APU oder “Poor Man’s Serial Hybrid”

Bitte die Warnhinweise auf der übergeordneten Seite beachten!

Projektbeginn: Nov. 2008

Motivation

Viele E-Mobilisten führen für Fahrten, die an die Grenze der Reichweite ihres Fahrzeuges reichen, einen käuflichen Benzin-Motorgenerator als "Notnagel" mit. Manche haben das "Gepäckstück" Motorgenerator sogar so "verstaut", dass er während der Fahrt betrieben werden kann und die Fahrbatterie nachladen.
Prinzipiell entspricht das so gebaute Fahrzeug dem Konzept des "Seriellen Hybridfahrzeuges" in der Geschmacksrichtung "Elektromobil mit (neudeutsch) Range Extender".
Man mag sogleich einwenden, dass bei dieser mehrfachen Energieumwandlung der Treibstoffverbrauch sehr hoch sein müsse.  Die Verluste werden jedoch teilweise dadurch ausgeglichen, dass die "APU" (Auxiliary Power Unit, hier: der Motorgenerator) praktisch nur in einem einzigen Arbeitspunkt (Drehzahl, Leistungsabgabe) arbeiten muss und somit hochoptimiert sein kann. Ihr Verbrennungsmotor braucht dadurch gegenüber einem "normalen" modernen PKW-Verbrennungsmotor viel weniger komplex und viel weniger leistungsstark zu sein.

Im Hinblick auf regenerative Mobilität soll zudem die Verbrenner-APU ja nur eingesetzt werden, wenn die Reichweite des Elektrofahrzeuges allein nicht mehr ausreicht und ein Aufladen aus dem Stromnetz nicht möglich ist. Die meisten Kilometer, die mit PKW zurückgelegt werden, werden jedoch auf Kurzstrecken zurückgelegt (auch wenn dies nur im Mittel, nicht natürlich für jeden einzelnen betriebenen PKW gilt).  Bei vielen Benutzungsprofilen von PKW würde also die APU nur selten "angeschmissen".

Man könnte also die Motorgenerator-im-Elektromobil-Idee durchaus etwas kultivieren.
Hier fällt sofort ins Auge, dass moderne Kleinstromerzeuger häufig umrichterbestückt sind ("Inverter", "digital"), d.h. dass zuerst mit einem permanent erregten Generator (Bauart "fette Motorradlichtmaschine") Drehstrom erzeugt wird, der erst einmal gleichgerichtet und geglättet wird, um dann in einem Umrichter (Inverter, Wechselrichter) in schönen sinusförmigen Wechselstrom mit 230V umgesetzt wird. Diese Geräte machen nicht nur oberwellenarme Wechselspannung, an die auch Computer etc. dürfen, sondern sind auch besonders leichtgewichtig, da nicht ein Universalkolbenmotor mit gewichtiger Schwungmasse an einen schweren Universal-Generator angeflanscht wurde, sondern in einem knuffigen Gehäuse ein Kolbenmotor steckt, dessen Schwungmasse bereits das Generatorpolrad ist. Eigenschaften, die als "Range Extender APU" prädestinieren.
Benutzt man einen solchen Inverter-Stromerzeuger nun so wie gekauft als "Range Extender", so nimmt das angeschlossene Ladegerät des E-Mobils diesen verlustreich verfeinerten Wechselstrom und richtet ihn erst einmal wieder gleich, wobei ebenfalls wieder ein verlustbehafteter Wandler zum Einsatz kommt. Mit dem Gleichstrom wird dann die Fahrbatterie geladen.
Da schießt einem doch sofort durch den Kopf: "Könnte man da nicht gleich direkt....???"

KANN MAN!  Allerdings müssen Generatorspannung und Fahrbatteriespannung in Einklang gebracht werden.

Welche Zwischenkreisspannung (Spannung nach Gleichrichtung der Generatorspannung) wird aber nun genau in den käuflichen Inverter-Stromerzeugern verwendet?
Trotz sorgfältiger Recherche im Internet konnte keine Gerätedokumentation oder ein Bericht über ein "Reverse-Engineering" gefunden werden, aus dem diese Information hervorgegangen wäre. Die Vermutung war aber, dass die Zwischenkreisspannung irgendwo zwischen 350V...400V liegt, damit durch Abwärtswandlung mit einer Vollbrücke die Netzwechselspannung von 230Veff nachgebildet werden kann. Wenn diese Vermutung zutrifft, sollte durch mittiges Auftrennen jedes der drei Generatorwicklungsstränge (und Parallelschalten) die Gleichrichtspannung genau in dem für eine Fahrbatterie mit 168V Nennspannung nötigen Bereich landen. Abgesehen von der Möglichkeit, sich einen Inverter-Stromerzeuger für den US-Markt (120V) zu verschaffen, der dann möglicherweise ohne Wicklungsumbau direkt verwendet werden kann.

Da im Solarmobil Karlsruhe e.V. ein Hotzenblitz und (privat) ein Cree SAM gefahren werden - beide mit 168V-Fahrbatterie - und unser Vereinsvorstand Berny bereits einen Inverter-Stromerzeuger Typ IG-2000 (Modell 2008) von KIPOR besaß und zu "opfern" bereit war, bot sich an, diese Idee weiter zu verfolgen.

Offene Fragen

Um festzustellen, ob sich die beschriebene Idee mit vertretbarem Aufwand umsetzen lässt, mussten zunächst folgende Fragen geklärt werden:

  • Lassen sich die Generatorwicklungen (ohne Umwickeln - was natürlich immer geht) in der Mitte anzapfen bzw. auftrennen?
  • Wie werden Zündung und Drosselklappenansteuerung realisiert, wenn man das Invertermodul rausschmeißt??

Glücklicherweise stellt KIPOR ein sehr detailliertes Service-Manual auf seinen Internet-Seiten zur Verfügung. Aus diesem Dokument geht hervor, dass der Stator des Generators im IG-2000 21 Pole besitzt, von denen 18 für die drei Hauptphasen genutzt werden (also je 6 Pole). Die drei anderen sind die Wicklung für die Versorgung der Zündung, die Wicklung zur Ladung von 12V-Autobatterien sowie eine Hilfswicklung für die Inverterelektronik ("Sub Winding"). Der Außenläufer-Rotor besitzt 14 Magnete, die 7 Polpaare bilden.
6 Pole pro Hauptphase lassen sich halbieren!

Nun war noch die Frage, ob die Zündung auch ohne das Invertermodul funktionieren würde. Versuche ergaben, dass das Zündmodul, das direkt hinter dem Bedien-Panel sitzt und das auch die drei LED-Indikatoren (RUN, OVERLOAD und OIL LOW) enthält, komplett autark arbeitet. Die LEDs RUN und OVERLOAD sind an der Anschlussleiste des Zündmoduls herausgeführt und für seine Funktion unwichtig. Sie werden im Auslieferungszustand von der Inverterelektronik angesteuert. Der Ölstands-Überwachungsschalter ist direkt mit der Zündbox verbunden und löst bei Ölmangel ein Abschalten der Zündung und - während des Auslaufens bzw. Neustartversuches - ein Aufleuchten der LOW-OIL-LED aus.

Umbau des Stromerzeugers

Die Demontage konnte also angegangen werden! Das Bild zeigt den Blick auf den Generator nach Entfernen des Reversierstarters und des Kühlluft-Gebläses:

Blick auf den Generator
Die Operation "Wicklungsumbau" gelang sogar, ohne das Polrad abzuziehen, durch die Öffnungen in der Polrad-Stirnfläche. Es wurden die Wicklungsstränge in der Mitte getrennt und einfach zwei Stern-Anordungen statt der ursprünglichen einen hergestellt. Die eine Stern-Anordung war bereits über die vorhandenen Litzen aus dem Generator herausgeführt, für die zweite wurden nochmal drei silikonisolierte Litzen mit 1,5mm² Querschnitt eingezogen. Die Sternpunkte sind nicht herausgeführt. Die Übergänge vom Wicklungsdraht zu den Litzen wurden mit Schrumpfschlauch isoliert und mit Drilldraht und Sanitär-Silikon (bis 200°C) fixiert. Bei dem Drilldraht muss man natürlich sicherstellen, dass keine leitfähigen Schleifen um das Stator-Blechpaket gelegt werden! Außerdem wurde noch ein PTC-Temperaturfühler KTY20-6 zwischen zwei Statorpole "einsilikoniert".
Die beiden Sternschaltungen können nun parallel an einen Dreiphasengleichrichter angeschlossen werden. Man könnte sogar ohne erneuten Wicklungsumbau - durch Verwendung zweier Dreiphasengleichrichter, die DC-seitig in Serie geschaltet werden - wieder die ursprüngliche Spannungslage herstellen!

Für die Drosselklappenbedienung wurde eine Schrittmotoransteuerung mit dem IC MC3479 und einem Hand-Encoder (Impulsgeber mit Drehknopf) aufgebaut, die zunächst aus einem kleinen 12V-Bleiakku gespeist wird.

Die ersten Versuche an einem 230V/1,5kW-Heizstrahler waren erfolgversprechend! Als nächstes wurde eine eigentlich für Batterieentladungen aufgebaute Lastbank mit 6 Stück 230V/500W-Halogenlampen, die schrittweise zuschaltbar sind, angeschlossen. Wegen des sehr geringen Kaltwiderstandes der Halogenlampen muss der Motor hier vor Zuschalten der Last angelassen werden, sonst kann er gar nicht auf Anlassdrehzahl gebracht werden.
Eckpunkte: an 3kW Halogenlampen wird 10A erreicht (Vollgas), allerdings (erwartungsgemäß) mit zu geringer Drehzahl. An 2kW Halogenlampen kann kein Vollgas gegeben werden, ohne dass 230V überschritten werden (erwartungsgemäß).

Lastversuch 2009-04-29

Damit bei einem Lastabwurf (Durchbrennen der Sicherung etc.) der Motor nicht durchgeht, wurde als nächstes eine kleine Drehzahlbegrenzerbaugruppe aufgebaut, die - der Einfachkeit halber - die gleichgerichtete Spannung der "Sub Winding" nutzt, und ab ca. 16V ein Relais anziehen läßt, das die Zündung ausschaltet. Dies soll nur eine Not-Begrenzung sein, daher wird hingenommen, dass der Motor in dem "zündungsgepulsten" Betrieb zum Knallen im Auspuffsystem neigt.
Beim Test des Drehzahlbegrenzers, der auf grob 4600RPM eingestellt ist, beträgt die Leerlaufgleichspannung des Generators bei der Maximaldrehzahl ca. 300V.

Stand und Ergebnisse 2009-06-02:

Versuch 2009-06-02Anschlusspanel APU, außenAnschlusspanel APU, innenRange_Extender_Anschluss_Hotzenblitz

Das Serien-Bedienpanel des IG-2000 wurde durch einen Eigenbau ersetzt, der die Zündbox (mit LEDs), eine 5-pol. Harting-HAN-4 Steckverbindung für den Gleichspannungsanschluss, eine Erdungsschraube und einen 26-polige Steckverbindung (Amphenol Miniature Cylindrical 16-26) zum Anschluss einer Steuerbox trägt.
Die OVERLOAD-LED wurde parallel zum Relais des Drehzahlbegrenzers geschaltet. Sie beginnt als Vorankündigung der Drehzahlbegrenzung zu glimmen.

Der Gleichstromanschluss ist mit einem VDR, einer RC-Kombination und einem Entladewiderstand dafür bestückt zum Schutz der Gleichrichterbrücke vor Induktionsspitzen.
Auf dem Steuerstecker sind bisher herausgeführt: Schrittmotor für Drosselklappe, "Sub Winding" (für spätere Drehzahlregler) und KTY-Fühler für die Generatortemperatur.

Messdaten bei 20°C und 60% rel. Luftfeuchte (bei warmgelaufenem Motor, gegen 1/3 entladene Batterien des Hotzenblitz):

10A gegen 190V bei ca. 73% Drosselklappenwinkel.

2A gegen 185V bei ca. 25% Drosselklappenwinkel (Warmlauf-/Abkühl-Einstellung)

Wenn der Motor "wärmer als nur warmgelaufen" ist (10min 10A), "verträgt" er auch Vollgas, ohne in die Überdrehzahl (>4600RPM) zu gehen. Dies liegt vermutlich an der geringeren Füllung (und Leistung) im heißen Zustand.

Generatortemperatur: geht gegen ca. 100°C (1700Ω KTY) nach 10min Betrieb. 130° sollte nicht überschritten werden (2000Ω KTY).

Resümee: Für ein 168V-Batteriesystem ist die Auslegung offenbar sehr gut angepasst, da die Vollgasdrehzahl gegen 190V sehr nahe bei der Auslegungsdrehzahl des Motors (4500RPM) liegt und die thermischen Verhältnisse im Generator einen Dauerbetrieb mit 10A zu erlauben scheinen.

Stand und Ergebnisse 2009-08-03

Steuerbox_Innenansicht_20090730Steuerbox_Frontansicht_20090730

  • Steuer- und Bedienbox mit Abregelung nach Drehzahl. Drehzahlsollwerte: 4500RPM (Normalbetrieb) und 2000RPM (Warm-up/Cool-dn), zusätzlich manuelle Drosselbedienung. Die Hilfsspannung für die Drossel-Schrittmotoransteuerung ("12V ECU") wird mit einem DC/DC-Wandler 9...36V->12V aus der gleichgerichteten Spannung der ursprünglich für die 12V-Batterieladung vorgesehenen Wicklung erzeugt. Der Drehzahlregler ist einfachst gehalten und besteht aus einer Referenzspannungsquelle (2,5V) und einem Komparator, der das Schrittmotor-Richtungssignal ausgibt. Ein Multivibrator versorgt den Clock-Eingang der Schrittmotorsteuerung mit 5Hz. Im eingeschwungenen Zustand "tickert" der Schrittmotor dann einfach zwischen zwei Schrittpositionen hin und her. Durch die Langsamkeit des Reglers (der volle Drosselbereich wird in 20 s durchfahren) gibt es kein Stabilitätsproblem.
  • Ursprünglich eingebaute Hysterese im Drehzahlbegrenzer entfernt, damit bei Lastabwurf der Drehzahlbegrenzer nur so lange anspricht, bis der (langsame) Drehzahlregler dann sicher abregelt.
  • Grenzdrehzahl des Begrenzers etwas erhöht, um den Sicherheitsabstand zum betriebsmäßigen Drehzahlsollwert zu vergrößern.
  • Auf dem Steuerstecker wurden inzwischen zusätzlich herausgeführt:
    - Gleichgerichtete (und mit 6,3A abgesicherte) "Charge Wdg" (ursprünglich 12V-Ladewicklung)
    - Anschluss für "Stopping Switch" (Kurzschluss gegen GND legt Zündung lahm) in der Steuerbox
  • Teilweise wurden 11A gegen 200V (= 2,2kW DC!) erreicht

Simulation

PSpice-Simulation des Generators

PSpice®-Simulation der elektrischen Verhältnisse im Generator bei Antrieb mit 4500rpm während die Batteriespannung von 120V...200V variiert wird. Die maximale Leistung wird bei ca. 160V (belastete 168V-Batterie) abgegeben, und zwar ca. 2,25kW. Voraussetzung ist natürlich, dass der Motor diese Leistung (plus die ca. 250W...300W Generatorverluste) auch abgeben kann, was aber im Versuchsbetrieb erreicht wurde (obwohl die Wellenleistung nach Datenblatt nur 2,2kW beträgt).

Aufgetragen sind (von oben nach unten):

  • Batteriespannung
  • Ladeleistung (mit Ripple durch Generator-Halbwellen)
  • Strom in einer Generatorphase (grün) und Ladestrom (rot)
  • Differenz zweier Einzelphasen-EMKs (ge), Differenz zweier Einzelphasen-Spannungen (rs), Einzelphasen-EMKs(rt, gn, bl)

Man erkennt insbesondere, dass der Motor, auch wenn die Batteriespannung stark einbricht, nicht abgewürgt wird, sondern - im Gegenteil - die abgegebene Leistung unterhalb von 160V wieder sinkt.

Stand und Ergebnisse 2009-11-11

APU-Einbau Hotzenblitz

Eine für Versuchsfahrten ausreichende Befestigungsmethode für die APU im Hotzenblitz ist gefunden.

APU-Auspuff-SchraubanschlussAPU-Auspuff-Flexschlauch

Am Auspuffstutzen wurde ein Schraubanschluss für einen Edelstahl-Flexschlauch hart aufgelötet.
Ein angeschlossener Edelstahl-Flexschlauch, der mit Glaswolle isoliert wurde, dient zur Umleitung der Abgase nach hinten. Dank der thermischen Isolation kann der Schlauch auf dem zusammengerollten Verdeck des Hotzenblitz aufgelegt und mit einem Gurt fixiert werden.

APU-Anschlussgarnitur

Eine Warnlampe "GEN TEMP 130 C" ist am APU-Bediengerät eingebaut.

Eine APU-Anschlussbox mit Spannungs- und Stromanzeiger (200V/15A) sowie Kabeln mit Steckern für Anschluss an APU und Batterie ist fertiggestellt. Durch jeweils einseitiges Anschließen an Batterien und APU kann damit außerdem jederzeit gefahrlos die polrichtige Verkabelung verifiziert werden (APU kurz mit dem Anlasser durchdrehen, um Ausschlag des Spannungsanzeigers zu erhalten).

Stand und Ergebnisse 2010-05-21

Erste Betriebsergebnisse konnten auf den Fahrten zu den Veranstaltungen

  • "Alternative Antriebsformen", 2010-04-24, Sinsheim, Auto- und Technik-Museum
  • "Tag der Nachhaltigkeit", 2010-05-16, Landau

gesammelt werden (KIPOR-Logbuch).

Kurzfristige nächste Ziele

  • Versuchsfahrten mit Verbrauchsmessung und Beobachtung des Regelverhaltens

Mittelfristige Ziele

  • Abregelung außer über Drehzahl noch über Ladespannung, externes Ladeschlusssignal (z.B. Einzelblocküberwachung), Reku-Aufschaltung (Reduktion des Ladestromes wenn Fahrzeug rekuperiert), Generatortemperatur, Zylinderkopftemperatur
  • Anlassen des Kolbenmotors über den motorisch betriebenen Generator mittels eines Umrichters mit dem IC ML4425 von Fairchild (BLDC Controller). Dies erscheint auf Grund der vorhandenen fliehkraftgesteuerten Dekompressionseinrichtung und des beim Handstart fühlbaren geringen Anlassdrehmomentes gut machbar.

Eckdaten des KIPOR IG-2000 (Model 2008) als Basis für Range Extender APU

  • ca. 100cm³, Viertakt, OHC, Kipphebel, fliehkraftgesteuerte Dekompressionseinrichtung
  • Wellenleistung ca. 2,2kW bei 4500 RPM
  • Zündung: Transistor-Spulenzündung mit eigener Versorgungswicklung auf dem Generator, Zündzeitpunkt 27° v. OT fest, Zündzeitpunktgeber: induktiv (Reluctor)
  • Schwimmervergaser mit schrittmotorbetätigter Drosselklappe, Schrittmotor 8V/50Ω 2-phasen bipolar, ca. 100 Vollschritte für 0%-100% Drosselklappenwinkel, keine Endschalter, handbetätigte Starterklappe (Choke)
  • Kraftstoffpumpe pneumatisch angetrieben durch Kurbelgehäuse-Druckschwankungen
  • Kraftstoffhahn mit kombiniertem Zündabschalter
  • Ölstands-Überwachungsschalter mit Zündungsabschaltung bei Ölmangel

Daten für die Verbrauchsberechnung

Ottokraftstoff

Dichte: ca. 0,745 g/cm³ bei 15°C (0,72...0,775 g/cm³)

Heizwert: ca. 41 MJ/kg

Beispiel:
Ein Kraftstoffverbrauch von 1 kg/h Ottokraftstoff setzt 41 MJ/h = 11,4 kW frei.
1 l/h (etwa Nennverbrauch des KIPOR IG-2000) = 0,745 kg/h entspricht 8,43 kW.
Gibt der Generator dabei z.B. 2 kWDC ab, so beträgt der Wirkungsgrad ca. 23,7 %  (el. Abgabeleistung bezogen auf Treibstoff-Heizwert).

Verbrauchsdaten des KIPOR IG-2000

Im Datenblatt für den KIPOR IG-2000 Mod. 2008 sind 3,5h Laufzeit mit den 3,7l Tankinhalt bei Nennlast (1,6kWelAC) angegeben. Dies entspricht  1,057l/(h*kWhelAC) was 492g/kWhelAC entspricht. Schreibt man dem Wechselrichter im IG-2000 einen Wirkungsgrad von 85% zu, so ergibt sich der spezifische Verbrauch bezogen auf die kWhDC im Zwischenkreis (= Batteriekreis bei Verwendung als E-Mobil-APU) zu 418g/kWhDC.

Zum Vergleich:

  • 4kW-Industriediesel (Farymann 15W): ca. 300g/kWhmech (Quelle: Datenblatt Farymann 15W), bei 90% Generatorwirkungsgrad 333g/kWhDC
  • AVL 15kW Range Extender: 260g/kWh (Quelle: AVL Web Page)
  • 3l-Auto (Annahme: 10kWh/100km): 224g/kWh (!), bemerkenswert, da hier der Verbrennungsmotor-Wirkungsgrad durch den Teillastmix sinkt und außerdem keine Rekuperation erfolgt.

=> Optimierungspotential für einen Range Extender!

Erste Probefahrten am 20.04.2010 mit dem Hotzenblitz:

APU-Hotzenblitz1 APU-Hotzenblitz2APU-Hotzenblitz3APU-Hotzenblitz4

Einsatz als Range Extender im "Twike"

Im Juli 2012 wurde das Aggregat durch Einfügen einer zweiten Gleichrichterbrücke (zum Wicklungsumbau siehe oben) und Serienschaltung auf der Gleichspannungsseite auf die doppelte Spannung umgebaut. So konnte es im "Twike" (336V NiCd-Batterie) als Range Extender zum Zwecke der Anfahrt auf eigener Achse zu einer Veranstaltung im Münchner Raum eingesetzt werden:

Sascha Wüstling, 2012-12-18, wird fortgesetzt.