Vehicle modelling for the simulation of energy consumption and CO2-emissions in a real-world driving

Abstract

Simulationen sind ein gutes Werkzeug zur Vorhersage von Ausgangsgrößen unter verschiedenen Bedingungen. Das im Rahmen dieser Arbeit angefertigte Simulationsmodel berechnet den Energieverbrauch, sowie die CO2-Emissionen, eines Plug-in Hybrid Electric Vehicle. Die Besonderheit dieses Models ist, dass die Antriebseinheit nicht modelliert wurde, sondern eine Black Box die erforderliche Antriebskraft zur Verfügung stellt. Der Energieverbrauch wird anschließend über vereinfachte, lineare Gleichungen berechnet. Diese Gleichungen trennen den Verbrauch dabei in einen zeitabhängigen Term und einen leistungsabhängigen. Diese Aufteilung ist wichtig bei der Simulation von Realfahrten, da somit Nebenverbraucher, die permanent mitlaufen und nicht von der Fahrleistung abhängen, richtig abgebildet werden können. Ein Vergleich mit einem alternativem Modell, welches mit Look-up Tabellen arbeitet, zeigt den Vorteil dieser Aufspaltung. Die Simulationen zeigen, dass der Einfluss der zeitabhängigen Nebenverbraucher bei Fahrten mit geringerer Durchschnittsgeschwindigkeit oder im elektrischen Antriebsmodus größer wird. Die Simulationen zeigen auch, dass der Energieverbrauch am Fahrzeug und der CO2-Ausstoß in elektrisierten Antriebsmodi verringert werden kann. Es darf jedoch nicht außer Acht gelassen werden, dass diese Simulation ausschließlich den Fahrbetrieb untersucht und keine Lebenszyklusanalyse bietet, sowie dass ein Fahrzeug in verschiedenen Betriebsmodi simuliert wurde und kein Vergleich verschiedener Fahrzeuge gleicher Klasse mit unterschiedlichen Antriebseinheiten verglichen wurde.

Simulations can help to predict results without a big effort. In this thesis a vehicle model was built to simulate the energy consumption and the CO2-emission of a Plug-in Hybrid Electric Vehicle. The vehicle was operated in different environmental settings and drive modes using more electric energy or fuel. The speciality of this model is a black-boxed power train, which is assumed to provide any possible driving force. The energy consumption is calculated with simplified linear equations, that considers time-depending consumptions, as well as power-depending consumptions. This separation is important for real-world drive simulations because auxiliary power consumers need energy all the time, independent of the distance driven. A comparison to an alternative model working with look-up tables show the advantages of this separation. The results show that auxiliary power consumers have a bigger influence on slower traffic and while driving with the electric motor. The simulations also show that driving in the all-electric mode can save energy on the vehicle and reduce the CO2-emission. But it doesn’t consider the whole life cycle nor a comparison between different vehicles of the same type with different power train electrifications.