Berichte aus der Fahrzeugtechnik Michael Ade Ein Beitrag zur Modellierung des Antriebsstrangs von Hybrid-Elektrofahrzeugen D17(Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2009
Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Motivation für die Entwicklung und Produktion alternativer Antriebe 1 1.2 Der Aufbau hybrider Antriebsstränge. 4 1.2.1 Grundstrukturen hybrider Antriebsstränge 4 1.2.2 Hybride Antriebssysteme für Pkw und Vans 6 1.3 Der elektrische Antriebsstrang von HEV 8 1.3.1 Elektrische Speicher für Hybridantriebe 8 1.3.1.1 Doppelschichtkondensatoren 9 1.3.1.2 Traktionsbatterien für HEV 11 1.3.2 Wechselrichter für Hybridantriebe 14 1.3.3 Elektrische Maschinen für HEV 15 1.4 Marktprognose für HEV 17 2 Das Fahrzeug-Simulationsmodell für HEV 19 2.1 Der Aufbau der makroskopischen Simulationsmodelle 20 2.2 Die Fahrzyklen 22 2.3 Das mechanische Modell des Fahrzeugs 24 2.3.1 Die Fahrwiderstände und die Fahrleistung 24 2.3.1.1 Der Rollreibungswiderstand 25 2.3.1.2 Der Luftreibungswiderstand 26 2.3.1.3 Der Lagerreibungswiderstand 26 2.3.1.4 Der Steigungswiderstand 26 2.3.1.5 Der Beschleunigungswiderstand 26 2.3.1.6 Der gesamte Fahrwiderstand und die Fahrleistung 27 2.3.2 Der Rad-Straße-Kontakt 27 2.3.3 Mechanische Drehmoment- und Drehzahlwandler 29 2.4 Nebenaggregate und elektrische Verbraucher 31 2.4.1 Nebenaggregate 31 2.4.2 Zusatzverbraucher 33 2.4.3 Leistungsbedarf für Nebenaggregate und Zusatzverbraucher 36 2.5 Die Verbrennungskraftmaschine 38
II Inhaltsverzeichnis 3 Die Traktionsbatterie 41 3.1 Die NiMH-Traktionsbatterie 41 3.1.1 Der Aufbau und die Funktionsweise von NiMH-Batterien 41 3.1.2 Die Ladung und Entladung von NiMH-Batterien 42 3.1.3 Die Überladung von NiMH-Batterien 43 3.1.4 Die Tiefentladung der Batterie 44 3.2 Übersicht zum Batteriemodell 45 3.3 Die Modellierung der NiMH-Batterie 48 3.3.1 Das elektrische Batteriemodell 48 3.3.2 Die Leerlaufspannung üb,*«48 3.3.3 Der Batterie-Innenwiderstand Ri:Bati 50 3.3.4 Die Gasungsverluste 51 3.3.5 Die Berechnung des Ladezustandes SOC 52 3.3.6 Der Leistungscontroller 52 4 Das makroskopische Modell des Wechselrichters 53 4.1 Der Wechselrichter 53 4.1.1 Übersicht zum Wechselrichter 53 4.1.2 Die elektrische Modellierung des WRs 54 4.1.3 Die thermische Modellierung des Wechselrichters 56 5 Die elektrischen Maschinen 61 5.1 Übersicht zu den elektrischen Maschinen 61 5.2 Die elektrische Modellierung der PM-Synchronmaschine 62 5.2.1 Die Stromwärmeverluste in der Ständerwicklung der PSM 63 5.2.2 Die Umrnagnetisierungsverluste der PSM 65 5.2.3 Die Verluste in den Magneten der PSM 67 5.2.4 Die Reibungs- und Ventilationsverluste der PSM 69 5.2.5 Die wechselrichterbedingten Zusatzverluste der PSM 71 5.2.6 Der Wirkungsgrad und das Muscheldiagramm der PSM 74 5.3 Die elektrische Modellierung der Käfigläufer-Asynchronmaschine 78 5.3.1 Die Stromwärmeverluste in der Ständerwicklung der ASM 78 5.3.2 Die Stromwärmeverluste in der Rotorwicklung der ASM 78
Inhaltsverzeichnis III 5.3.3 Die Ummagnetisierungsverluste der ASM 79 5.3.4 Die Reibungs- und Ventilationsverluste der ASM 81 5.3.5 Die wechselrichterbedingten Zusatzverluste der ASM 82 5.3.6 Das Muscheldiagramm der Käfigläufer-ASM 83 6 Die thermische Modellierung der E-Motoren 87 6.1 Allgemeines zu den thermischen Modellen der ASM und PSM 87 6.2 Die Berechnung der Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände 88 6.2.1 Die Wärmekapazitäten 89 6.2.2 Die Wärmewiderstände 90 6.2.3 Die Wärmewiderstände und -ströme im Ständer der ASM 90 6.2.4 Die Wärmewiderstände und -ströme im Rotor der ASM 92 6.2.4.1 Zusammenfassung der Wärmewiderstände der PSM und ASM 93 6.2.4.2 Thermische Simulationen der ASM und PSM 94 7 Das Energiemanagement 98 7.1 Allgemeines zum Energiemanagement für HEV 98 7.1.1 Betriebsstrategien und Optimierungsziele für das Energie management 99 7.1.2 Energiemanagementansätze für serielle HEV 100 7.1.3 Energiemanagementansätze für parallele HEV 102 7.2 Ein Energiemanagement zur Minimierung des Kraftstoff verbrauchs parallelerhybrider Antriebsstränge 102 7.2.1 Anforderungen und Ziele für das Energiemanagement 102 7.2.2 Die Analyse der Fahrzeuglängsdynamik 104 7.2.3 Der Optimierungsansatz 105 7.2.4 Randbedingungen 107 7.2.5 Die Umsetzung des Energiemanagements 108 7.2.5.1 Erkennung des Fahrzustands 108 7.2.5.2 Elektrisches Fahren 109 7.2.5.3 Der Zustand Hybridbetrieb 111 8 Die Simulation des Kraftstoffverbrauchs der HEV.114
IV Inhaltsverzeichnis 8.1 Zur makroskopischen Simulation des Kraftstoffverbrauchs der Hybridfahrzeuge P-HEV1 und P-HEV2 114 8.2 Das Hybridfahrzeug P-HEV1 115 8.3 Allgemeines zur Simulation des Kraftstoffverbrauchs der P-HEV 118 8.3.1 Die Korrektur für den Ladezustand SOC des P-HEV1 119 8.3.1.1 Die fiktive Entladung der Batterie am Beispiel des P-HEV1.119 8.3.1.2 Die fiktive Aufladung der Batterie am Beispiel des P-HEV 1 120 8.3.2 Die Aufnahmeleistung der Zusatzverbraucher 122 8.3.3 Der Kraftstoffverbrauch für Startvorgänge 122 8.4 Die Berechnung des Kraftstoffverbrauchs der konventionellen Kfz 122 8.5 Simulationsergebnisse für das P-HEV 1 123 8.5.1 Berechneter Kraftstoffverbrauch im NEFZ 123 8.5.2 Berechneter Kraftstoffverbrauch im UDDS-Zyklus 124 8.5.3 Berechneter Kraftstoffverbrauch im Japan-10-15-Zyklus 125 8.5.4 Berechneter Kraftstoffverbrauch im Highway-FET-Zyklus 126 8.5.5 Diskussion der Berechnungsergebnisse für den Kraftstoff verbrauch für das P-HEV 1 127 8.5.6 Die simulierte Erwärmung der PSM des P-HEV1 im Fahrzyklus. 130 8.6 Der Aufbau des Hybridfahrzeugs P-HEV2 133 8.7 Allgemeines zu den Simulationen des P-HEV2 135 8.8 Simulationsergebnisse für das P-HEV2 136 8.8.1 Berechneter Kraftstoffverbrauch im NEFZ 136 8.8.2 Berechneter Kraftstoffverbrauch im UDDS-Zyklus 137 8.8.3 Berechneter Kraftstoffverbrauch im Japan-10-15-Zyklus 138 8.8.4 Berechneter Kraftstoffverbrauch im Highway-FET-Zyklus 140 8.8.5 Diskussion der Simulationsergebnisse für das P-HEV2 141 8.8.6 Die simulierte Erwärmung der ASM des P-HEV2 im Fahrzyklus. 142 1 Die dynamischen Modelle des elektrischen Antriebsstrangs der HEV 146 9.1 Allgemeines zu den dynamischen Modellen des elektrischen Antriebsstrangs der HEV 146 9.2 Der Aufbau der dynamischen Simulationsmodelle 147
Inhaltsverzeichnis V 9.3 Das Batteriemodell 149 9.4 Der Wechselrichter 149 9.4.1 Die Ventile des WRs 149 9.4.2 Die Ansteuenmg des Wechselrichters 151 9.4.2.1 Die Aussteuerung des WRs im linearen Steuerbereich 152 9.4.2.2 Die Aussteuerung des WRs im Bereich der Übermodulation 153 9.4.2.3 Die Aussteuerung des WRs bei Grundfrequenztaktung 154 9.4.2.4 Simulierte WR-AusgangsSpannungen 156 9.4.3 Die Berechnung der WR-Verluste 157 9.4.3.1 Die IGBT-Durchlassverluste bei linearer Aussteuerung 157 9.4.3.2 Die IGBT-Durchlassverluste bei Grundfrequenztaktung 159 9.4.3.3 Die IGBT-Schaltverluste 159 9.4.3.4 Die gesamten Verluste der IGBTs 160 9.4.3.5 Die Durchlassverluste der Dioden bei linearer Aussteuerung 160 9.4.3.6 Die Dioden-Durchlassverluste bei Grundfrequenztaktung... 161 9.4.3.7 Die Dioden-Schaltverluste 161 9.4.3.8 Die gesamten Verluste der Dioden 161 9.4.3.9 Die gesamten WR-Verluste 162 9.4.3.10 Vergleich der berechneten mit gemessenen WR- Wirkungsgraden 162 9.4.4 Der WR-Zwischenkreis 164 9.4.4.1 Die Ladung des Zwischenkreiskondensators Czk- 165 9.4.4.2 Wechselrichterbetrieb 166 9.4.4.3 Berechneter Batteriestrom bei Variation der Kapazität Czk 167.. 9.4.5 Thermische Simulationen für den Wechselrichter zur ASM 172 9.5 Dynamische Modelle für die elektrischen Maschinen 174 9.5.1 Das dynamische Modell der PSM 174 9.5.2 Die Simulation des dreipoligen Kurzschlusses der PSM 176 9.5.3 Das dynamische Modell der ASM 178 9.5.4 Die Simulation des dreipoligen Kurzschlusses der ASM 181 9.5.5 Die Simulation der Belastung der ASM mitnennmoment 184 10 Abschlussbetrachtung 186
VI Inhaltsverzeichnis 11 Formelverzeichnis 189 11.1 Formelzeichen 189 11.2 Griechische Formelzeichen 193 11.3 Indizes 195 11.4 Griechische Indizes 201 11.5 Abkürzungen 201 12 Literaturverzeichnis 204 13 Anhang 213 13.1 Fahrzyklen 213 13.2 Technische Daten der Fahrzeuge 215 13.3 Weitere Bordnetzgeneratoren 215 13.4 Weitere verfügbare Verbrennungsmotoren 216 13.5 Geometrie- und Materialwerte zur Berechnung der Wärmewider stände und -kapazitäten des thermischen WR-Modells des WRs für die ASM 218 13.6 Geometriedaten für die Berechnung der PSM-Verluste 220 13.6.1 Daten zur Berechnung der Ummagnetisierungsverluste 220 13.6.2 Daten zur Berechnung der Stromwärmeverluste der PSM 221 13.6.3 Daten zur Berechnung der Magnetverluste der PSM 222 13.6.4 Gemessene Muscheldiagramme des PSM-Antriebs 222 13.6.5 Ersatzschaltbilddaten der PSM 224 13.7 Daten für die Berechnung der Verluste der ASM 224 13.7.1 Daten zur Berechnung der Stromwärmeverluste der ASM 224 13.7.2 Daten zur Berechnung der Ummagnetisierungsverluste 225 13.7.3 Gemessene Muscheldiagramme des ASM-Antriebs 225 13.7.4 Ersatzschaltbilddaten der ASM 227 13.8 Stoffwerte zur Berechnung der Wärmewiderstände und -kapazitäten der PSM und der ASM 227 13.9 Zur Berechnung der Wärmewiderstände des Ständers der ASM 228 13.10 Zur Berechnung der Wärmewiderstände des Rotors der ASM 231 13.11 Daten für den Wechselrichter 233
Inhaltsverzeichnis VII 13.12 Ergänzende Flussdiagramme zum Energiemanagement 234 13.12.1 Das Flussdiagramm für den Fafirzustand Rekuperaäon 234 13.12.2 Das Flussdiagramm für Verbrennungsmotorisches Fahren 236