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VortragVortrag

„„Simulation der Energieflüsse des TOYOTA Simulation der Energieflüsse des TOYOTA Prius im Europäischen Fahrzyklus“Prius im Europäischen Fahrzyklus“

Masterarbeit in Kooperation mit dem Institut für Masterarbeit in Kooperation mit dem Institut für

Fahrzeugtechnik der FH-KölnFahrzeugtechnik der FH-Köln

WS 2005/2006 WS 2005/2006

vonvon Tim NowakowskiTim Nowakowski

Fachhochschule Köln

University of Applied Sciences Cologne

Tim Nowakowski 2

AufgabenstellungAufgabenstellung

Erstellen einer Simulation für das Hybridfahrzeug

TOYOTA Prius mit dem Programm MATLAB/Simulink

Darstellung des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs Darstellung des dynamischen Verhaltens des Fahrzeugs im Europäischen Fahrzyklusim Europäischen Fahrzyklus

Simulation der antriebsrelevanten Komponenten wie Simulation der antriebsrelevanten Komponenten wie Verbrennungsmotor und elektrische AggregateVerbrennungsmotor und elektrische Aggregate

Definition charakteristischer Parameter der Bestandteile Definition charakteristischer Parameter der Bestandteile des Antriebsstrangs wie Wirkungsgrade, des Antriebsstrangs wie Wirkungsgrade, Trägheitsmomente und LeistungsmerkmaleTrägheitsmomente und Leistungsmerkmale

Modellhafte Beschreibung von Antriebs- und Modellhafte Beschreibung von Antriebs- und EnergiebilanzEnergiebilanz

Tim Nowakowski 3

ECE/EG-Testzyklus Richtlinie RL Richtlinie RL 80/1268/EWG 80/1268/EWG

verbindliches Verfahren für die BRD und den weiteren EG-Raum verbindliches Verfahren für die BRD und den weiteren EG-Raum

Messung der emittierten Schadstoffe und des VerbrauchsMessung der emittierten Schadstoffe und des Verbrauchs

Rollenprüfstandsmessung unter definierten BedingungenRollenprüfstandsmessung unter definierten Bedingungen

Tim Nowakowski 4

Definition und Merkmale der Hybridfahrzeuge

Fahrzeuge mit zwei unterschiedlichen Antrieben und Fahrzeuge mit zwei unterschiedlichen Antrieben und zwei verschiedenen Energiespeichernzwei verschiedenen Energiespeichern

In der Regel Otto- und Elektromotoren als Antriebsaggregat

Flüssigkraftstoff und Batterien als Energiespeicher

Elektronisches Antriebsstrang-Management und Elektronisches Antriebsstrang-Management und optimierte Antriebsaggregate insbesondere VKMoptimierte Antriebsaggregate insbesondere VKM

Betrieb nahe des Wirkungsgrad Optimums

Differente Mechanismen zum Erzeugen bzw. Übertragen von Antriebsenergie

Reduktion von Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch

Rückgewinnung von Energie durch rekuperatives Bremsen

Tim Nowakowski 5

Einteilung der Hybridfahrzeuge

Grundsätzlich drei verschiedene Bauformen/KonzepteGrundsätzlich drei verschiedene Bauformen/Konzepte

weitere Unterscheidung in Micro- Mild- und Full-Hybrid maßgeblich installierte elektrische Leistung

Tim Nowakowski 6

Der TOYOTA Prius

Full-Hybrid

Mischhybrid Bauweise

optimierter Ottomotor

zwei AC-Synchronmotoren

Nickel-Metallhydrid-Akku

Leistungselektronik

stufenlose Übersetzung

Planetengetriebe

Rekuperation

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Technische Daten

Merkmal Daten Prius NHW11

Ottomotor 1497 cm³, 4-Zylinder, DOHC

Leistung 53 kW bei 4500 min-1

Drehmoment 115 Nm bei 4200 min-1

Elektromotor AC-Synchronmotor

Leistung 33 kW bei 1040 min-1

Drehmoment 350 Nm bei 0-400 min-1

Höchstgeschwindigkeit 160 km/h

Beschleunigung 0-100 km/h 13,4 s

Batteriekapazität 1778 Wh

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Simulationsmodell

Verwendung gesicherter Daten soweit verfügbarVerwendung gesicherter Daten soweit verfügbar Veröffentlichungen des Herstellers, Fachzeitschriften und Aufsätze

Ergänzung durch Annahmen und VergleichswerteErgänzung durch Annahmen und Vergleichswerte Systemlieferanten, Fachliteratur und Konstruktionsrichtlinien

Definition eines Simulink-ModellsDefinition eines Simulink-Modells modularer Aufbau, voneinander abgrenzbare Einzelsysteme

Einsatz von verschiedenen Subsystemen

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Elektromaschinen

MG2 Antrieb & Rekuper.

MG1 Generator u. Starter

3-Phasen Wechselstrom

eigener Kühlkreislauf

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500

n / min.-1

M / N

m

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

P / k

W

M P

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Verbrennungsmotor (ICE)

geringe Reibverluste

kleine Drehzahlen

variabler Ventiltrieb unkonv. Steuerzeiten

modifiziertes Verfahren

be = 225 g/kWh (min.)

angepasstes Kennfeld

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Getriebe Getriebe-Differentialkombination

Verbindung aller Aggregate

Planetengetriebe (Lstg.-Verzw.)

Vorgelege (Untersetzung)

festes Übersetzungsverhältnis

näherungsweise Berechnung

Grundlage Zähnezahlen

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Planetengetriebe (PSD) ein Plantenradsatz

vier Grundelemente

Drehzahlregelung

mehrere Freiheitsgrade

nMG2 abhängig von v

Überschlägige Berechnung auf Grundlage der ZähnezahlenÜberschlägige Berechnung auf Grundlage der Zähnezahlen

nMG1 = -2,6 * nMG2 - bei rein elektrischem Betrieb (ICE in Ruhe)

nMG1 = 3,6 * nICE - Stillstand des Fahrzeug und laufender ICE

nMG1 = 3,6 * nICE – 2,6 * nMG2 - Mischbetrieb

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Momentenverhältnisse und Fahrwiderstände

PSD liefert konstante MomentenaufteilungPSD liefert konstante Momentenaufteilung 72 % des vom ICE erzeugten Drehmoment gelangt an die Räder

28 % werden zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt (MG1)

Fahrwiderstände basieren auf Grundgleichung des Antr.Fahrwiderstände basieren auf Grundgleichung des Antr.

Zugkraft Beschleunigungswid. Steigungswid. Luftwid. Rollwid.

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Modellaufbau

Oberste Ebene des Gesamtmodells

Subsyteme werden nach außen wie Funktionsblöcke behandelt

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Modellbildung

Beschleunigung

dv / dtSimulationszeit

Geschwindigkeitsdifferenz

dv

Matrix für den Testzyklus

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Modellbildung

Verweis auf Vektoren

M-File

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Kraftstoffverbrauch

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Ergebnisse

Simulation wesentlicher technischer EigenschaftenSimulation wesentlicher technischer Eigenschaften Hauptmechanismen

Antriebsaggregate

Universeller Einsatz möglichUniverseller Einsatz möglich Parameterstudien

verschiedene Fahrzeugkonfigurationen

Beliebige Fahrprogramme und Testzyklen