Vergleich und Optimierung verschiedener Hybridfahrzeugkonzepte mittels eines erstellten Simulationsmodells in Dymola

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein möglicher Weg zur Auswahl eines bestmöglich geeigneten Forschungsfahrzeuges zur Darstellung eines Hybridantriebsstrangs aufgezeigt. Bedingt durch das Zusammenspiel mehrerer Antriebskomponenten in einem Hybriden, gibt es eine sehr große Anzahl von Variationsparametern, die das Verhalten des Fahrzeuges beeinflussen. Als erster Schritt zur Einschränkung dieser Parameter wird eine Markt-, Literatur- und Patentrecherche durchgeführt. Die Recherchen zeigen übereinstimmend einen Trend zu Sport Utility Vehicles (SUV), die als Parallel- oder Mischhybrid ausgeführt sind, auf. Aufbauend auf die Ergebnisse dieser Recherchen wird in weiterer Folge eine Simulationsumgebung geschaffen, deren Ziel es ist, unterschiedliche Hybridantriebsstränge zu simulieren und verschiedene Betriebsstrategien zur Verbrauchsreduktion zu entwickeln. Für diesen Zweck wird das Simulationssoftwarepaket Dymola ausgewählt und eine umfassende Modellbibliothek darin aufgebaut. Mit der entwickelten Modellbibliothek, in der unterschiedliche Hybridantriebsstränge und ebenso ein konventioneller Antriebsstrang dargestellt sind, ist es möglich, vergleichende Simulationen zwischen den unterschiedlichen Antriebssträngen anzustellen. Diese Berechnungen verfolgen das Ziel für das ausgewählte Fahrzeug - ein leistungsstarkes SUV - eine Komponentenvorauswahl zu treffen und das Potenzial in Bezug auf Fahrleistung und Verbrauch aufzuzeigen. Die Variation der Aggregate zeigt, dass durch das Zusammenspiel eines Downsizing-Konzeptes und des Hybridbetriebes ein erhebliches Verbrauchseinsparpotenzial genutzt werden kann. Verglichen werden hierbei sowohl Diesel- als auch Ottomotorisierungen, Elektromotoren unterschiedlicher Leistungen und unterschiedliche Energiespeicher. Die Variation der Aggregate weist einen Hybridantriebsstrang mit zwei Elektromotoren und einer leistungsstarken Ottomotorisierung als die bezüglich Fahrleistungen überlegene Variante aus. Durch die Hybridisierung und der Verfolgung des Downsizing-Konzeptes ist es trotz des deutlich besseren Beschleunigungsvermögens möglich, im Vergleich zum konventionell betriebenen Referenzfahrzeug einen Minderverbrauch in den standardisierten Fahrzyklen bei ausgewogenem Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zu erzielen. In anschließenden und über den Rahmen dieser Arbeit hinausgehenden Projekten wird der Antriebsstrang auf einem Prüfstand dargestellt und nach erfolgreicher Erprobung in einen Forschungsträger implementiert.<br />

This paper illustrates one possibility for selecting a vehicle for implementing a hybrid power train. Due to the fact that different components on traction interact in a hybrid electric vehicle, a large amount of variation parameters exist. To restrict these parameters, a market as well as a literature and patent survey were made. The surveys point to the trend of working on Sport Utility Vehicles (SUV) which are designed as parallel or split hybrids. Based on these results a simulation tool for simulating various power trains with different operating strategies has been developed. A simulation model library was created which contains three different hybrid power trains and the powertrain of a conventional vehicle for comparing the hybrid power trains to a benchmark and for validating the simulation model. The target of the simulation work is to illustrate the potential for improving the driving performance in relation to the benchmark by having a better fuel consumption in different driving cycles. As a variation of the hybrid drive trains and the implemented components show, a drivetrain with a downsized internal combustion engine in interaction with two induction machines has the potential to improve the driving performance with regard to full load accelerations. Furthermore this powertrain has a better fuel consumption in standardized driving cycles when the state of charge of the electric storage system is balanced. The following steps will be the optimization of the different components and the operating strategy with the help of a hardware in the loop test bench.