Simulation von Energieverbrauch und CO2-Emissionen alternativer Fahrzeugantriebssysteme unter realen Bedingungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer analytischen Berechnung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen mit elektromechanischen Antriebssystemen unter realen Bedingungen. Die dafür erstellten "Tank to Wheel" Echtzeitsimulationsmodelle wurden anhand von Real-world Messdaten unter Berücksichtigung tatsächlicher Fahrbedingungen, wie Stadtverkehr, Überland und Autobahn sowie unter Einbeziehung der insbesondere im Stadtverkehr wichtigen Nebenverbraucher bei verschiedenen Witterungsbedingungen validiert.<br />In einleitenden Forschungsarbeiten wurden detaillierte Antriebsstrangdaten sowie Real-world Messungen von Fahrzeugen mit Power-Split Hybridantriebsystemen analysiert. Untersucht wurden die Versuchsfahrzeuge als Gesamtsystem, also das Zusammenspiel aller einzelner Aggregate und Nebenverbraucher im realen Straßenverkehr in sämtlichen Leistungsbereichen, was bei konventionellen Messmethoden nur beschränkt möglich wäre. Die daraus gewonnenen Messdaten wurden aufwändig ausgewertet um den Energieverbrauch über die Geschwindigkeit, Zugkraft und effektive Antriebsleistung der Versuchsfahrzeuge darzustellen. Aus diesen Kennfelddaten konnten analytische Beschreibungen des Antriebstrangs abgeleitet werden. Diese basieren auf der Linearisierung des Kraftstoffverbrauchs in Abhängigkeit vom Drehmoment für eine bestimmte Drehzahl. Als mathematische Funktionen stellen diese Willanslinien den Massenstrom des Kraftstoffs über der mechanischen Ausgangsleistung, dem effektiver Mitteldruck oder dem Drehmoment bei konstant gehaltener Drehzahl dar. Darauf aufbauend wurde ein längsdynamisches physikalisches Simulationsmodell für Hybridfahrzeuge in entsprechender Computerumgebung erstellt, welches in Echtzeit den Fahrleistungsbedarf simuliert und die Verbrauchsergebnisse hoch zeitaufgelöst berechnet. Die Modelle ermöglichen somit bei entsprechender Parametrisierung den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen von Fahrzeugen in einem beliebigen Fahrzyklus vorauszuberechnen. Abschließend erfolgte eine Validierung der Berechnungsergebnisse mit On-board Verbrauchs- und Emissionsmessungen unter typischen realen Fahr- und Umweltbedingungen.<br />

This research focuses on an analytical calculation of the energy consumption and CO2 emissions of passenger cars with electromechanical propulsion system under real-world conditions. The scientific methodology relies on real-time simulation models validated by tank-to-wheel measurements accomplished in urban and extra urban areas as well as on freeways. Valuable data can be collected through the measurement of a vehicle's performance in real traffic under different weather conditions evaluating the important influence of auxiliary systems.<br />In preliminary research projects, complete powertrain data and real-world measurements of vehicles with power-split hybrid system have been analyzed. The powertrains were investigated globally, which includes the interaction of all auxiliary systems and aggregates at real traffic conditions over the whole power range. Conventional measuring methods enable such an analysis only with certain limitations. The gathered data were evaluated and analyzed to plot the energy consumption over the vehicle velocity, traction force and power output of the experimental vehicles. From these performance data an analytical characterization of the powertrain could be derived. The analytical functions are based on the linearization of fuel consumption according to torque output for a certain engine speed. As mathematical functions these Willans lines describe the fuel mass flow over the mechanical power output, brake mean specific pressure or torque at constant engine speed.<br />Based on this methodology, a longitudinal vehicle dynamics simulation model was developed for hybrid vehicles in a corresponding computer environment. The model simulates in real-time the traction power demand and calculates with high time resolution the consumption results for real-world operating conditions. This allows predicting with corresponding parameterization the energy consumption and CO2 emissions of hybrid vehicles for any driving route.<br />Finally a validation of the calculation results was carried out with on-board fuel consumption and emission measurements under typical real-world driving and environmental conditions.