Mathematische Modellbildung und Simulation zur Ableitung von Lastkollektiven in Antriebssträngen von Hybridfahrzeugen

Abstract

Aufgrund des weltweit steigenden Energiebedarfs und der Ressourcenverknappung sieht sich die Automobilindustrie mit der Herausforderung der Entwicklung alternativer Antriebskonzepte konfrontiert, wobei hybride Antriebsstränge eine Ausprägung derartiger Ansätze darstellen. Im Fahrzeugentwicklungsprozess stellt die Prognose von Bauteilbelastungsstatistiken - die so genannten Lastkollektive - einen etablierten und entscheidenden Schritt dar, um diese Bauteile in einem frühen Stadium bezüglich der Randparameter Haltbarkeit, Gewicht, Kosten und Effizienz auszulegen oder zu optimieren. Gerade die Vielfalt an Belastungszuständen in Hybridfahrzeugen impliziert neuartige Anforderungen an Bauteile im Triebstrang. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der simulativen Ableitung von Lastkollektiven der Triebstränge zukünftiger Hybridfahrzeugkonzepte mithilfe mathematischer Modellbildung. Im Speziellen werden zwei Ansätze - die Vorwärts- und die Rückwärtssimulation - untersucht. Diese Methoden haben sich für konventionelle Fahrzeuge als zielführend erwiesen und sollen für den Einsatz im Zuge der spezifischen Forschungsfrage dieser Arbeit für hybride Triebstränge neu bewertet und umfangreiche Realisierungsmöglichkeiten und Modellierungsansätze dargelegt werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der Vorwärtssimulation, wobei die physikalische Abbildung des Fahrzeugs, die Fahrzeugsoftware und der virtuelle Fahrer die drei Hauptkomponenten des Modells darstellen. Das physikalische Fahrzeugmodell setzt sich aus Strukturmodellen variablen Detaillierungsgrades zusammen, wobei das Hauptaugenmerk auf der Abbildung der Triebstrangkomponenten liegt. Die Auswahl der implementierten Fahrzeugsteuerungsfunktionen hängt wesentlich von der Formulierung des Simulationsziels, also der Festlegung der zu prognostizierenden Lastkollektive, ab. Diese Arbeit bietet verschiedene Ansätze der Abbildung von Software, wie etwa der Getriebesteuerung und der Betriebsstrategie inklusive der Momentenstruktur und der Wiederstartlogik. Der virtuelle Fahrer ist ein Regler, welcher das Fahrzeug unter Einfluss verschiedener äußerer Faktoren führt. Es werden verschiedene Typen der Fahrernutzung abgebildet, wobei der "Menschlichkeit" der generierten Stellgrößen besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Eine geeignete Streckenprofilaufbereitung zur Ableitung von Solltrajektorien aus Referenzmessungen ist ein, der Simulation vorangehender entscheidender Berechnungsschritt. Eine Verifikation erweist die gewählten Modellierungsmethoden und -tiefen als zielführend.

As the worldwide demand for energy is increasing, the automotive industry is challenged finding alternative power train concepts like hybrids. Therefore the prediction of load spectrum data for designing or optimizing components in an early development stage - regarding durability, weight, costs and efficiency - is an essential an established part of any car development. Especially the diversity of load cases in hybrid vehicles implies novel demands on the components of the power train. This dissertation discusses the simulative load spectra of prospective vehicle hybrid power trains by means of mathematical modelling. The two known approaches - forward and backward simulation will be investigated. Both of them have been proven to be useful for conventional vehicles and their application will be re-evaluated regarding the specific research thesis of this dissertation - by means of presenting multiple possibilities of realization and modelling approaches. The focus lies on investigating the forward simulation, consisting of the three subcomponents: the physical model of the vehicle, vehicle software and the virtual driver. The physical vehicle model consists of structure models with variable levels of detail focusing on the power train components. The variety of implemented vehicle software basically depends on the targets of simulation, particularly the definition of the load spectra to be calculated. Several methods of mapping vehicle software like the gearbox control and the driving strategy including torque control and restart logic are offered in this dissertation. As last part the virtual driver is a regulator driving the vehicle according to influences arriving from different external factors. Various user types can be reproduced including the 'human factor' of the actuating variables and analyzed afterwards. An essential calculation step prior the simulation itself is the creation of derivatives from reference measurement data for a desired trajectory. The verification proves the chosen modelling methods and depths to be constructive.