Intelligentes Plug-In-Hybridkonzept für Klein- und Mittelklassewagen

24. Oktober 2014 | Engineering Service

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs ist ein wichtiges strategisches Element zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen. Damit stellt sie einen wesentlichen Faktor für neue Technologien in der weltweiten Automobilindustrie dar. Die FEV hat ein kompaktes und kostengünstiges Hybridkonzept namens P-REX entwickelt, das auch in Kleinst- bis Mittelklassewagen eine erweiterte Anwendung des elektrischen Fahrbetriebs ermöglicht. Mit nur einem Elektromotor kann das kompakte, jedoch leistungsstarke Konzept so zwei elektrische Fahrmodi, zwei Parallelmodi und zwei CVT-Modi bereitstellen. Des Weiteren dient dieses System als Anfahrelement und erlaubt den Neustart des Verbrennungsmotors ohne zusätzlichen Anlasser.

Das P-REX-Plug-In-Hybridkonzept

Das P-REX-Getriebe besteht aus zwei Planetengetrieben (PGS1 & PGS2), zwei Kupplungen (C1 & C2), einer Bremse (B1) und einen Freilauf (OWC). Der einzelne Hybridelektromotor (EM) ist konzentrisch um das Getriebe positioniert. Das erste Planetengetriebe PGS2 dient zusammen mit der Bremse B1 und der Kupplung C1 als ein Zweiganggetriebe für den Verbrennungsmotor. Das zweite Planetengetriebe PGS2 dient zusammen mit der Überbrückungskupplung C2 als Leistungsverzweigung. Ein gleichmäßiger Übergang zwischen den zwei elektrischen Fahrmodi wird durch die im Getriebe installierte Freilaufkupplung erreicht. Dieser Übergang wird ermöglicht, indem mit nur einem Schaltelement gegen den Freilauf geschaltet wird, so dass immer die optimale Schaltqualität erzielt werden kann.

Niedrige Kosten, hohe Leistung

Um die Kosten für das Getriebe möglichst gering zu halten, können alle Kupplungen und die Bremse die gleiche Scheibengröße verwenden. Zudem sind beide Einritzelplanetengetriebe identisch und haben gleiche Übersetzungen. Insgesamt sechs verschiedene Betriebsmodi gewährleisten einen hohen Grad an Flexibilität: Dabei kann der elektrische Fahrbetrieb mit zwei verschiedenen Drehzahlen erfolgen, sodass der Elektromotor an sehr effizienten Betriebspunkten betrieben werden kann.

Für Autobahnfahrten können zwei Parallelmodi in verschiedenen Drehzahlbereichen genutzt werden, während zwei CVT-Modi den Start des Fahrzeugs im Hybridmodus ohne Anfahrelement ermöglichen. In diesem Anfahrbereich kann ein Boost-Start sogar mit einer leeren Hybridbatterie durchgeführt werden.

Bestimmung der Hybridstrategie und Einfluss des Kraftstoffverbauchs

Die hohe Flexibilität des P-REX-Getriebes mit zwei Parallel-, zwei CVT- und zwei elektrischen Fahrmodi erfordert eine sorgfältige Auslegung der Schaltstrategie, um den Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Dies wurde mithilfe einer Analyse in einer detaillierten Fahrzeugsimulation realisiert. Das verwendete Simulationsmodell geht von einem 4-Zylinder-1.6 l-Ottomotor und einem E-Motor mit einer Spitzenleistung von 82,5 kW und einer Höchstdrehzahl von 7.000 U/min in einem Standardkleinwagen aus. Zur Vereinfachung wurde der Wirkungsgrad des Wechselrichters konstant auf 97 Prozent gesetzt.

Die Ergebnisse zeigen den Energieverbrauch im Betriebskennfeld des Fahrzeugs in den vier zur Verfügung stehende Fahrmodi mit Verbrennungsmotor. Dabei finden beide Antriebsquellen – Verbrennungsmotor und Elektromotor – Beachtung. Der Elektromotor kann sowohl im Lade- als auch im Boost-Modus sein, je nach angefragter Systemleistung.

Um die Parameter zu bestimmen, welche die Strategie zur Umschaltung vom elektrischen Antrieb auf den Hybridantrieb und umgekehrt definieren, setzte die FEV ihr TOPexpert PROcal-Toolset in Kombination mit der Fahrzeugsimulation ein. Anhand eines Satzes von Randbedingungen für jeden Parameter definiert PROcal ein DoE-basiertes Modell sowie entsprechende Validierungspunkte. Zu diesen Punkten berechnet die Fahrzeugsimulation den Kraftstoffverbrauch in einem ausgewählten Fahrzyklus – in diesem Fall dem NEFZ. Mit diesen Grenzwerten erreicht das Fahrzeug im NEFZ einen Kraftstoffverbrauch von nur 4,9 l/100 km bei ausgeglichener Ladebilanz. Das gleiche Fahrzeug mit herkömmlichen Antriebsstrang und manuellem Getriebe hat einen NEFZ-Kraftstoffverbrauch von 6,7 l/100 km. Daher ist mit dem P-REX-Konzept eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von beinahe 27 Prozent erzielt worden.

Das Entwicklungsteam ist zuversichtlich, dass P-REX dem Entwicklungsprozess und der Integration von Hybridantrieben in Kleinstwagen bis Mittelklassewagen einen beträchtlichen Vorteil verschaffen wird. Ein dem P-REX-Konzept sehr ähnliches Getriebe ist bereits mit vielversprechenden Ergebnissen in einem Demonstrationsmodell realisiert und erprobt worden.

Schemazeichnung des P-REX-Getriebes

Schemazeichnung des P-REX-Getriebes

Energiefluss in  verschiedenen Hybridmodi des P-REX-Getriebes

Energiefluss in
verschiedenen Hybridmodi des P-REX-Getriebes

Parameteroptimierung durch FEV TOPexpert PROcal

Parameteroptimierung durch FEV TOPexpert PROcal

 

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