Benchmarking von Hybridsystemen

Synergetische Prüfung, Simulation und Designbewertung

28. August 2017 | Engineering Service

FEV hat einen auf Benchmarking ausgerichteten System-Engineering-Ansatz entwickelt. Bei diesem Ansatz stellt die synergetische Kombination von Prüfung, Simulation und Designbewertung in der Konzeptphase von Entwicklungsprogrammen für hybride Fahrzeuge grundlegende Informationen bereit. Die vorgeschlagene Methode umfasst mehrere Ebenen – von der allgemeinen Fahrzeugarchitektur bis hin zur detaillierten Komponentenebene. 

Als Benchmarking-Beispiel wurde ein P2-Plug-in-Hybridfahrzeug im Hinblick auf Markteinschätzung, Antriebsstrang-Layout, Komponenten, Betriebsstrategie und eine zusätzliche Motorstart-Vorrichtung beurteilt. Für die Motorstart-Vorrichtung verspricht der vorgeschlagene Ansatz eine korrekte Marktpositionierung (hinsichtlich Komfort, NVH usw.) und die virtuelle Bestätigung der Fahrzeugziele.

Benchmarking eines P2-PHEV-SUV

Die Analyse des P2-PHEV-SUV auf Systemebene umfasst eine Prüfung auf der Straße und dem Rollenprüfstand, eine Systemsimulation und eine abschließende Designbewertung hinsichtlich Antriebsstrang-Layout, Komponenten und Betriebsstrategie. Bei dem gewählten Fahrzeug handelt es sich um einen derzeit auf dem europäischen Markt erhältlichen SUV mittlerer Größe mit einem P2-Hybrid-Layout.

Marktanalyse

FEV verfügt über eine umfassende Benchmarking-Datenbank. Je nach Konfiguration können verschiedene Parameter zur Beurteilung technischer Lösungen und zur Einschätzung von Markttrends miteinander verglichen werden. Obwohl die meisten OEMs P2-PHEV-Lösungen mit einer elektrischen Reichweite von 25 bis 40 Kilometern anbieten, kann im Hinblick auf P2-PHEV-SUVs beobachtet werden, dass nur wenige Fahrzeuge 50 Kilometer und damit die chinesische Subventionsgrenze erreichen. Aufgrund strengerer regulatorischer Einschränkungen und technologischer Verbesserungen der Batterien (Energiedichte und Kosten pro kWh) kann man jedoch von einer Steigerung der elektrischen Reichweite auf 70 bis 80 Kilometer in naher Zukunft ausgehen. Im Hinblick auf installierte elektrische Leistung positionieren sich die meisten OEMs derzeit im Bereich von 60 bis 100 kW, als eine Funktion von Markenidentität („sportlich“ ggü. „komfortabel“), Fahrzeugmasse und projizierter spezifizierter elektrischer Fahrleistung. Es wird ebenfalls eine Steigerung der installierten Leistung auf ca. 80 bis 110 kW als Funktion der Fahrzeugmasse erwartet. Hinsichtlich anderer Fahrzeugziele (z. B. Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit) und Referenzspezifikationen von Komponenten (z. B. Drehmoment der Elektromaschine, Batteriegröße, Leistung des Ladesystems) können ähnliche Schlussfolgerungen gezogen werden.

Fahrzeuganalyse

Beim Level 1-Benchmarking analysiert FEV echte Fahrzeuge im Hinblick auf Leistung und Kraftstoff-/Energieeffizienz. Diese Eigenschaften werden mithilfe minimaler, eingriffsfreier Prüfausrüstung im Rahmen standardmäßiger Benchmarking-Verfahren untersucht, einschließlich der Beurteilung der Beschleunigung von 0 auf 100 km/h, der Elastizität bei 50 bis 80 km/h und des Kraftstoff-/Energieverbrauchs in für sowohl die Gesetzgebung als auch Kunden relevanten Fahrzyklen.
Zusätzlich zum Abgleich mit Katalogwerten werden Standard-Fahrzyklen innerhalb wiederholbarer Grenzbedingungen zur Analyse und zum Vergleich der Auswirkungen verschiedener Antriebsstrang-Konfigurationen und der implementierten Energiemanagementstrategien verwendet.
Tatsächliche Fahrsituationen stellen ebenfalls Informationen zu Off-Cycle-Kraftstoffeffizienz, Stromverbrauch oder elektrischer Reichweite einerseits und der Kalibrierung von Fahrmodi je nach Batterie-Ladezustand und Streckenführungsinformationen andererseits bereit.

Antriebsstranganalyse

Bei der Level 2-Bewertung werden die Effizienz der Komponenten, Stromfluss und Betriebsstrategien analysiert.
Im ersten Fall wechselt die Schaltkupplung am Anfang in den Gleitmodus und die Geschwindigkeit des P2-Elektromotors wird leicht erhöht. Für die anschließende Beschleunigung des Verbrennungsmotors wird die Trennkupplung zwischen dem Verbrennungsmotor und P2 geschlossen und das P2-Drehmoment gesteigert, um den Verbrennungsmotor auf Zielgeschwindigkeit zu bringen, während die P2-Geschwindigkeit gleich bleibt. Nach der Beschleunigung des Verbrennungsmotors wird das Antriebsmoment des P2-Elektromotors zum Verbrennungsmotor übertragen, bevor die Schaltkupplung geschlossen wird. Bei Motorstart mit einem dedizierten Anlasser läuft der Elektromotor solange auf Spitzendrehmoment, bis der Verbrennungsmotor das Drehmoment des Elektromotors übernehmen kann. Der Anlasser startet den Verbrennungsmotor, der dann mit der Antriebswelle synchronisiert und verbunden wird, um das Drehmoment zu den Rädern zu bringen.
Diese Messungen werden beispielsweise für die Analyse und den Vergleich der Systemleistung im Hinblick auf Zeitaufwand, Startkomfort des Verbrennungsmotors und Auswirkungen auf die Hybrid-Betriebsstrategie verwendet. Die Vor- und Nachteile jeder Konfiguration werden in der FEV-Datenbank dokumentiert, die wichtige Informationen für das Systemdesign bereitstellt.
Im Verlauf der Studie hat FEV wiederholte Beschleunigungen des Fahrzeugs im elektrischen und hybriden Fahrmodus untersucht. Im ersten Fall kann das HV-System aufgrund des Vorhandenseins des Anlassers ohne erforderliche Drehmomentreserve für das Starten des Verbrennungsmotors auf Spitzenleistung arbeiten. Folglich ist die erste elektrische Beschleunigung aggressiv, allerdings beginnt die thermische Lastminderung bereist ab der zweiten Beschleunigungsprüfung.
Bei hybriden Beschleunigungen gibt es bei zehn wiederholten Beschleunigungen von 0 auf 100 km/h keinen messbaren Leistungsabfall des Systems. Der Elektromotor läuft bis zum kontinuierlichen Drehmoment hoch (keine thermische Lastminderung) und volle Lastperioden während den hybriden Beschleunigungen sind wesentlich kürzer als bei rein elektrischer Beschleunigung.
Generell stellen die Ergebnisse der Level 2-Benchmarking-Analysen wichtige Informationen für das Systemdesign in Bezug auf erreichbare Leistung je nach Komponentenspezifikationen und Steuerstrategie bereit.

Zeichnung - Benchmarking von Hybridfahrzeugen

Fahrzeugtypologie: P2-PHEV

Simulation

FEV verwendet den Level 1-Simulationsansatz in der Regel zur Unterstützung des Benchmarking von Elektrofahrzeugen hinsichtlich Energiemanagement, Komponentenbewertung und Analyse der Betriebsstrategie.

Der erste Schritt bei jeder Simulationsaktivität ist die Erfassung der Eingabedaten und die Modellvalidierung. Beim Benchmarking von Elektrofahrzeugen führt FEV diese Phase im Verlauf eines systematischen Ansatzes mit mehreren Schritten durch. Zunächst wird der Energieverbrauch an den Rädern während der Antriebs- und Bremsphasen bestimmt. Danach werden die Antriebsverluste im Hinblick auf Getriebewirkungsgrad und Ölerwärmung validiert. Die elektrischen Komponenten werden dann auf Basis der Zyklus-Zeitverläufe der während des elektrischen Fahrens gemessenen mechanischen und elektrischen Signale verifiziert. Abschließend werden der Verbrennungsmotor und die Nebenaggregate validiert. Im Rahmen der gemessenen Zyklen wird ein semi-empirisches Temperaturmodell für den Verbrennungsmotor eingerichtet und der Zeitverlauf des Kraftstoffverbrauchs wird mit den Messungen abgeglichen. Wenn keine Komponentenmessungen für Getriebe, Elektromaschine, Verbrennungsmotor oder HV-Batterie verfügbar sind, basiert die erste Map auf der erweiterten FEV-Datenbank und wird später zur Berücksichtigung der im Betrieb bei konstanter Geschwindigkeit gemessenen Verluste überarbeitet. Das Simulationsmodell wird mittels einer regelbasierten Betriebsstrategie gesteuert, die zur Widerspiegelung der Betriebspunkte des tatsächlichen Fahrzeugs parametrisiert ist. Das daraus resultierende Modell wird mit fünf Prozent der Zyklusgenauigkeit in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und Leistungszeit validiert.
Das Simulationsmodell wird zur Bewertung des Antriebsstrangs im Hinblick auf Leistung und Energieeffizienz, Komponentengröße, Technologiepakete und Betriebsstrategie verwendet.
FEVs Systemsimulations-Toolchain umfasst außerdem die mathematische Optimierung der Betriebsstrategie zusammen mit dem ausgewählten Fahrzyklus mittels diskreter dynamischer Programmierung (DDP).

Auswirkungen auf das Systemdesign

Während der Konzeptphase eines Entwicklungsprogramms für Hybridfahrzeuge müssen im Hinblick auf das Hybrid-Layout mehrere Details festgelegt werden. Je nach Integrationsaufwand, Kostenziel, Synergien mit anderen Plattformen und Anforderungen zu Startkomfort, Leistung, Effizienz oder Kaltstartfähigkeit muss die passendste Lösung definiert werden. Die Auswahlkriterien werden von einer dedizierten Messkampagne und Simulationsaktivitäten unterstützt.
Da der P2-Elektromotor den Motor starten kann, ist ein zusätzlicher Anlasser nicht unbedingt erforderlich. Wenn jedoch nur der P2 zum Motorstart verwendet wird, kann bei Hochlastbetrieb des Elektromotors entweder ein Beschleunigungsabfall während des Starts auftreten oder es muss eine Kraftreserve für den Start des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden. Diese Nachteile können mithilfe eines zusätzlichen Anlassers vermieden werden.
Die günstigste Anlassvorrichtung ist ein 12 Volt-Ritzelanlasser, der alle Anforderungen für einen zuverlässigen Motorstart und insbesondere den Kaltstart erfüllt. Riemengetriebene Vorrichtungen sind am besten zur Erfüllung der höheren Anforderungen zu NVH und Startkomfort sowie bei Szenarien in Bezug auf Meinungsänderungen geeignet. Riemengetriebene HV-Starter-Generatoren können je nach Verfügbarkeit der modularen Komponenten, maximaler Ausgangsleistung und Energiereserve der Hochspannungsbatterie ebenfalls geeignet sein.

Grafik - Benchmarking von Hybridfahrzeugen

Im Verlauf der Studie untersuchte FEV wiederholte Beschleunigungen des Fahrzeugs im elektrischen und hybriden Fahrmodus.

Grafik - Benchmarking von Hybridfahrzeugen

Da der P2-Elektromotor den Motor starten kann, ist ein zusätzlicher Anlasser nicht unbedingt erforderlich.

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