Studium Generale Energieverbrauch von Hybridfahrzeugen

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Dominik Weiss
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1 Institut für Elektrische Maschinen, Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Studium Generale Energieverbrauch von Hybridfahrzeugen W.-R. Canders, A.B. Asafali, Jue Wang

einsetzen Studium Generale Energieverbrauch von

2 DEFINITION

3 Beispiel: Mahle Hybridfahrzeug, serielle Struktur

4 Definition In einem Hybridfahrzeug sind mindestens zwei unterschiedliche Energiespeicher mit den zugehörigen Energiewandlern und Getrieben verbaut. In der Praxis wird eine Verbrennungskraftmaschine (VKM) mit Kraftstofftank und eine Elektromaschine mit Batteriespeicher verwendet.

5 Definition Im Hybridfahrzeug wird der gesamte Energiebedarf aus dem Tank gedeckt, die Batterie dient nur zum Zwischenspeichern von Energie zum Boosten und zum Rekuperieren und ist entspechend klein bemessen (ca kwh). Das Plug-In Hybridfahrzeug verfügt eine vergrößerte Batterie, die an der Steckdose nachgeladen werden kann. Die Batterie ermöglich rein elektrischen Betrieb über eine größere Fahrstrecke ( km) und hat einen Energieinhalt von ca kwh. Der Energiebedarf wird somit aus dem Tank und dem Stromnetz gemeinsam abgedeckt.

Das Plug-In Hybridfahrzeug verfügt eine vergrößerte Batterie, die an der Steckdose nachgeladen werden kann.

6 Kennfelder für den Energieumsatz

7 Verbrauchs- / Wirkungsgrad-Kennfeld eines Dieselmotors Verbrauchsopt. Linie Spez. Verbrauch in g/kwh

8 Wirkungsgradkennfeld eines Elektromotors (Beispiel PMSM) Leistungshyperbel / Feldschwächbereich Nennpunkt Bestpunkt

9 Kennfeld eines Getriebes

10 Hinweise zum Hybridbetrieb Beriebspunktoptimierung P=const Betriebspunkt 1 Betriebspunkt 2 Verbrauchsopt. Linie Spez. Verbrauch in g/kwh

11 Hinweise zum Hybridbetrieb Lastpunktanhebung, Drehzahl konst. Betriebspunkt 1 Betriebspunkt 2 Verbrauchsopt. Linie Spez. Verbrauch in g/kwh

12 Mathematische Aufgabe

13 Mathematische Aufgabenstellung Alle wesentlichen Komponenten VKM, EM, Bat., Getriebe haben hinsichtlich Energieverbrauch / Wirkungsgrad ein nichtlineares Verhalten. Der Antriebsstrang wird somit durch ein System nichtlinearer Differentialgleichungen beschrieben. Für die Ermittlung des Energieverbrauches muss man daher numerische Simulationsverfahren nutzen, die den tatsächlichen Funktionsverlauf ausreichend genau annähern (Stichwort: Runge Kutta). Mathematisch handelt es sich um eine sog. Anfangswertaufgabe.

Der Antriebsstrang wird somit durch ein System nichtlinearer Differentialgleichungen beschrieben.

14 Antriebsstrangstrukturen von Hybridfahrzeugen

15 Serieller Hybridfahrzeug Antriebsstrang (z.b. Opel, Chevrolet, Mahle) TANK ICE G REC + BAT INV M/G EM gearbox emgb i fd Differential EM 1 EM 2 mech. connection elec. connection

16 Antriebssstrang eines Parallel Hybridfahrzeugs (z.b. VW, BMW, Daimler) ICE Clutch M/G TANK i gb 6-speed transmission (DCT) i fd Differential E-Machine + BAT CONV E-Machine M/G emgb mech. connection elec. connection + BAT CONV

17 Hybridfahrzeiug mit leistungsverzweigendem Antriebsstrang (z.b. Toyota) Planetary Gear Set TANK Differential ICE i fd emgb M/G EM 2 EM 1 M/G CONV + BAT CONV mech. connection elec. connection

18 Simulation der Hybridfahrzeuge

19 Durchgeführte Simulationen Fahrzeug HEV Plug-In HEV Fahrspiel Antriebsstrang Stadtverkehr (NEDC) Autobahnverkehr (Artemis Highway) Stadtverkehr (NEDC) Autobahnverkehr (Artemis Highway) Seriell Parallel Leistungsverzweigt X X X X X X X X X X X X

(Artemis Highway) Stadtverkehr (NEDC) Autobahnverkehr

20 Fahrzeugdaten und Zusatzforderungen Fahrzeug: PkW ca. 1,5 t bei Parallelstruktur DK Getriebe, 6 Gänge, VKM: 55 kw E-Maschine: 40 kw peak Batterie: Li-Ion Max. Geschwindigkeit 160 km/h, kurzzeitig 180 km/h Befahren von Bordsteinkanten (2000 Nm) HEV: Mindestens 1 NEDC soll rein elektrisch gefahren werden können (ca. 1,5 kwh) Rekuperation und Lastpunktanhebung sollen möglich sein

21 Hybridfahrzeug Modellierung Vorwärtsrechnung Fahrermodell Fahrzyklus Soll Geschw. Fahrleistungsanforderung Strategie Antrieb Bremse VKM, EM, Bremse Regelung Antriebsstrang Komponenten und Fahrzustand

22 Geschwdigkeit in km/h Fahrzyklus: Standard - New European Driving Cycle (NEDC) Fahrzyklusprofil NEDC Zeitdauer (s) 1180 Distanz (km) 11 max. Geschwindigkeit (km/h) Mittl. Geschwindigkeit (km/h) , Fahrgeschwindigkeit max. Leistung 100 Die Stadtverkehrsstrecke soll aus 6 NEDC bestehen = 66 km max. Drehmoment Zeit in s

23 Vehicle speed in km/h Fahrzyklus für Autobahnbetrieb ARTEMIS Highway In der Fahrstrecke sind 2 ARTEMIS Highway Zyklen enthalten =118 km Dauer (s) 2137 Entfernung (km) max. Geschw. (km/h) max. Beschleunigung (m/s 2 ) max. Verzögerung (m/s 2 ) Time in s

24 Hybridfahrzeug Modellierung Vorwärtsrechnung Fahrermodell Fahrzyklus Soll Geschw. Fahrleistungsanforderung Strategie Antrieb Bremse VKM, EM, Bremse Regelung Antriebsstrang Komponenten und Fahrzustand Das Fahrermodell ist in diesem Fall sehr einfach: Die Anforderungen des Geschwindigkeitsprofils im Fahrzyklus werden 1: 1 in Drehmoment und Drehzahl (Fahrleistung) umgesetzt.

25 Hybridfahrzeug Modellierung Vorwärtsrechnung Fahrermodell Fahrzyklus Soll Geschw. Fahrleistungsanforderung Strategie Antrieb Bremse VKM, EM, Bremse Regelung Antriebsstrang Komponenten und Fahrzustand

26 Fahrstrategie Die Fahrstrategie legt fest Ab welchem Ladezustand der Batterie und mit welcher Leistungsanforderung rein elektrisch gefahren werden kann oder die VKM elektrisch unterstützt wird (Boosten) oder die VKM Lastpunktanhebung macht und zusätzlich die Batterie lädt oder die VKM abgeschaltet wird. Weiter wird festgelegt, wie lang die elektrische Fahrstrecke beim Plug-In HEV sein soll (z.b. 3 NEDC oder 1 Art. Highway) Die Fahrstrategie wird nach verschiedenen Gesichtspunkten (z.b. spez. Batteriebelastung etc.) zweckmäßig gewählt.

27 Vehicle speed in km/h Plug-in HEV: Antriebsstrategie zweckmäßig gewählt Beim Plug-In HEV: zusätzliche Wahlmöglichkeit der elektrisch gefahrenen Strecke EV Modus EV Modus (erste 3 Zyklen): E-Maschine entlädt die Batterie bis EV mode Charge sustaining auf ein minimal Niveau Ladungserhaltung (restliche 3 Zyklen): Kombinierter VKM / EM Betrieb: Ladezustand der Batterie (SOC) wird 60 durch Lastpunktanhebung auf konstantem Niveau gehalten Time in s

28 Vehicle speed in km/h Plug-in HEV: Antriebsstrategie im Autobahnbetrieb EV Modus (Erster Zyklus): E-Maschine entlädt Batterie auf ein EV mode Charge sustaining minimal Niveau Ladungserhaltung (im zweiten Zyklus): Ladezustand der Batterie (SOC) wird durch Nachladen mit der VKM 80 (Lastpunktanhebung) auf konstantem Niveau gehalten Time in s

29 Simulation im Stadtverkehr (NEDC) Vorwärtsrechnung Fahrermodell Fahrzyklus Soll Geschw. Fahrleistungsanforderung Strategie Antrieb Bremse VKM, EM, Bremse Regelung Antriebsstrang Komponenten und Fahrzustand Vergleich eines Hybridfahrzeuges (HEV) und eines Plug-In Hybridfahrzeuges mit je drei Antriebsstrangkonfigurationen

30 VKM Betriebspunkte - HEV Series (38.5%) Series (38.5%) Power Split (37.7%) Parallel (34.49%)

31 Torque (Nm) Drehmoment (Nm) VKM Betriebspunkte Plug-in HEV ICE operation point opt.operating line max. torque Series (38.5%) Series (38.5%) ICE operation point opt.operating line max. torque Rotational speed (1/min) Power Split (35.88%) Drehzahl (1/min) Parallel (36.26%)

Fuel consumption (L/100km) ICE efficiency (%) VKM Kraftstoffverbrauch und Wirkungsgrad im Stadtverkehr (NEDC) 5 40% 4 37.70% 38.56% 38.53% 4.244 38% 3 2 3.286 35.88% 3.236 1.826 1.

32 Fuel consumption (L/100km) ICE efficiency (%) VKM Kraftstoffverbrauch und Wirkungsgrad im Stadtverkehr (NEDC) 5 40% % 38.56% 38.53% % % % 36.26% % 34% 32% 1 30% 0 Power split Series Parallel 28% HEV ICE fuel consumption HEV ICE efficiency Plug-in HEV ICE fuel consumption Plug-in HEV ICE efficiency

33 Torque in Nm Torque in Nm Torque in Nm EM2 (E-Motor 2) Betriebspunkte HEV EM2 operation point Nominal torque Max. torque EM2 operation point Nominal torque Peak torque E-Machine operation point Nominal torque Peak torque % % % % % % Rotational speed in 1/min x 10 4 Power Split Rotational speed in 1/min x 10 4 Series Rotational speed in 1/min x 10 4 Parallel

34 Powertrain total efficiency Stadtverkehr (NEDC): Antriebsstrangwirkungsgrad Tank - Rad η = E veh /(E batt +E tank ) 40% 35% 30% 32.12% 34.49% 30.30% 25% 24.27% 23.87% 20% 18.98% 15% 10% 5% 0% Power split Series Parallel HEV total efficiency Plug-in HEV total efficiency

Fuel consumption (L/100km) ICE efficiency (%) Vergleich Stadtverkehr und Autobahnbetrieb Kraftstoffverbrauch und VKM Wirkungsgrad für Plug-In Hybridantrieb 4 3.5 38.53% 38% 3 2.5 35.88% 35.79% 2.

35 Fuel consumption (L/100km) ICE efficiency (%) Vergleich Stadtverkehr und Autobahnbetrieb Kraftstoffverbrauch und VKM Wirkungsgrad für Plug-In Hybridantrieb % 38% % 35.79% % 36.51% % % 32% % Power split Series Parallel 30% 28% NEDC ICE fuel consumption NEDC ICE efficiency Artemis Highway ICE f uel consumption Artemis Highway ICE ef f iciency

36 SOC(rel.) in % SOC(rel.) in % Battery SOC, Plug-In HEV NEDC Time in s El. Energie: 4,5 kwh am Rad. Antriebsstrangwirkungsgrad el.: 0,78 6 kwh Entladung um 50% der Kapazität Nennkap. der Batt.: 12 kwh Mit Ladewirkungsgrad : 0.9 6,4 kwh aus der Steckdose=1, Time in s ARTEMIS Highway

37 Zusammenfassung Mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren ist es möglich, den Betrieb von Fahrzeugen mit komplizierten nichtlinearen Antriebsstrangstrukturen mit guter Genauigkeit zu simulieren. Die Simulation liefert für jeden Simulationsschritt Daten über die Betriebspunktlage der Komponenten, den Energieverbrauch und die Wirkungsgrade. Wenn thermische Modelle mitgerechnet werden, können z.b. Batterie- und EM-Temperatur mit überwacht werden. Die Simulationen ermöglichen das Verständnis der Energieflüsse und der Verlustmechanismen im Fahrzeug, die sich aus den Fahrbetriebsforderungen und der Fahrstrategie ergeben. Hybrid und Plug-In Hybrid Antriebsstränge weisen im Energieverbrauch die gleiche Tendenz auf, wobei Plug-In Hybride wegen des höheren eklektrischen Fahrtanteils günstiger abschneiden. Mit Hilfe der Simulationsdaten lassen sich sowohl die Fahrstrategie als auch die Komponenten des Antriebsstranges hinsichtlich des Energieverbrauches optimieren.

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