!$E$4:$E$17;1)))/(INDEX(Kupplung!$E$4:$E$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30+J30)));Kupplung!$E$4:$E$17;1)+1)-INDEX(Kupplung!$E$4:$E$17;VERGLEICH((G30/(1.1*(I30' wirklich nachvollziehen.

In der Spalte G ist die Schlupfkurve aufgeführt, nur eben bis zum maximalen Wert von 1,1. Da die Beschleunigung definiert ist, entsteht auch keine Schwingung von mehreren Iterationen. Die Zugkraft errechnet sich somit aus dem Fahrwiderstand in Addition mit der Beschleunigungskraft. Diese Summe wird nun mit dem maximalen Haftreibungskoeffizienten von 1,1, multipliziert mit der Normalkraft, im Verhältnis gesetzt. Also G30/1,1*(I30+J30). Das ergibt dann den momentanen Haftreibungskoeffizienten und daraus wird dann über die interpolierte Schlupfkurve der jeweilige Schlupf errechnet. Es wird noch zwischen der Antriebsform differenziert, um nur die Normalkraft der angetriebenen Achslast zu berücksichtigen.Deutlich aufwendiger wäre es, wenn die Beschleunigung ebenfalls errechnet werden soll, dann ergibt sich eine Schwingung:

https://www.dropbox.com/s/sp210twssleo7ls/PKW.xlsx?dl=0

https://www.dropbox.com/s/sj28q6zep4m4c0g/Model%20S.xlsx?dl=0

https://www.dropbox.com/s/zod0r6m67pfnslq/RS6%204G%20voll.xlsx?dl=0

 

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

10. Auch hätte mich das thermische Modell sehr interessiert. Konnte ich aber auch nicht nachvollziehen

Bitte die Frage konkretisieren.

Zitat:

@christian_2 schrieb am 12. Dezember 2020 um 08:48:24 Uhr:

11. Ermittelst Du mit '=(INDEX('Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$81:$BZ$95;(VERGLEICH(CU28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!$A$81:$A$95;1));(VERGLEICH(CV28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1)))*(1-(CV28-INDEX('Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1;(VERGLEICH(CV28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1))))/(INDEX('Getriebe 1 - 2 Gang'!$B$80:$BZ$80;1;(VERGLEICH(CV28;'Getriebe 1 - 2 Gang'!' einen Kennfeldwert (ich habe es nicht nachvollzogen)?. Wird auch interpoliert oder wird nur ein Wert im Kennfeld gesucht? Siehe auch Punkt 1!

Da fehlt wohl ein gutes Stück der Formel. Die vollständige Formel ist eine Matrixinterpolation aus einem typischen 2D Kennfeld, hier Eingangs-Drehzahl und -Drehmoment.

Man kann mit Excel schon einiges machen, auch ohne VBA. Wobei die Möglichkeiten von VBA ohne hin nicht sonderlich sind, eine DGL kann man auch hier nicht automatisch lösen. Da kann man das gleich über das Runge-Kutta Verfahren ohne VBA lösen. Ebenso kann man eine Matrix interpolieren. Man bedient sich einfach den mathematischen Grundformeln. Natürlich ist das in Simulunk deutlich einfacher, da es schon automatisiert ist und man mehrere Lösungmöglichkeiten als z.B. nur das Runge-Kutta Verfahren hat.

[desinteressierter]

So ein Update

Überarbeitet:

https://www.dropbox.com/.../Verbrauch%20-%20Elektro.xlsx?dl=0

Und nun Teil 2 für Verbrenner

https://www.dropbox.com/.../Verbrauch%20-%20Verbrenner.xlsx?dl=0

Ich werde demnächst mal ein paar Grafiken als Beispiele für Vergleiche hier veröffentlichen.

[desinteressierter]

Teil1: Vergleich in Abhängigkeit der Temperatur von Wirkungsgrad und Verbrauch in Wh.

Bezüglich BEV wurden 8% Ladeverluste aus dem Histogramm einbezogen. Die Ladeverluste entstehen nun mal im Akkumulator, bezüglich dessen Wirkungsgrad und zählen somit nicht zu den Transportverlusten oder Verlusten der Stromerzeugung. Auch ist die Fahrzeugmasse nicht identisch, da die Antriebskonzepte spezifische Massen haben. Ein gleichwertiges BEV mit einen 60 kWh Akkumulator ist um ~ 300 kg schwerer. Eine kurze Erläuterung:

Verbrenner

Masse Zweiliter TFSI: 148 kg

Masse Getriebe: 78 kg

Masse 50 Liter Kraftstofftank inkl. Inhalt und Leitungen: 54 kg

Masse 60 Ah Batterie: 14 kg

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Summe: 294 kg

 

BEV

Masse 80 kW E-Maschine: 56 kg

Masse Inverter: 10 kg

Masse Getriebe: 32 kg

Masse 60 kWh Akku: 486 kg

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Summe: 584 kg

--> Differenz: 584 - 294 = 290 kg

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Zyklus: WLTP (WLTC Class 3 inkl. extra high phase) bis 1800 Sekunden

Allgemeine Fahrzeugdaten:

Stirnfläche 2,2 m²

CW 0,28

Crr 0,0009

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Spezifische Fahrzeugdaten PMSM:

Fahrzeugmasse: 1690 kg

Kabinenheizung: Wärmepumpe

Akkugröße: 60 kWh

Getriebe: 1 Gang Frontantrieb

Leistung: 146 kW

WirkungsradØ Motor (25°C): 0,86

WirkungsradØ Antrieb (25°C): 0,91

---------

Spezifische Fahrzeugdaten ASM:

Fahrzeugmasse: 1690 kg

Kabinenheizung: Wärmepumpe

Akkugröße: 60 kWh

Getriebe: 1 Gang Frontantrieb

Leistung: 163 kW

WirkungsradØ Motor (25°C): 0,87

WirkungsradØ Antrieb (25°C): 0,89

----------

Spezifische Fahrzeugdaten TFSI:

Fahrzeugmasse: 1380 kg

Hubraum: 2 Liter

Getriebe: 6 Gang Frontantrieb

Leistung: 145 kW

WirkungsradØ Motor (25°C): 0,31

WirkungsradØ Antrieb (25°C): 0,85

----------

Spezifische Fahrzeugdaten TDI:

Fahrzeugmasse: 1420 kg

Hubraum: 2 Liter

Getriebe: 6 Gang Frontantrieb

Leistung: 125 kW

WirkungsradØ Motor (25°C): 0,32

WirkungsradØ Antrieb (25°C): 0,87

----------

Spezifische Fahrzeugdaten MPI:

Fahrzeugmasse: 1360 kg

Hubraum: 2 Liter

Getriebe: 6 Gang Frontantrieb

Leistung: 101 kW

WirkungsradØ Motor (25°C): 0,26

WirkungsradØ Antrieb (25°C): 0,84

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Spezifische Fahrzeugdaten TDI Hybrid (Plug in)

Fahrzeugmasse: 1770 kg

Hubraum: 2 Liter

Akkugröße: 20 kWh

E-Maschine: 60 kW

Getriebe: 6 Gang Frontantrieb

Leistung TDI: 125 kW

WirkungsradØ Motor (25°C): 0,31

WirkungsradØ Antrieb (25°C): 0,87

 

Auswertung:

Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Temperatur

Anhang Bild 1

 

Verbrauch [Wh/km] in Abhängigkeit der Temperatur

Anhang Bild 2

Faktor Verbrauch in Abhängigkeit zur Temperatur im Verhältnis zu PMSM

Anhang Bild 3

[desinteressierter]

Zum Abschluss:

Vergleich der CO2 Emissionen pro Kilometer verschiedener "Energieerzeuger" in Abhängigkeit der Temperatur

Bild 1

Vergleich der CO2 Emissionen pro Kilometer mit dem aktuellen Strommix nach den Jahreszeiten

Bild 2

[Welfs]

Hallo, ich bin sehr interessiert an der Excel. Kannst du diese nochmal zur Verfügung stellen?