Simulationsumgebung zur Analyse verschiedener Hybridantriebs-Konfigurationen

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1 Industrie Hybridantriebe Simulationsumgebung zur Analyse verschiedener Hybridantriebs-Konfigurationen Der Antriebsstrang muss Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen gerecht werden und gleichzeitig wirtschaftliche Gesichtspunkte sowie Kundenerwartungen erfüllen. Neue Konzepte mit mannigfaltigen Topologien rücken in den Fokus der Entwicklung und erhöhen die Freiheitsgrade, aber auch den Analyseaufwand. Eine von Bertrandt neu entwickelte Simulationsumgebung ermöglicht es, frühzeitig verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen zu analysieren. 48

2 autoren Dr.-Ing. Oliver Maiwald ist Teamleiter Powertrain in der Bertrandt Ingenieurbüro GmbH in Neckarsulm. Dipl.-Ing. Pamphile Poumbga ist Entwicklungsingenieur Powertrain-Applikation und Simulation in der Bertrandt Ingenieurbüro GmbH in Neckarsulm. Dipl.-Ing. Rene Regeisz ist Entwicklungsingenieur Powertrain-Applikation und Simulation in der Bertrandt Ingenieurbüro GmbH in Neckarsulm. Dipl.-Ing. Matthias Rühl verantwortet den Fachbereich Powertrain im Bertrandt-Konzern in Ehningen. Kombination moderner Entwicklungswerkzeuge Effiziente und effektive Technik reduziert Kosten, Zeit und Aufwand des Entwicklungsprozesses. Nur durch die Kombination moderner Entwicklungswerkzeuge und technischem Know-how kann das herausfordernde Ziel von niedrigeren Emissionen und geringerem Kraftstoffverbrauch bei adäquater Motorleistung und Fahrspaß erreicht werden. In diesem Spannungsfeld entwickelte der Bertrandt-Konzern eine Simulationsumgebung, um frühzeitig verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen zu analysieren. Die Intention ist es, unterschiedliche Maßnahmen quantitativ und qualitativ zu bewerten, und dabei Zusatzinformationen wie Navigations- oder Verkehrsdaten einzubeziehen. Als Folge dieser Analysefunktionalität der verschiedenen Antriebsstrangkonfigurationen auf Basis von Kraftstoffverbrauch, CO 2 - und Schadstoffemissionen werden die Konzept- und Serienentwicklungsprozesse zielführend unterstützt. Aufbau der Simulation im Antriebsstrangmodell Die Simulationsumgebung Virtueller Antriebsstrang, 1, basiert auf Matlab/ Simulink. Einzelne Komponenten des Antriebsstrangs sind in Teilmodellen dargestellt und über Schnittstellen miteinander verknüpft. Das modular aufgebaute Gesamtmodell gewährleistet die Modifizierung von Teilmodellen, ohne dadurch andere Modelle zu beeinflussen. Das Gesamtmodell ist als zeitdiskrete Rückwärtssimulation konzipiert. Das heißt, die Fahrzeuggeschwindigkeit wird durch Vorgabe eines Geschwindigkeitsprofils wie zum Beispiel NEFZ, FTP75, US06 oder Hyzem bestimmt. Über die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs werden die vom Antriebsstrang aufzubringende Leistung, der Kraftstoffverbrauch, die Abgasemissionen und die Betriebspunkte des Verbrennungsmotors berechnet. Grafische Bedienoberfläche Die Schnittstelle zwischen Benutzer und Simulationsumgebung ist eine grafische Oberfläche, über die die Antriebsstrangkonfiguration parametriert (siehe nächster Abschnitt Modelle im Detail ) und der Simulationsablauf gesteuert wird. Nach Beendigung der Simulation werden alle Ergebnisgrößen wie zum Beispiel Motorleistung, Kraftstoffverbrauch und Mitteldruck in Dateiform gespeichert und grafisch visualisiert. Modelle im Detail Die Beschreibung der Fahrzeugumgebung besteht hauptsächlich aus Informationen wie Fahrbahnsteigung, Luftfeuchte, Umgebungsdruck und Lufttemperatur. Diese Angaben sind für die Berechnung der Fahrwiderstände erforderlich. Fahrzyklus Als erstes Glied der Berechnungskette legt der Fahrzyklus die Sollgeschwindigkeit zeitlich fest. Die Vorgabe eines zeitlich definierten Fahrprofils bietet eine Basis für den Vergleich von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen verschiedener Fahrzeuge beziehungsweise Antriebsstrangtopologien. Da die Fahrzeughersteller gesetzlich an die Kraftstoffverbrauchsermittlung in vordefinierten Fahrzyklen gebunden sind, bilden diese zugleich die Grundlage für die Antriebsstrangsimulation. Standardmäßig sind in der Simulationsumgebung die wichtigsten gesetzlichen Fahrzyklen wie NEFZ, FTP75, US06 sowie spezifische Zyklen wie Hyzem oder Artemis berücksichtigt. Zusätzlich können eigene Geschwindigkeitsprofile integriert werden. Fahrermodell Die Sollgeschwindigkeit bildet die Eingangsgröße des Fahrermodells. Durch die Regelung der vom Fahrzeug geforderten Antriebsleistung versucht das als PI-Regler entwickelte Fahrermodell die Ist-Geschwindigkeit der Sollgeschwindigkeit anzupassen. Hierdurch werden Überund Unterschreitungen realitätsnah abgebildet, 2. Um einen Fahrereinfluss auf das Abgastestergebnis auszuschließen oder verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen direkt miteinander vergleichen zu können, kann die Geschwindigkeitsvorgabe im Fahrermodell exakt abgebildet werden. Das Fahrergewicht wird zu dem Leergewicht des Fahrzeugs addiert. 01I Jahrgang 49

3 Industrie Hybridantriebe einem konstanten Wirkungsgrad und einer anwendungsspezifischen Übersetzung bedatet ist. Last- und temperaturbedingte Wirkungsgradänderungen werden über Kennlinien/-felder berücksichtigt. Getriebemodell Fahrwiderstände des Gesamtfahrzeugs 1 Aufbau und Komponenten der Simulationsumgebung Virtueller Antriebsstrang Innerhalb der Simulationsumgebung werden alle Leistungsflüsse (mechanisch, elektrisch) des gesamten Antriebsstrangs berechnet und die Einzelmodelle des Antriebsstrangs sequenziell miteinander verknüpft. Den Ausgangspunkt des Antriebsstrangmodells bildet die Ermittlung der erforderlichen Antriebsleistung, indem die vom Gesamtfahrzeug zu überwindenden Fahrwiderstände berechnet werden. Für die Berechnung des Gesamtwiderstands, der sich aus Roll-, Luft-, Steigungs- und Trägheitswiderstand zusammensetzt, werden die vom Benutzer definierten Parameter der Fahrzeugkonfiguration (Leergewicht inklusive Fahrer, Luftwiderstandsbeiwert, Frontfläche etc.) und die aktuelle Fahrgeschwindigkeit und -änderung benötigt. Das Radmodell wandelt die berechnete Leistungsanforderung in eine Drehmoment- und Drehzahlanforderung an den Antriebsstrang. Achsübersetzungs- und Differentialmodell Die erste Wandlung von Drehmoment und Drehzahl im Virtuellen Antriebsstrang erfolgt im Differentialmodell, das mit Direkt an das Differentialmodell schließt das Getriebemodell ohne Antriebswelle an, das als Automatikgetriebe mit Drehmomentwandler oder als Schaltgetriebe mit Anfahrkupplung konfigurierbar ist. In beiden Fällen müssen die Anzahl der Gangstufen und die zugehörigen Übersetzungen definiert werden. Unter Berücksichtigung eines leistungsabhängigen Wirkungsgrades werden Getriebeausgangsdrehzahl und drehmoment in Getriebeeingangsdrehzahl und -drehmoment übersetzt. Temperaturbedingte Einflüsse werden über Kennlinien beziehungsweise -felder abgebildet. Drehmomentwandlermodell Bei der Simulation eines Automatikgetriebes wird zusätzlich ein Modell aktiviert, welches abhängig von der Eingangs- und Ausgangsdrehzahl des Drehmomentwandlers das effektive Motordrehmoment und die Motordrehzahl berechnet. Die Charakteristik dieses Drehmomentwandlers ist 2 Reglermodell Fahrer (links) und resultierender qualitativer Geschwindigkeitsverlauf während einer Beschleunigungsphase (rechts) 3 Kennlinienabhängige Modellierung des Drehmomentwandlers bei Automatikgetrieben 50

4 4 E-Maschinenmodell im Motorbetrieb hierbei stark von der jeweiligen Fahrzeugapplikation abhängig. Als Folge wird in der Antriebsstrangsimulation jeder Drehmomentwandler durch spezifische Kennlinien oder -felder parametriert. Die notwendigen Kenngrößen können durch Auswertung von Getriebe- oder Fahrzeugtests generiert werden. 3 zeigt exemplarisch die Kennlinien eines Drehmomentwandlers in einem Serienfahrzeug. Verbrennungsmotormodell Die vom Drehmomentwandler- beziehungsweise Getriebemodell berechneten Motorbetriebspunkte werden an das Verbrennungsmotormodell als Eingangsgrößen übergeben. In diesem Modell ist die Charakteristik des Verbrennungsmotors hinsichtlich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs, der CO 2 -Emission etc. in Kennfeldern hinterlegt. Neben der drehzahlabhängigen Volllastkurve des Motordrehmoments sind die Leistungshyperbeln definiert. Für die Bewertung von kraftstoffverbrauchsmindernden Betriebsstrategien wird ergänzend die drehzahlabhängige Leistungskurve des minimalen Kraftstoffverbrauchs berechnet. Durch die zeitliche Veränderung von Motorlast und -drehzahl des Verbrennungsmotors werden auf Basis der Motorkennfelder sowohl Zeitverläufe als auch kumulierte Werte von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen approximiert. Teilmodelle des Verbrennungsmotors sind unter anderem die Schubabschaltung und die Leerlaufregelung, die einen maßgeblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch haben. Lastwechselvorgänge werden als idealer, instantaner Betriebspunktwechsel modelliert. Dynamische Einflüsse auf das Motorverhalten sind derzeit nicht abgebildet. Stochastische Modellansätze zur Approximation dieser Effekte befinden sich in der Entwicklung. Auswertung und Visualisierung Die während der Simulation aufgezeichneten Zeitverläufe relevanter Ergebnisgrößen aus den Einzelmodellen werden dem Modul Auswertung und Visualisierung übergeben. Neben generell dargestellten Ergebnissen wie dem mittleren Kraftstoffverbrauch oder den kumulierten Schadstoffemissionen, kann der Anwender nach der Simulation zu einer detaillierten Konzeptanalyse übergehen. Die Bedienoberfläche ermöglicht eine selektive Auswahl von Ergebnisgrößen, welche ausgewertet und visualisiert werden sollen. Unter anderem sind dies folgende Größen Zeitverläufe der Abgasemissionen und Temperaturen Zeitverläufe von Leistungsflüssen, Drehzahlen und Drehmomenten Verteilung der Lastpunkte des Verbrennungsmotors im spezifischen Verbrauchskennfeld Häufigkeitsverteilung der Lastpunkte des Verbrennungsmotors. Eine vor der Antriebsstrangsimulation wählbare Option zur Variantenanalyse ermöglicht nach Spezifikation des so genannten Parameterraums den automatischen Vergleich von verschiedenen Fahrzeug- und Antriebsstrangkonfiguratio- nen unter konstanten Belastungsbedingungen. Die integrierte Visualisierungsoption der Berechnungsergebnisse unterstützt die Konzeptbewertungen. Durch die beschriebene Option sind beispielsweise die folgenden Variantenrechnungen zur schnellen Konzeptbewertung automatisiert durchführbar Raddimensionen Getriebe- und Achsübersetzungen Motoren- beziehungsweise Applikationsstände Fahrzyklen Hybridkonzepte, -topologien Betriebsstrategien. Hybride Antriebsstränge Die Simulationsumgebung Virtueller Antriebsstrang bietet auch die Möglichkeit, Elektrifizierungsfunktionalitäten im Antriebsstrang zu berücksichtigen. Hierzu wird das Basisfahrzeug um ein Batteriemodell und ein E-Maschinenmodell erweitert, das die Verwendung der E-Maschine als Motor und Generator berücksichtigt. Die Leistungselektronik für die Wandlung, Gleich- und Wechselrichtung der elektrischen Spannung ist ebenfalls in das E Maschinenmodell integriert. Zeitdiskret wird im Motorbetrieb, abhängig von der Drehzahl der E-Maschine und dem maximalen Batteriestrom, das aktuell höchste Drehmoment berechnet, das die E-Maschine bereitstellen kann. Der Vergleich des geforderten und des verfügbaren Antriebsmoments legt abhängig von der Betriebsstrategie das tatsächlich aufzubringende Drehmoment der E-Maschine fest, 4. Die 01I Jahrgang 51

5 Industrie Hybridantriebe 5 Darstellbare Hybridisierungsfunktionen als Ergänzung zum konventionellen Antriebsstrang Leistungsanforderung der E Maschine wird dem Batteriemodell übergeben, in dem der Ladezustand der Batterie berechnet wird. Dieses Modell basiert auf einer Ersatzkapazität und dem Innenwiderstand der Batterie. Die Wirkungsgrade der E-Maschine für Motor- beziehungsweise Generatorbetrieb und der Batterie sind durch betriebstemperaturabhängige Kennlinien in den Modellen hinterlegt. Die anwendungsspezifische Konfiguration der Hybridisierung im Antriebsstrang erfolgt durch die Definition des Elektrifzierungsgrades, der Topologie sowie der Betriebsstrategie, 5. Menügeführt wählt der Anwender zwischen einer Mikro-, Mild- oder Vollhybridvariante, wobei ein Mikrohybrid einer Startstoppfunktion des Verbrennungsmotors entspricht. Bei der Auswahl der Mild- oder Vollhybridvariante sind weitere Spezifikationen zu parametrieren. Diese beinhalten unter anderem die maximale Leistung des Elektromotors und die Batteriekapazität. Die Betriebsstrategie stellt das intelligente, sehr komplexe Zusammenwirken der Hybridkomponenten sicher. Dazu sind zahlreiche Regelungsansätze bereits in der Simulationsumgebung beinhaltet und neue Betriebsstrategien integrierbar. Durch das Antriebsstrangmanagement wird das Hybridfahrzeug etwa auf maximale Reichweite, niedrige Schadstoffemissionen oder Sportlichkeit abgestimmt. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs bietet beispielsweise durch die Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors Kraftstoffeinsparpotenzial. 6 zeigt das Schema einer Betriebsstrategie, bei der das Hybridfahrzeug abhängig von der geforderten Antriebsleistung rein elektrisch, im Bereich Lastpunktanhebung elektrifiziert oder rein verbrennungsmotorisch angetrieben wird. Je nach Batterieladezustand verschieben sich die Leistungsgrenzen P1 und P2 zwischen den verschiedenen Betriebsmodi. Verbrauchsungünstige Betriebspunkte des Verbrennungsmotors werden dadurch vermieden und der zusätzliche elektrische Antrieb effektiv eingesetzt. Die Erweiterung der Betriebsstrategie, zum Beispiel unter Berücksichtigung von Verkehrsfluss- oder topografischen Daten, ist durch die modular aufgebaute Simulationsumgebung darstellbar. Diese prädiktive Antriebsstrangregelung dient der vorausschauenden Berechnung der effizientesten Fortbewegungsmöglichkeit. Erste Ansätze berücksichtigen bereits topologi sche Daten in der Antriebsstrangregelung. Hierzu wurde ein eigener Zyklus mit Streckenund Höheninformationen entwickelt Beispielhafte Betriebsstrategie bei einer Hybridfahrzeuganwendung Elektrofahrzeuge Die Hybridtechnik stellt in der derzeitigen Antriebsstrangentwicklung den Übergang vom verbrennungsmotorischen zum elektrischen Antrieb dar. Die Energiedichte der Batterien ist hierfür als eine Schlüsseltechnik der Flaschenhals bei der völligen Elektrifizierung des An-triebsstrangs, weil die Reichweite bei rein elektrischer Fahrt derzeit zu gering und ihr Gewicht zu hoch ist. Elektrofahrzeuge sind jedoch aufgrund des hohen Gesamtwirkungsgrades ihres Antriebs und in Anbetracht der zuneh-

6 Antriebsstrang (entspricht 100 %) um 19 % möglich. Dazu sind eine elektrische Antriebsleistung von 20 kw und eine Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie im Bereich von 8 Ah erforderlich. Die Simulationsdauer beträgt rund vier Stunden. Ein Vergleich der Lastpunkte des Dieselmotors im Motorkennfeld verdeutlicht das Optimierungspotenzial der Parallelhybridkonfiguration. Neben der rein-elektrischen Fahrweise wird der Verbrennungsmotor in Lastbereichen mit geringerem spezifischen Kraftstoffverbrauch (Lastpunktanhebung) betrieben, 8. 7 Bestimmung der verbrauchsoptimalen Elektrifizierungskombination aus E-Maschine und Batterie 8 Vergleich der Betriebspunkte des Verbrennungsmotors im Motorkennfeld bei verschiedenen Antriebsstrangkonfigurationen im NEFZ-Fahrzyklus menden Knappheit fossiler Brennstoffe im urbanen Einsatzbereich eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Antrieben. Das Antriebsstrangmodell ermöglicht daher auch die Simulation elektrischer Antriebsstränge. Die in einem Fahrzyklus geforderte Antriebsleistung wird von einer oder mehreren elektrischen Maschinen aufgebracht, die ihre Energie aus einer oder mehreren Batterien beziehen. Im beispielhaften Anwendungsfall eines Elektrofahrzeugs mit Radnabenmotoren wird bei der Antriebsimulation die geforderte Leistung auf zwei oder vier E-Maschinen verteilt. Der konventionelle Antriebsstrang inklusive Antriebachsen entfällt bei Radnabenantrieben und der mechanische Leistungsfluss reduziert sich auf die E-Maschinen und die Räder. Elektrifizierung eines Fahrzeugs der SUV-Klasse In einem Anwendungsbeispiel wird ein SUV-Fahrzeug (äquivalente Schwungmasse größer als 2000 kg) mit Dieselmotor und einem konventionellen Antriebsstrang durch eine Parallelhybridkonfiguration erweitert. Um die bestmögliche Kombination aus E-Maschine und Batterie zu analysieren, wird auf Basis einer vordefinierten Betriebsstrategie mit dem Primärziel minimaler Kraftstoffverbrauch ohne gleichzeitige Beurteilung der Fahrdynamik eine Simulation durchgeführt, 7. Für dieses Anwendungsbeispiel und der zugrundeliegenden Betriebsstrategie ist eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs im Vergleich zum konventionellen Zusammenfassung Mit der modular aufgebauten und flexiblen Softwareumgebung Virtueller Antriebsstrang hat der Entwicklungsdienstleister Bertrandt in Eigenverantwortung eine Analyse- und Auslegungsmöglichkeit für die Antriebsstrangentwicklung realisiert. Erste Validierungen mit realen Fahrzeugvergleichsdaten bestätigen die qualitative und quantitative Aussagefähigkeit bei adäquater Rechenleistung. Neben den zukünftigen Herausforderungen in der konventionellen Antriebsstrangtechnik wird sich der Komplexitätsgrad in der Antriebsstrangentwicklung durch die Zunahme der Hybrid- und Elektrofahrzeuge deutlich erhöhen. Leistungsfähige Entwicklungswerkzeuge werden diese Entwicklungstätigkeiten in einem stärkeren Maße unterstützen als bisher. Bertrandt geht mit der vorgestellten Softwareumgebung Virtueller Antriebsstrang einen weiteren Schritt, um als Entwickler die Mobilität von Morgen mitzugestalten. Download des beitrags read the english e-magazine order your test issue now SpringerAutomotive@abo-service.info 01I Jahrgang 53