PowerPoint-Pr

1
Fachhochschule Köln University of Applied
Sciences Cologne

• Vortrag
• Simulation der Energieflüsse des TOYOTA Prius im
  Europäischen Fahrzyklus
• Masterarbeit in Kooperation mit dem Institut für
  Fahrzeugtechnik der FH-Köln
• WS 2005/2006
• von
• Tim Nowakowski

2

• Aufgabenstellung
• Erstellen einer Simulation für das Hybridfahrzeug
• TOYOTA Prius mit dem Programm MATLAB/Simulink
• Darstellung des dynamischen Verhaltens des
  Fahrzeugs im Europäischen Fahrzyklus
• Simulation der antriebsrelevanten Komponenten wie
  Verbrennungsmotor und elektrische Aggregate
• Definition charakteristischer Parameter der
  Bestandteile des Antriebsstrangs wie
  Wirkungsgrade, Trägheitsmomente und
  Leistungsmerkmale
• Modellhafte Beschreibung von Antriebs- und
  Energiebilanz

3

• ECE/EG-Testzyklus
• Richtlinie RL 80/1268/EWG
• ? verbindliches Verfahren für die BRD und den
  weiteren EG-Raum
• ? Messung der emittierten Schadstoffe und des
  Verbrauchs
• ? Rollenprüfstandsmessung unter definierten
  Bedingungen
• 
  
  

4

• Definition und Merkmale der Hybridfahrzeuge
• Fahrzeuge mit zwei unterschiedlichen Antrieben
  und zwei verschiedenen Energiespeichern
• ? In der Regel Otto- und Elektromotoren als
  Antriebsaggregat
• ? Flüssigkraftstoff und Batterien als
  Energiespeicher
• Elektronisches Antriebsstrang-Management und
  optimierte 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

5

• Einteilung der Hybridfahrzeuge
• Grundsätzlich drei verschiedene
  Bauformen/Konzepte

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

6
Der TOYOTA Prius ?
Full-Hybrid
? Mischhybrid
Bauweise
? optimierter
Ottomotor
? zwei
AC-Synchronmotoren
?
Nickel-Metallhydrid-Akku
?
Leistungselektronik
?
stufenlose Übersetzung
?
Planetengetriebe
?
Rekuperation
7
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
8

• Simulationsmodell
• Verwendung gesicherter Daten soweit verfügbar
• ? Veröffentlichungen des Herstellers,
  Fachzeitschriften und Aufsätze
• Ergänzung durch Annahmen und Vergleichswerte
• ? Systemlieferanten, Fachliteratur und
  Konstruktionsrichtlinien
• Definition eines Simulink-Modells
• ? modularer Aufbau, voneinander abgrenzbare
  Einzelsysteme
• ? Einsatz von verschiedenen Subsystemen
• 
  
  

9
Elektromaschinen
? MG2 Antrieb
Rekuper.
? MG1
Generator u. Starter

? 3-Phasen Wechselstrom ? eigener
Kühlkreislauf


10
Verbrennungsmotor (ICE)
? geringe
Reibverluste
?
kleine Drehzahlen
?
variabler Ventiltrieb


? unkonv.
Steuerzeiten

? modifiziertes Verfahren

? be 225 g/kWh (min.)

? angepasstes Kennfeld
11
Getriebe
? Getriebe-Differentialkombination

? Verbindung aller
Aggregate
?
Planetengetriebe (Lstg.-Verzw.)

? Vorgelege (Untersetzung)
?
festes Übersetzungsverhältnis

• ? näherungsweise Berechnung
• Grundlage Zähnezahlen

12

• Planetengetriebe (PSD)
• 
  ? ein Plantenradsatz
• 
  ? vier
  Grundelemente
• 
  ?
  Drehzahlregelung
• 
  ?
  mehrere Freiheitsgrade
• 
  ? nMG2
  abhängig von v
• 
  
• Überschlägige 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

13

• Momentenverhältnisse und Fahrwiderstände
• PSD 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.
• 
  
  

Zugkraft
Beschleunigungswid.
Steigungswid.
Luftwid.
Rollwid.
14

• Modellaufbau
• ? Oberste Ebene des Gesamtmodells
• ? Subsyteme werden nach außen wie
  Funktionsblöcke behandelt
• 
  
  

15

• Modellbildung
• 
  
  

Matrix für den Testzyklus
Geschwindigkeitsdifferenz dv
Beschleunigung dv / dt
Simulationszeit
16

• Modellbildung
• 
  ? Verweis auf Vektoren
• 
  ? M-File
• 
  
  

17
Kraftstoffverbrauch
18

• Ergebnisse
• Simulation wesentlicher technischer
  Eigenschaften
• ? Hauptmechanismen
• ? Antriebsaggregate
• Universeller Einsatz möglich
• ? Parameterstudien
• ? verschiedene Fahrzeugkonfigurationen
• ? Beliebige Fahrprogramme und Testzyklen