Micro gas turbines as range extender for battery electric light duty vehicles

Abstract

In den letzten Jahren konnte ein wachsendes Interesse an Mikrogasturbinen entwickelt werden. Ihre große Energiedichte (kWh/kg) macht sie attraktiv für tragbare Aggregate, sowie für den Antrieb von Extended-Range-Hybrid-Elektrofahrzeuge auch bekannt als eREVs oder Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV). Dieser Beitrag beschreibt ein analytisches Modell der High-Speed-Mikrogasturbine als Range-Extender in leichten elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und seine Umsetzung in der Matlab-Simulink-Simulationsumgebung. Dieses Modell stellt eine Evaluation der Plug-in Hybrid-Konfiguration, die aus einer Mikrogasturbine, einer Li-Ion Batterie, einem Generator, einem Elektromotor, einer Hybridsteuereinheit und einem Subsysteme, welches Fahrwiderstände und das Verhalten des Fahrzeugs simuliert, bestehen. Der Schwerpunkt dieses Beitrages liegt auf der Mikrogasturbine unter der besonderen Beachtung der Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und den Leitungen mit verschiedenen Kraftstoffarten.<br />Die entwickelte Plattform erlaubt nicht nur die Simulation von innovativen und komplexen Gasturbine Konfigurationen, welche als primäre Antriebsquelle für Straßenfahrzeuge genutzt werden, sondern auch die Modellierung von Hybridantrieben, welche die Kombination eines Elektroantriebs mit einer Mikro-Gasturbine darstellen. Es wird von verschiedenen Fahrzeugherstellern angenommen, dass der Einsatz einer Mikrogasturbine als Range Extender in einem Plug-In Series Hybrid-Konfiguration die effizienteste Lösung zur Reduktion des Kraftstoffverbrauches in den kommenden Jahren darstellt. In dieser Arbeit wurde die Leistung, die für den Antrieb eines Fahrzeugs erforderlich ist, durch einen Elektromotor bereitgestellt. Die elektrische Energie wird in den Batterien gespeichert, die durch eine periodische Funktion der Mikrogasturbine geladen wird. Die Mikrogasturbine beginnt mit dem Laden der Batterie, wenn diese eine Entladetiefe von 60% überschreitet und wird solange fortgesetzt bis die Batterie voll sind.<br />Die Leistung des Fahrzeuges wird mit Hilfe einer integrierten Software-Plattform untersucht. Kraftstoffverbrauch und der errechnete Wirkungsgrad werden mit denen von konventionellen Fahrzeugen mit den gleichen Spezifikationen verglichen.<br />Die Methodik welche in dieser Arbeit vorgestellt wird stellt ein Kriterium für die Bewertung der Arbeitsleistung von Mikrogasturbinen als Range-Performance-Extender in HEVs dar. Außerdem sie bietet eine Schätzung für den Kraftstoffverbrauch und die Effekte unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten auf diesen.<br />Die Simulationen sagen voraus, dass Fahrzeuge welche von Mikrogasturbinen angetrieben werden einen höheren Kraftstoffverbrauch haben als Fahrzeug welche mit einem Kolbenmotoren ausgerüstet sind.<br />Dennoch könnte sich diese Situation in naher Zukunft durch Innovationszyklen, welche modernste Technologien beinhalten und durch den Fortschritt in den Materialwissenschaften ändern.

Micro gas turbines have experienced a growing interest during the last decade. Their large energy density (kWh/kg) makes them attractive for portable power units as well as for propulsion of Extended-range hybrid electric vehicles also known as eREVs or plug-in HEVs (PHEVs). This paper describes an analytical model of high speed micro gas turbine as range-extender in light duty electric vehicles, which could achieve further performance benefits, and its implementation in the Matlab-Simulink simulation environment. This model presents an assessment of a plug-in hybrid configuration comprising a micro gas turbine, a Li-Ion battery, a generator, an electric motor, hybrid control unit and subsystems simulating driving resistances and behavior of the vehicle. The main focus is on micro gas turbine's potential contribution to the reduction in fuel consumption and performance with various fuel types. The developed platform permits not only the simulation of innovative and complex gas turbine configurations operating as prime movers in road vehicles, but also the modeling of hybrid powertrains, combining electric propulsion with a micro gas turbine. The use of a micro gas turbine operating as range extender in a plug-in series hybrid configuration is predicted to be the most efficient solution for fuel consumption reduction by some car manufacturers in the coming years.<br />In this work the power required for the propulsion of the vehicle is provided by the electric motor. The electric power is stored by the batteries, which are charged by a periodic function of the micro gas turbine. The micro gas turbine starts up when the battery depth of discharge exceeds 60%, and its function continues until the batteries are full. The performance of the vehicle is investigated using an integrated software platform. The calculated efficiency and fuel economy are compared with those of conventional vehicles of the same specifications.<br />The methodology presented in this work sets a formulation for evaluating performance of micro gas turbines as range-extenders in HEVs.<br />Furthermore, it provides a first estimation for the fuel economy and effects of different fuel and gas qualities on the fuel consumption of the car. The simulations predict that vehicles powered by gas turbines have higher fuel consumption than the ones equipped with reciprocating engines. Nevertheless, more innovative cycles incorporating advanced technologies and advancements in material science could turn this situation around in the near future.