Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs: Modellierung, Simulation und Bewertung

Produktbeschreibung

In dieser Arbeit wird am Beispiel eines hybridisierten Doppelkupplungsgetriebes und einer elektrisch angetriebenen Hinterachse eine Simulationsmethodik für die Entwicklung von hybriden Antriebssträngen vorgestellt und deren Tauglichkeit mittels eines Demonstratorfahrzeuges verifziert. Die Simulationsmethodik berücksichtigt dabei die unterschiedlichen Entwicklungsphasen von der Systemanforderung zum Systementwurf, über die Integration bis hin zur Validierung. Für die Anforderungsanalyse bzw. den Entwurf wird ein vereinfachtes quasistationäres Verbrauchsberechnungsmodell vorgestellt und unterschiedliche Konfgurationen eines hybriden Antriebsstranges analysiert. Ein detailliertes längsdynamisches Simulationsprogramm wird für die Untersuchung und Validierung von realen Komponenten zu einem späteren Entwicklungszeitpunkt beschrieben. Um beide Simulationsprogramme realitätsnah betreiben zu können, wird eine allgemeine Betriebsstrategie für Hybridfahrzeuge erläutert. Außerdem werden Getriebefunktionalitäten vorgestellt, welche die Fahrbarkeit verbessern und damit die Kundenakzeptanz erhöhen.

Inhaltsverzeichnis
Abkurzungsverzeichnis IX
Symbolverzeichnis X
Kurzfassung XX
Abstract XXII
1 Einleitung 1
1.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Struktur und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Stand der Technik 5
2.1 Hybridfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Komponenten eines Hybridsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Beschreibung der hybriden Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Meilensteine der Hybridfahrzeug-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4 Kraftstoff-Einsparpotenziale durch die Hybridisierung . . . . . . . . . . . 12
2.1.5 Hybrid-Kategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.6 Ausfuhrungsbeispiele von Hybridantriebssträngen . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Simulationstools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Wissenschaftliche Ansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Kommerzielle Simulationstools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Hybrid-Demonstratorfahrzeug 28
3.1 Basisfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Hybrid-DKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 Funktionen und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.2 Elektrische Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Elektrisch angetriebene Hinterachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Antriebsstrang-Konfigurationen des Fahrzeugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4 Betriebsstrategie 35
4.1 Fahrprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Realisierungsvarianten des Fahrerwunsches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Momentenaufteilung und Gangwahlstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.1 Momentenaufteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.2 Gangwahlstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Funktionaler Ablauf der Betriebsstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4.1 Vereinfachter Zustandsautomat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.2 Einflussgrößen auf die Nutzung der EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.3 Leistungsgrenzwerte fur den Betrieb der EM . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ¨
5 Methoden zur Simulation 55
5.1 Vereinfachte quasistationäre Verbrauchsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.1 Beschreibung der Simulationsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Modul Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Modul Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Modul VM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Modul EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Modul Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Modul Hochvoltbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.1.2 Simulationsergebnisse der Verbrauchsberechnung . . . . . . . . . . . . . 69
Konventionelles Handschaltgetriebe (M1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Handschaltgetriebe mit Stopp/Start-Funktionalität (M2) . . . . . . . . . 70
Konventionelles DKG (D1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
DKG mit Stopp/Start-Funktionalit¨ at (D2) . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
DKG mit elektrischer Hinterachse (H1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Hybrid-DKG mit EM an Teilgetriebe 1 (H2) . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Hybrid-DKG mit EM an Teilgetriebe 2 (H3) . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Hybrid-DKG mit umkoppelbarer EM (H4) . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.3 Simulation der maximalen Längsdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1.4 Bewertung der Ergebnisse der Verbrauchsberechnung und
der Längsdynamiksimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.2 Programm fur detaillierte Simulation der Längsdynamik . . . . . . . . . . . . . 84
5.2.1 Modellierung des elektrischen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Modellbildung und Regelung der EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Modellierung des PWR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Modellierung der Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Modellierung der EKK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.2 Modellierung des VM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Modellbildung des Zylinders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Modellbildung des Kurbeltriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2.3 Modellierung des Antriebsstranges der Vorderachse . . . . . . . . . . . . 105
Modellbildung des Zwei-Massen-Schwungrads (ZMS) . . . . . . . . . . . 106
Modellbildung des DKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Modellbildung des Differenzials und der Seitenwellen . . . . . . . . . . . 114
5.2.4 Modellierung des Antriebsstranges der Hinterachse . . . . . . . . . . . . 115
5.2.5 Modellierung des Fahrzeugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3 Simulation unterschiedlicher Betriebszustandsübergänge . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3.1 Simulation unterschiedlicher Schaltvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.2 Simulation eines hybriden Anfahrvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.3 Abkoppeln der EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6 Verifikation am Fahrzeug 127
6.1 Verbrauchsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.1 Konventionelles DKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.1.2 DKG mit elektrisch angetriebener Hinterachse . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1.3 Hybrid-DKG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2 Dynamische Abläufe im Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.1 Wiederstart des VM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.2.2 Nachbildung des VM-Schubmoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.3 Schaltungsablauf mit EM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.2.4 Gangwechsel beim Rekuperieren ohne Bremskraftunterbrechung . . . . . 138
7 Zusammenfassung 142

Anhang 145
A Weitere Informationen zum Demonstratorfahrzeug 146
B Begrenzungskennlinien fur die Betriebsstrategie 150 ¨
C Bestimmung der Achsaufstandskräfte eines Fahrzeugs 152
Literaturverzeichnis 156

Keywords: Hybrid Antrieb, Simulation, Verbrauchsberechnung, Hybrid Fahrzeug, Doppelkupplungsgetriebe, Betriebsstrategie, elektrischer Antrieb, Fahrzeug Validierung, E-Maschine, Leistungselektronik, Universität Stuttgart,