Ein Beitrag zur Modellierung des Antriebsstrangs

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1 Berichte aus der Fahrzeugtechnik Michael Ade Ein Beitrag zur Modellierung des Antriebsstrangs von Hybrid-Elektrofahrzeugen D17(Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2009

2 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Motivation für die Entwicklung und Produktion alternativer Antriebe Der Aufbau hybrider Antriebsstränge Grundstrukturen hybrider Antriebsstränge Hybride Antriebssysteme für Pkw und Vans Der elektrische Antriebsstrang von HEV Elektrische Speicher für Hybridantriebe Doppelschichtkondensatoren Traktionsbatterien für HEV Wechselrichter für Hybridantriebe Elektrische Maschinen für HEV Marktprognose für HEV 17 2 Das Fahrzeug-Simulationsmodell für HEV Der Aufbau der makroskopischen Simulationsmodelle Die Fahrzyklen Das mechanische Modell des Fahrzeugs Die Fahrwiderstände und die Fahrleistung Der Rollreibungswiderstand Der Luftreibungswiderstand Der Lagerreibungswiderstand Der Steigungswiderstand Der Beschleunigungswiderstand Der gesamte Fahrwiderstand und die Fahrleistung Der Rad-Straße-Kontakt Mechanische Drehmoment- und Drehzahlwandler Nebenaggregate und elektrische Verbraucher Nebenaggregate Zusatzverbraucher Leistungsbedarf für Nebenaggregate und Zusatzverbraucher Die Verbrennungskraftmaschine 38

3 II Inhaltsverzeichnis 3 Die Traktionsbatterie Die NiMH-Traktionsbatterie Der Aufbau und die Funktionsweise von NiMH-Batterien Die Ladung und Entladung von NiMH-Batterien Die Überladung von NiMH-Batterien Die Tiefentladung der Batterie Übersicht zum Batteriemodell Die Modellierung der NiMH-Batterie Das elektrische Batteriemodell Die Leerlaufspannung üb,*« Der Batterie-Innenwiderstand Ri:Bati Die Gasungsverluste Die Berechnung des Ladezustandes SOC Der Leistungscontroller 52 4 Das makroskopische Modell des Wechselrichters Der Wechselrichter Übersicht zum Wechselrichter Die elektrische Modellierung des WRs Die thermische Modellierung des Wechselrichters 56 5 Die elektrischen Maschinen Übersicht zu den elektrischen Maschinen Die elektrische Modellierung der PM-Synchronmaschine Die Stromwärmeverluste in der Ständerwicklung der PSM Die Umrnagnetisierungsverluste der PSM Die Verluste in den Magneten der PSM Die Reibungs- und Ventilationsverluste der PSM Die wechselrichterbedingten Zusatzverluste der PSM Der Wirkungsgrad und das Muscheldiagramm der PSM Die elektrische Modellierung der Käfigläufer-Asynchronmaschine Die Stromwärmeverluste in der Ständerwicklung der ASM Die Stromwärmeverluste in der Rotorwicklung der ASM 78

4 Inhaltsverzeichnis III Die Ummagnetisierungsverluste der ASM Die Reibungs- und Ventilationsverluste der ASM Die wechselrichterbedingten Zusatzverluste der ASM Das Muscheldiagramm der Käfigläufer-ASM 83 6 Die thermische Modellierung der E-Motoren Allgemeines zu den thermischen Modellen der ASM und PSM Die Berechnung der Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände Die Wärmekapazitäten Die Wärmewiderstände Die Wärmewiderstände und -ströme im Ständer der ASM Die Wärmewiderstände und -ströme im Rotor der ASM Zusammenfassung der Wärmewiderstände der PSM und ASM Thermische Simulationen der ASM und PSM 94 7 Das Energiemanagement Allgemeines zum Energiemanagement für HEV Betriebsstrategien und Optimierungsziele für das Energie management Energiemanagementansätze für serielle HEV Energiemanagementansätze für parallele HEV Ein Energiemanagement zur Minimierung des Kraftstoff verbrauchs parallelerhybrider Antriebsstränge Anforderungen und Ziele für das Energiemanagement Die Analyse der Fahrzeuglängsdynamik Der Optimierungsansatz Randbedingungen Die Umsetzung des Energiemanagements Erkennung des Fahrzustands Elektrisches Fahren Der Zustand Hybridbetrieb Die Simulation des Kraftstoffverbrauchs der HEV.114

5 IV Inhaltsverzeichnis 8.1 Zur makroskopischen Simulation des Kraftstoffverbrauchs der Hybridfahrzeuge P-HEV1 und P-HEV Das Hybridfahrzeug P-HEV Allgemeines zur Simulation des Kraftstoffverbrauchs der P-HEV Die Korrektur für den Ladezustand SOC des P-HEV Die fiktive Entladung der Batterie am Beispiel des P-HEV Die fiktive Aufladung der Batterie am Beispiel des P-HEV Die Aufnahmeleistung der Zusatzverbraucher Der Kraftstoffverbrauch für Startvorgänge Die Berechnung des Kraftstoffverbrauchs der konventionellen Kfz Simulationsergebnisse für das P-HEV Berechneter Kraftstoffverbrauch im NEFZ Berechneter Kraftstoffverbrauch im UDDS-Zyklus Berechneter Kraftstoffverbrauch im Japan Zyklus Berechneter Kraftstoffverbrauch im Highway-FET-Zyklus Diskussion der Berechnungsergebnisse für den Kraftstoff verbrauch für das P-HEV Die simulierte Erwärmung der PSM des P-HEV1 im Fahrzyklus Der Aufbau des Hybridfahrzeugs P-HEV Allgemeines zu den Simulationen des P-HEV Simulationsergebnisse für das P-HEV Berechneter Kraftstoffverbrauch im NEFZ Berechneter Kraftstoffverbrauch im UDDS-Zyklus Berechneter Kraftstoffverbrauch im Japan Zyklus Berechneter Kraftstoffverbrauch im Highway-FET-Zyklus Diskussion der Simulationsergebnisse für das P-HEV Die simulierte Erwärmung der ASM des P-HEV2 im Fahrzyklus Die dynamischen Modelle des elektrischen Antriebsstrangs der HEV Allgemeines zu den dynamischen Modellen des elektrischen Antriebsstrangs der HEV Der Aufbau der dynamischen Simulationsmodelle 147

6 Inhaltsverzeichnis V 9.3 Das Batteriemodell Der Wechselrichter Die Ventile des WRs Die Ansteuenmg des Wechselrichters Die Aussteuerung des WRs im linearen Steuerbereich Die Aussteuerung des WRs im Bereich der Übermodulation Die Aussteuerung des WRs bei Grundfrequenztaktung Simulierte WR-AusgangsSpannungen Die Berechnung der WR-Verluste Die IGBT-Durchlassverluste bei linearer Aussteuerung Die IGBT-Durchlassverluste bei Grundfrequenztaktung Die IGBT-Schaltverluste Die gesamten Verluste der IGBTs Die Durchlassverluste der Dioden bei linearer Aussteuerung Die Dioden-Durchlassverluste bei Grundfrequenztaktung Die Dioden-Schaltverluste Die gesamten Verluste der Dioden Die gesamten WR-Verluste Vergleich der berechneten mit gemessenen WR- Wirkungsgraden Der WR-Zwischenkreis Die Ladung des Zwischenkreiskondensators Czk Wechselrichterbetrieb Berechneter Batteriestrom bei Variation der Kapazität Czk Thermische Simulationen für den Wechselrichter zur ASM Dynamische Modelle für die elektrischen Maschinen Das dynamische Modell der PSM Die Simulation des dreipoligen Kurzschlusses der PSM Das dynamische Modell der ASM Die Simulation des dreipoligen Kurzschlusses der ASM Die Simulation der Belastung der ASM mitnennmoment Abschlussbetrachtung 186

7 VI Inhaltsverzeichnis 11 Formelverzeichnis Formelzeichen Griechische Formelzeichen Indizes Griechische Indizes Abkürzungen Literaturverzeichnis Anhang Fahrzyklen Technische Daten der Fahrzeuge Weitere Bordnetzgeneratoren Weitere verfügbare Verbrennungsmotoren Geometrie- und Materialwerte zur Berechnung der Wärmewider stände und -kapazitäten des thermischen WR-Modells des WRs für die ASM Geometriedaten für die Berechnung der PSM-Verluste Daten zur Berechnung der Ummagnetisierungsverluste Daten zur Berechnung der Stromwärmeverluste der PSM Daten zur Berechnung der Magnetverluste der PSM Gemessene Muscheldiagramme des PSM-Antriebs Ersatzschaltbilddaten der PSM Daten für die Berechnung der Verluste der ASM Daten zur Berechnung der Stromwärmeverluste der ASM Daten zur Berechnung der Ummagnetisierungsverluste Gemessene Muscheldiagramme des ASM-Antriebs Ersatzschaltbilddaten der ASM Stoffwerte zur Berechnung der Wärmewiderstände und -kapazitäten der PSM und der ASM Zur Berechnung der Wärmewiderstände des Ständers der ASM Zur Berechnung der Wärmewiderstände des Rotors der ASM Daten für den Wechselrichter 233

8 Inhaltsverzeichnis VII Ergänzende Flussdiagramme zum Energiemanagement Das Flussdiagramm für den Fafirzustand Rekuperaäon Das Flussdiagramm für Verbrennungsmotorisches Fahren 236

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