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IndustrIe HyBriDANTriEBE
SimulationSumgebung
zur analySe verSchiedener
Hybridantriebs-Konfigurationen
Der Antriebsstrang muss Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen
gerecht werden und gleichzeitig wirtschaftliche Gesichtspunkte sowie Kundenerwartungen erfüllen.
Neue Konzepte mit mannigfaltigen Topologien rücken in den Fokus der Entwicklung und erhöhen
die Freiheitsgrade, aber auch den Analyseaufwand. Eine von Bertrandt neu entwickelte Simulations-
umgebung ermöglicht es, frühzeitig verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen zu analysieren.
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AuTorEN
dr.-Ing. olIver maIwald
ist Teamleiter Powertrain
in der Bertrandt ingenieurbüro
GmbH in Neckarsulm.
dIpl.-Ing. pamphIle poumbga
ist Entwicklungsingenieur
Powertrain-Applikation und
Simulation in der Bertrandt
ingenieurbüro GmbH
in Neckarsulm.
dIpl.-Ing. rene regeIsz
ist Entwicklungsingenieur
Powertrain-Applikation und
Simulation in der Bertrandt
ingenieurbüro GmbH
in Neckarsulm.
dIpl.-Ing. matthIas rühl
verantwortet den
Fachbereich Powertrain im
Bertrandt-Konzern in Ehningen.
KombInatIon moderner
entwIcKlungswerKzeuge
Effiziente und effektive Technik reduziert
Kosten, Zeit und Aufwand des Entwicklungsprozesses.
Nur durch die Kombination
moderner Entwicklungswerkzeuge
und technischem Know-how kann das
herausfordernde Ziel von niedrigeren Emissionen
und geringerem Kraftstoffverbrauch
bei adäquater Motorleistung und Fahrspaß
erreicht werden.
In diesem Spannungsfeld entwickelte
der Bertrandt-Konzern eine Simulationsumgebung,
um frühzeitig verschiedene
Antriebsstrangkonfigurationen zu analysieren.
Die Intention ist es, unterschiedliche
Maßnahmen quantitativ und qualitativ zu
bewerten, und dabei Zusatzinformationen
wie Navigations- oder Verkehrsdaten einzubeziehen.
Als Folge dieser Analysefunktionalität
der verschiedenen Antriebsstrangkonfigurationen
auf Basis von
Kraftstoffverbrauch, CO 2 - und Schadstoffemissionen
werden die Konzept- und
Serienentwicklungsprozesse zielführend
unterstützt.
aufbau der sImulatIon Im
antrIebsstrangmodell
Die Simulationsumgebung „Virtueller
Antriebsstrang“, 1, basiert auf Matlab/
Simulink. Einzelne Komponenten des
Antriebsstrangs sind in Teilmodellen dargestellt
und über Schnittstellen miteinander
verknüpft. Das modular aufgebaute
Gesamtmodell gewährleistet die Modifizierung
von Teilmodellen, ohne dadurch
andere Modelle zu beeinflussen.
Das Gesamtmodell ist als zeitdiskrete
Rückwärtssimulation konzipiert. Das
heißt, die Fahrzeuggeschwindigkeit wird
durch Vorgabe eines Geschwindigkeitsprofils
wie zum Beispiel NEFZ, FTP75, US06
oder Hyzem bestimmt. Über die Sollgeschwindigkeit
des Fahrzeugs werden die
vom Antriebsstrang aufzubringende Leistung,
der Kraftstoffverbrauch, die Abgasemissionen
und die Betriebspunkte des
Verbrennungsmotors berechnet.
grafIsche bedIenoberfläche
Die Schnittstelle zwischen Benutzer und
Simulationsumgebung ist eine grafische
Oberfläche, über die die Antriebsstrangkonfiguration
parametriert (siehe nächster
Abschnitt „Modelle im Detail“) und der
Simulationsablauf gesteuert wird. Nach
Beendigung der Simulation werden alle
Ergebnisgrößen wie zum Beispiel Motorleistung,
Kraftstoffverbrauch und Mitteldruck
in Dateiform gespeichert und grafisch
visualisiert.
modelle Im detaIl
Die Beschreibung der Fahrzeugumgebung
besteht hauptsächlich aus Informationen
wie Fahrbahnsteigung, Luftfeuchte, Umgebungsdruck
und Lufttemperatur. Diese
Angaben sind für die Berechnung der Fahrwiderstände
erforderlich.
fahrzyKlus
Als erstes Glied der Berechnungskette
legt der Fahrzyklus die Sollgeschwindigkeit
zeitlich fest. Die Vorgabe eines zeitlich
definierten Fahrprofils bietet eine
Basis für den Vergleich von Kraftstoffverbrauch
und Schadstoffemissionen verschiedener
Fahrzeuge beziehungsweise
Antriebsstrangtopologien.
Da die Fahrzeughersteller gesetzlich
an die Kraftstoffverbrauchsermittlung
in vordefinierten Fahrzyklen gebunden
sind, bilden diese zugleich die Grundlage
für die Antriebsstrangsimulation. Standardmäßig
sind in der Simulationsumgebung
die wichtigsten gesetzlichen Fahrzyklen
wie NEFZ, FTP75, US06 sowie spezifische
Zyklen wie Hyzem oder Artemis
berücksichtigt. Zusätzlich können eigene
Geschwindigkeitsprofile integriert
werden.
fahrermodell
Die Sollgeschwindigkeit bildet die Eingangsgröße
des Fahrermodells. Durch
die Regelung der vom Fahrzeug geforderten
Antriebsleistung versucht das als
PI-Regler entwickelte Fahrermodell die
Ist-Geschwindigkeit der Sollgeschwindigkeit
anzupassen. Hierdurch werden Über-
und Unterschreitungen realitätsnah abgebildet,
2. Um einen Fahrereinfluss auf
das Abgastestergebnis auszuschließen
oder verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen
direkt miteinander vergleichen
zu können, kann die Geschwindigkeitsvorgabe
im Fahrermodell exakt abgebildet
werden. Das Fahrergewicht wird zu dem
Leergewicht des Fahrzeugs addiert.
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IndustrIe HyBriDANTriEBE
fahrwIderstände des
gesamtfahrzeugs
Innerhalb der Simulationsumgebung
werden alle Leistungsflüsse (mechanisch,
elektrisch) des gesamten Antriebsstrangs
berechnet und die Einzelmodelle des
Antriebsstrangs sequenziell miteinander
verknüpft. Den Ausgangspunkt des
Antriebsstrangmodells bildet die Ermittlung
der erforderlichen Antriebsleistung,
indem die vom Gesamtfahrzeug zu überwindenden
Fahrwiderstände berechnet
werden. Für die Berechnung des Gesamtwiderstands,
der sich aus Roll-, Luft-,
Steigungs- und Trägheitswiderstand
zusammensetzt, werden die vom Benutzer
definierten Parameter der Fahrzeugkonfiguration
(Leergewicht inklusive Fahrer,
Luftwiderstandsbeiwert, Frontfläche etc.)
und die aktuelle Fahrgeschwindigkeit und
-änderung benötigt. Das Radmodell wandelt
die berechnete Leistungsanforderung
in eine Drehmoment- und Drehzahlanforderung
an den Antriebsstrang.
achsübersetzungs- und
dIfferentIalmodell
Die erste Wandlung von Drehmoment und
Drehzahl im „Virtuellen Antriebsstrang“
erfolgt im Differentialmodell, das mit
einem konstanten Wirkungsgrad und einer
anwendungsspezifischen Übersetzung
„bedatet“ ist. Last- und temperaturbedingte
Wirkungsgradänderungen werden
über Kennlinien/-felder berücksichtigt.
getrIebemodell
2 reglermodell „Fahrer“ (links) und resultierender qualitativer Geschwindigkeitsverlauf während einer Beschleunigungsphase (rechts)
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1 Aufbau und Komponenten der Simulationsumgebung „Virtueller Antriebsstrang“
Direkt an das Differentialmodell schließt
das Getriebemodell ohne Antriebswelle an,
das als Automatikgetriebe mit Drehmomentwandler
oder als Schaltgetriebe mit
Anfahrkupplung konfigurierbar ist. In beiden
Fällen müssen die Anzahl der Gangstufen
und die zugehörigen Übersetzungen
definiert werden. Unter Berücksichtigung
eines leistungsabhängigen Wirkungsgrades
werden Getriebeausgangsdrehzahl und
-drehmoment in Getriebeeingangsdrehzahl
und -drehmoment übersetzt. Temperaturbedingte
Einflüsse werden über Kennlinien
beziehungsweise -felder abgebildet.
drehmomentwandlermodell
Bei der Simulation eines Automatikgetriebes
wird zusätzlich ein Modell aktiviert,
welches abhängig von der Eingangs- und
Ausgangsdrehzahl des Drehmomentwandlers
das effektive Motordrehmoment und
die Motordrehzahl berechnet. Die Charakteristik
dieses Drehmomentwandlers ist
3 Kennlinienabhängige
Modellierung des
Drehmomentwandlers
bei Automatikgetrieben

4 E-Maschinenmodell im
Motorbetrieb
hierbei stark von der jeweiligen Fahrzeugapplikation
abhängig. Als Folge wird in
der Antriebsstrangsimulation jeder Drehmomentwandler
durch spezifische Kennlinien
oder -felder parametriert. Die notwendigen
Kenngrößen können durch Auswertung
von Getriebe- oder Fahrzeugtests
generiert werden. 3 zeigt exemplarisch
die Kennlinien eines Drehmomentwandlers
in einem Serienfahrzeug.
verbrennungsmotormodell
Die vom Drehmomentwandler- beziehungsweise
Getriebemodell berechneten
Motorbetriebspunkte werden an das Verbrennungsmotormodell
als Eingangsgrößen
übergeben. In diesem Modell ist die
Charakteristik des Verbrennungsmotors
hinsichtlich des spezifischen Kraftstoffverbrauchs,
der CO 2 -Emission etc. in
Kennfeldern hinterlegt. Neben der drehzahlabhängigen
Volllastkurve des Motordrehmoments
sind die Leistungshyperbeln
definiert. Für die Bewertung von
kraftstoffverbrauchsmindernden Betriebsstrategien
wird ergänzend die drehzahlabhängige
Leistungskurve des minimalen
Kraftstoffverbrauchs berechnet.
Durch die zeitliche Veränderung von
Motorlast und -drehzahl des Verbrennungsmotors
werden auf Basis der Motorkennfelder
sowohl Zeitverläufe als auch kumulierte
Werte von Kraftstoffverbrauch und
Abgasemissionen approximiert. Teilmodelle
des Verbrennungsmotors sind unter
anderem die Schubabschaltung und die
Leerlaufregelung, die einen maßgeblichen
Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch
haben. Lastwechselvorgänge werden als
idealer, instantaner Betriebspunktwechsel
modelliert. Dynamische Einflüsse auf das
Motorverhalten sind derzeit nicht abgebildet.
Stochastische Modellansätze zur
Approximation dieser Effekte befinden sich
in der Entwicklung.
auswertung und vIsualIsIerung
Die während der Simulation aufgezeichneten
Zeitverläufe relevanter Ergebnisgrößen
aus den Einzelmodellen werden dem
Modul „Auswertung und Visualisierung“
übergeben. Neben generell dargestellten
Ergebnissen wie dem mittleren Kraftstoffverbrauch
oder den kumulierten Schadstoffemissionen,
kann der Anwender nach
der Simulation zu einer detaillierten Konzeptanalyse
übergehen. Die Bedienoberfläche
ermöglicht eine selektive Auswahl
von Ergebnisgrößen, welche ausgewertet
und visualisiert werden sollen. Unter
anderem sind dies folgende Größen:
: Zeitverläufe der Abgasemissionen und
Temperaturen
: Zeitverläufe von Leistungsflüssen,
Drehzahlen und Drehmomenten
: Verteilung der Lastpunkte des Verbrennungsmotors
im spezifischen
Verbrauchskennfeld
: Häufigkeitsverteilung der Lastpunkte
des Verbrennungsmotors.
Eine vor der Antriebsstrangsimulation
wählbare Option zur Variantenanalyse
ermöglicht nach Spezifikation des so
genannten Parameterraums den automatischen
Vergleich von verschiedenen
Fahrzeug- und Antriebsstrangkonfiguratio-
nen unter konstanten Belastungsbedingungen.
Die integrierte Visualisierungsoption
der Berechnungsergebnisse unterstützt
die Konzeptbewertungen. Durch die
beschriebene Option sind beispielsweise
die folgenden Variantenrechnungen zur
schnellen Konzeptbewertung automatisiert
durchführbar:
:
:
:
:
:
:
Raddimensionen
Getriebe- und Achsübersetzungen
Motoren- beziehungsweise
Applikationsstände
Fahrzyklen
Hybridkonzepte, -topologien
Betriebsstrategien.
hybrIde antrIebsstränge
Die Simulationsumgebung „Virtueller
Antriebsstrang“ bietet auch die Möglichkeit,
Elektrifizierungsfunktionalitäten im
Antriebsstrang zu berücksichtigen. Hierzu
wird das Basisfahrzeug um ein Batteriemodell
und ein E-Maschinenmodell erweitert,
das die Verwendung der E-Maschine als
Motor und Generator berücksichtigt. Die
Leistungselektronik für die Wandlung,
Gleich- und Wechselrichtung der elektrischen
Spannung ist ebenfalls in das
E-Maschinenmodell integriert. Zeitdiskret
wird im Motorbetrieb, abhängig von der
Drehzahl der E-Maschine und dem maximalen
Batteriestrom, das aktuell höchste
Drehmoment berechnet, das die E-Maschine
bereitstellen kann. Der Vergleich des
geforderten und des verfügbaren Antriebsmoments
legt abhängig von der Betriebsstrategie
das tatsächlich aufzubringende
Drehmoment der E-Maschine fest, 4. Die
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Leistungsanforderung der E-Maschine wird
dem Batteriemodell übergeben, in dem der
Ladezustand der Batterie berechnet wird.
Dieses Modell basiert auf einer Ersatzkapazität
und dem Innenwiderstand der Batterie.
Die Wirkungsgrade der E-Maschine für
Motor- beziehungsweise Generatorbetrieb
und der Batterie sind durch betriebstemperaturabhängige
Kennlinien in den Modellen
hinterlegt.
Die anwendungsspezifische Konfiguration
der Hybridisierung im Antriebsstrang
erfolgt durch die Definition des Elektrifzierungsgrades,
der Topologie sowie der
Betriebsstrategie, 5. Menügeführt wählt
der Anwender zwischen einer Mikro-,
Mild- oder Vollhybridvariante, wobei ein
Mikrohybrid einer Startstoppfunktion des
Verbrennungsmotors entspricht. Bei der
Auswahl der Mild- oder Vollhybridvariante
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sind weitere Spezifikationen zu parametrieren.
Diese beinhalten unter anderem die
maximale Leistung des Elektromotors und
die Batteriekapazität.
Die Betriebsstrategie stellt das intelligente,
sehr komplexe Zusammenwirken
der Hybridkomponenten sicher. Dazu sind
zahlreiche Regelungsansätze bereits in der
Simulationsumgebung beinhaltet und
neue Betriebsstrategien integrierbar.
Durch das Antriebsstrangmanagement
wird das Hybridfahrzeug etwa auf maximale
Reichweite, niedrige Schadstoffemissionen
oder Sportlichkeit abgestimmt.
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs
bietet beispielsweise durch die Lastpunktverschiebung
des Verbrennungsmotors
Kraftstoffeinsparpotenzial. 6 zeigt das
Schema einer Betriebsstrategie, bei der
das Hybridfahrzeug abhängig von der
6 Beispielhafte
Betriebsstrategie bei
einer Hybridfahrzeuganwendung
geforderten Antriebsleistung rein elektrisch,
im Bereich Lastpunktanhebung
elektrifiziert oder rein verbrennungsmotorisch
angetrieben wird. Je nach Batterieladezustand
verschieben sich die Leistungsgrenzen
P1 und P2 zwischen den
verschiedenen Betriebsmodi. Verbrauchsungünstige
Betriebspunkte des Verbrennungsmotors
werden dadurch vermieden
und der zusätzliche elektrische Antrieb
effektiv eingesetzt.
Die Erweiterung der Betriebsstrategie,
zum Beispiel unter Berücksichtigung von
Verkehrsfluss- oder topografischen Daten,
ist durch die modular aufgebaute Simulationsumgebung
darstellbar. Diese prädiktive
Antriebsstrangregelung dient der vorausschauenden
Berechnung der effizientesten
Fortbewegungsmöglichkeit. Erste Ansätze
berücksichtigen bereits topologi sche Daten
in der Antriebsstrangregelung. Hierzu
wurde ein eigener Zyklus mit Strecken-
und Höheninformationen entwickelt.
eleKtrofahrzeuge
5 Darstellbare Hybridisierungsfunktionen
als
Ergänzung zum konventionellen
Antriebsstrang
Die Hybridtechnik stellt in der derzeitigen
Antriebsstrangentwicklung den Übergang
vom verbrennungsmotorischen zum elektrischen
Antrieb dar. Die Energiedichte der
Batterien ist hierfür als eine Schlüsseltechnik
der „Flaschenhals“ bei der völligen
Elektrifizierung des An-triebsstrangs, weil
die Reichweite bei rein elektrischer Fahrt
derzeit zu gering und ihr Gewicht zu hoch
ist. Elektrofahrzeuge sind jedoch aufgrund
des hohen Gesamtwirkungsgrades ihres
Antriebs und in Anbetracht der zuneh-

7 Bestimmung der verbrauchsoptimalen Elektrifizierungskombination aus E-Maschine und Batterie
8 Vergleich der Betriebspunkte des Verbrennungsmotors im Motorkennfeld bei verschiedenen
Antriebsstrangkonfigurationen im NEFZ-Fahrzyklus
menden Knappheit fossiler Brennstoffe
im urbanen Einsatzbereich eine vielversprechende
Alternative zu konventionellen
Antrieben. Das Antriebsstrangmodell
ermöglicht daher auch die Simulation
elektrischer Antriebsstränge. Die in einem
Fahrzyklus geforderte Antriebsleistung
wird von einer oder mehreren elektrischen
Maschinen aufgebracht, die ihre Energie
aus einer oder mehreren Batterien beziehen.
Im beispielhaften Anwendungsfall
eines Elektrofahrzeugs mit Radnabenmotoren
wird bei der Antriebsimulation die
geforderte Leistung auf zwei oder vier
E-Maschinen verteilt. Der konventionelle
Antriebsstrang inklusive Antriebachsen
entfällt bei Radnabenantrieben und der
mechanische Leistungsfluss reduziert sich
auf die E-Maschinen und die Räder.
eleKtrIfIzIerung eInes
fahrzeugs der suv-Klasse
In einem Anwendungsbeispiel wird ein
SUV-Fahrzeug (äquivalente Schwungmasse
größer als 2000 kg) mit Dieselmotor
und einem konventionellen Antriebsstrang
durch eine Parallelhybridkonfiguration
erweitert. Um die bestmögliche
Kombination aus E-Maschine und Batterie
zu analysieren, wird auf Basis einer vordefinierten
Betriebsstrategie mit dem Primärziel
minimaler Kraftstoffverbrauch
ohne gleichzeitige Beurteilung der Fahrdynamik
eine Simulation durchgeführt, 7.
Für dieses Anwendungsbeispiel und der
zugrundeliegenden Betriebsstrategie ist
eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs
im Vergleich zum konventionellen
Antriebsstrang (entspricht 100 %) um
19 % möglich. Dazu sind eine elektrische
Antriebsleistung von 20 kW und eine
Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie im
Bereich von 8 Ah erforderlich. Die Simulationsdauer
beträgt rund vier Stunden.
Ein Vergleich der Lastpunkte des Dieselmotors
im Motorkennfeld verdeutlicht das
Optimierungspotenzial der Parallelhybridkonfiguration.
Neben der rein-elektrischen
Fahrweise wird der Verbrennungsmotor
in Lastbereichen mit geringerem spezifischen
Kraftstoffverbrauch (Lastpunktanhebung)
betrieben, 8.
zusammenfassung
Mit der modular aufgebauten und flexiblen
Softwareumgebung „Virtueller Antriebsstrang“
hat der Entwicklungsdienstleister
Bertrandt in Eigenverantwortung eine Analyse-
und Auslegungsmöglichkeit für die
Antriebsstrangentwicklung realisiert. Erste
Validierungen mit realen Fahrzeugvergleichsdaten
bestätigen die qualitative und
quantitative Aussagefähigkeit bei adäquater
Rechenleistung.
Neben den zukünftigen Herausforderungen
in der konventionellen Antriebsstrangtechnik
wird sich der Komplexitätsgrad
in der Antriebsstrangentwicklung
durch die Zunahme der Hybrid- und Elektrofahrzeuge
deutlich erhöhen. Leistungsfähige
Entwicklungswerkzeuge werden
diese Entwicklungstätigkeiten in einem
stärkeren Maße unterstützen als bisher.
Bertrandt geht mit der vorgestellten Softwareumgebung
„Virtueller Antriebsstrang“
einen weiteren Schritt, um als
Entwickler die Mobilität von Morgen
mitzugestalten.
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