Entwicklung von Betriebsstrategien für 48 Volt Hybridfahrzeuge

Abstract

In the presented thesis, an existing simulation model of a 48 volt hybrid vehicle of the compact car category with a multi-point fuel injection engine (MPFI) in GT-SUITE was adapted in consideration of the specific tasks of a P0 hybrid. Subsequently the simulation model of the P0 hybrid was transformed into the simulation model of the P2 hybrid. For both hybrid topologies, different energy management strategies with the operating objectives of reducing fuel consumption and reducing particle number emissions were developed and implemented in the simulation models. The energy management strategy of the P0 hybrid is a rule-based energy management strategy. For the P2 hybrid, an optimization-based energy management strategy was developed. The two different energy management strategies were designed in consideration to vary the weighting of the energy management strategy between the two operating objectives. In addition to the simulative determination of fuel consumption by means of the simulation models, a particle number emission model was developed. The simulation models and the particle number emission model were validated for the relevant operating range, based on measurement data which was determined on the engine test bench. After the modelling and the development of the energy management strategy, there were cold start and warm start investigations with the models of the P0 and the P2 hybrid performed, using the Worldwide Harmonized Light Duty Test Cycle (WLTC). For both hybrid topologies, parameters that affect the weighting of the energy management strategy were varied. The objectives of the investigations are to demonstrate the trade-off behaviour between the reduction of fuel consumption and the reduction of the particle number emissions and the potential of a P2 hybrid compared to a P0 hybrid. It is shown which influence has a cold or a warm condition of the internal combustion engine at the beginning of the test cycle on the potentials to reduce the fuel consumption and to reduce the particle number emissions, respectively for the P0 hybrid and the P2 hybrid. For these investigation, different variants of the weighting of the energy management strategy for the different hybrid topologies were considered. Finally, the two hybrid topologies were compared with each other in terms of reducing fuel consumption and reducing particle number emissions respectively for a cold and a warm start of the combustion engine.

In der vorliegenden Arbeit ist ein vorhandenes Längsdynamikmodell eines 48 Volt Hybrid-Fahrzeuges der Kompaktklasse mit einem saugrohreinspritzenden Ottomotor (MPFI) in GT-SUITE an die spezielle Aufgabenstellung in einem P0-Hybrid adaptiert worden. Anschließend erfolgte der Umbau des Längsdynamikmodells des P0-Hybrid zu einem P2-Hybrid. Für beide Topologien sind unterschiedliche Betriebsstrategien mit den Betriebszielen Absenkung des Verbrauchs sowie Absenkung der Partikelanzahlemissionen entwickelt und in die Längsdynamikmodelle implementiert worden. Bei der Betriebsstrategie des P0-Hybrid handelt es sich um eine regelbasierte Betriebsstrategie. Für den P2-Hybrid ist eine optimierungsbasierte Betriebsstrategie entwickelt worden. Die beiden verschiedenen Betriebsstrategien sind dahin gehend entworfen worden, dass sie die Möglichkeit zur unterschiedlichen Gewichtung jeweils für Absenkung des Verbrauches sowie Absenkung der Partikelanzahlemissionen besitzen. Zusätzlich zur simulativen Ermittlung des Kraftstoffverbrauches mittels der Längsdynamikmodelle ist ein Partikelanzahlmodell mithilfe der Software MATLAB-Simulink entwickelt worden. Die Längsdynamikmodelle und das Partikelanzahlemissionsmodell wurden für den relevanten Betriebsbereich anhand von Messdaten, welche am Motorenprüfstand ermittelt worden sind, abgestimmt. Im Anschluss an die Modellbildung und die Entwicklung der Betriebsstrategie wurden mit den Modellen des P0-Hybrid und des P2-Hybrid jeweils Kaltstartund Warmstartuntersuchungen anhand des Worldwide Harmonized Light Duty Test Cycle (WLTC) durchgeführt. Bei beiden Hybridtopologie wurden Parameter, die die Gewichtung der Betriebsstrategie beeinflussen, variiert. Die Ziele der Untersuchungen sind das Trade Off Verhalten zwischen der Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und der Reduktion der Partikelanzahlemissionen und das Potential eines P2-Hybrid gegenüber einem P0-Hybrid aufzuzeigen. Es wird anhand der Kaltund Warmstartuntersuchungen erläutert, welchen Einfluss ein kalter bzw. betriebswarmer Zustand des Verbrennungsmotor am Beginn des Fahrzyklus auf die Potentiale zur Absenkung des Kraftstoffverbrauchs und zur Absenkung der Partikelanzahlemissionen jeweils des P0- und des P2-Hybrid haben. Dabei sind für die jeweilige Hybridtopologie verschiedene Varianten der Gewichtung der Betriebsstrategie betrachtet worden. Abschließend erfolgt ein Vergleich zwischen den beiden Hybridtopologien hinsichtlich der Reduktion des Kraftstoffverbrauches und der Absenkung der Partikelanzahlemissionen sowohl für den Kaltals auch den Warmstart.