Analysis and optimization of a hydraulic hybrid vehicle with numerical simulation methods

Abstract

Hydraulische Hybridfahrzeuge (HHV) benutzen einen geschlossenen Hydraulikkreislauf mit einer oder meheren hydraulischen Maschinen und einen Gas-Akkumulator angebungen, um die Bremsenergie zu speichern und sie als eine alternative Energiequelle zum Vebrennungsmotor zu nutzen. Niedrigere Kosten der Komponenten als diejenigen von den elektrischen Hybridfahrzeugen (HEV), sowohl als eine sehr hohe Leistungsdichte des hydropneumatischen Druckspeicher karakterisieren HHVs als eine optimale Lösung, um einen hohen Anteil der Bremsenergie zu speichern. Bis jetzt, wurden alle HHV mit einer seriellen oder parallelen Konfiguration ausgestattet. Das power-split (leistungsverzewigte) Konfiguration des HHV, das in dieser Diplomarbeit modelliert wird, kombiniert die Vorteile dieser Konfiguration mit dem geeigneten Einsatz dieser Fahzeugen bei Stadtverkehr. Der Hauptvorteil der power-split Hybridfahrzeugen ist die Fähigkeit den Verbrennungsmotor am effiziensten Punkt zu betreiben. Dies wird dank der zwei hydraulischen Maschinen (Pumpe und Motor) und den Verbrennungsmotor, die mittels einen Planetengetriebe gebunden sind, und die Funktion eines CVT-Getriebe auszuführen. Ziel ist die Göße der hydraulischen Komponenten des Antriebstrangs (Pumpe, Motor und Druckspeicher) zu optimieren, um den Kraftstoffverbrauch beim NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) zu minimieren. Gleichzeitig muss das HHV die hohe Beschleunigungen des US06 -Fahrzyklus problemlos fahren können. Obwohl am Anfang hydraulischen Maschinen mit einer ähnlichen Leistung wie die von den elektrischen Maschinen vom Toyota Prius erster Generation einzusetzen geplant war, ist der Hubraum der Pumpe das beschräankende Parameter dieser Maschinen, sodas letzendlich hydraulischen Maschinen mit einer höheren Nominalleistung angewendet warden. Solche Leistungen werden aber nicht bei den Simulationen erreicht. Wichtige Parameter, die dank Simulationen auch optimisiert wurden, sind, unter Anderem, die Steuerung des Ladezustades vom Druckspeicher, die Verwendung des regeneratives oder Reibungsbremsen, oder die Dimensionierung aller Getriebe des Antriebstrangs. Unter bestimmten Bedingungen, wenn power-split Hybridfahrzeugen mit hohen Geschwindigkeiten fahren, arbeiten hydraulischen Maschinen mit der invertierter Richtung (pumpen statt antreiben, und umgekehrt). Diese Situation verursacht eine verringerung des gesamten Wirkungsgrades vom Antriebstrang und erhöht den Kraftstoffverbrauch zu höheren Niveaus als die von vergleichbaren konvetionellen Fahrzeugen. Dieses Phänomen kann mit einer Begrenzung der Drehzahl der hydraulichen Maschinen abgeschwächt, aber nicht beseitigt werden. Unter diesen Bedingungen, kann das HHV im Vergleich zu einem konventionellen Farzeug den Verbrauch um mehr als ein Drittel beim NEFZ senken. Beim US06-Zyklus ist diese Reduktion wegen der geringeren Anzahl von Bremsverfahren deutlcih kleiner. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Vorteile, die das HHV anbietet, am besten beim Stadtverkehr genonmmen werden.

Hydraulic hybrid vehicles (HHV) use a hydraulic circuit with one or more hydraulic machines and a gas to store the braking energy and use it as an alternative power source to the internal combustion engine (ICE). HHVs are characterized by a lower cost of the components than the ones from the hybrid electric vehicles, as well as by the high power density of the hydro-pneumatic accumulator, which makes it capable of recuperating a high percentage of the braking energy. Until now, all the developed HHVs have had a series or parallel configuration. The power-split HHV modelled in this project tries to combine the advantages from this type of this hybrid arrangement with the suitable use of the HHVs for urban driving. The main advantage of the power-split hybrids is the ability of setting the ICE into its most efficient point, due to the CVT function of the two hydraulic machines, called Pump and Pump/Motor, and the engine connected to a planetary gear set. The size of hydraulic machines is optimized in order to save as much fuel as possible in the NEDC, which is the standard European test to assess the fuel consumption, and, at the same time, being able to drive correctly the US06 cycle, which is distinguished by high accelerations and speeds. Although being the initial objective to select hydraulic machines with a similar nominal power to the electric machines of the Toyota Prius 1st generation, the restricting parameter of these machines is the maximal displacement, so that the implemented ones count with a higher power limit, even if those values are never reached. Other important empirically optimized parameters are involve the control of the state-of-charge of the accumulator, the use of regenerative or friction braking or the gear rates to keep the speeds of the machines within the wanted range. In some situations, when power-split hybrids drive at high speeds, hydraulic machines work the inverse way they should (pumping instead of motoring, and vice versa), dismissing the efficiency of the overall power train and making the fuel consumption higher than the one of a conventional vehicle. Although, it does not solve the problem, by limiting the speeds of the hydraulic machines this behaviour can be enhanced. With these conditions, the HHV is able to cut the fuel consumption of the conventional vehicle by more than a third in the NEDC. In the US06 cycle the fuel consumption is also lower, but the difference is minimal due to the little number of braking events. These results show that the HHV has its best usage in urban driving and in vehicles, whose service involves frequent braking events.