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In dieser Arbeit wird die Energieeffizienz verschiedener elektro-hybrider Fahrzeugantriebe mithilfe numerischer Modelle untersucht. Es werden detaillierte Modelle der Antriebsstrangkomponenten entwickelt und mithilfe von Komponenten- und Systemversuchen validiert. Insbesondere steht der Verbrennungsmotor mit verschieden-dimensionalen Modellen bezüglich seiner Luftstrecke, der Wärmefreisetzung bei der Verbrennung sowie einer detaillierten Abbildung des thermischen Eigenverhaltens im Fokus der Modellarbeit. Ein datengetriebener Ansatz zur Modellierung der Abgasreinigung ermöglicht Aussagen über das Konvertierungsverhalten der wesentlichen gasförmigen Abgasbestandteile in Abhängigkeit der Katalysatortemperatur, sowie des Abgasmassenstroms und des aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Ein nulldimensionales Modell des Kennungswandlers ermittelt die im Getriebe auftretenden Verluste und berechnet durch die Verwendung eines einfachen thermischen Modells den von der Getriebeschmiermitteltemperatur abhängigen Kaltaufschlag der Getriebeverluste. Ein um einen thermischen Quellterm erweitertes Ersatzschaltbildmodell erster Ordnung wird genutzt, um den Batteriewirkungsgrad in Abhängigkeit vom Ladezustand sowie von der Zelltemperatur abzubilden. Die Berücksichtigung der Zelltemperatur auf Systemebene stellt einen Neuigkeitswert dar. Ebenfalls nulldimensional erfolgt die Modellierung der elektrischen Traktionsmaschine. Im Gegensatz zu den gängigen Ansätzen wird das thermische Eigenverhalten sowie der von der elektrischen Maschine abhängige Innenwiderstand und damit einhergehend die Verlustleistung berücksichtigt. Als Betriebsstrategie kommt eine ECMS zum Einsatz, welche für jeden Zeitpunkt und in Abhängigkeit von Randbedingungen wie Batterieladezustand und Fahrzeuggeschwindigkeit eine kraftstoffoptimale Verteilung des angeforderten Antriebsmoments auf die beiden Antriebsaggregate vornimmt.
Das entwickelte Antriebsstrangmodell wird genutzt, um verschiedene Technologien für den Pkw-Einsatz bezüglich ihrer Energieeffizienz zu bewerten. Zum einen wird eine Verschiebung der relativen elektrischen Antriebsleistung vorgenommen, indem sowohl die elektrische als auch die thermodynamische Antriebsmaschine skaliert werden. Durch das Downsizing des Verbrennungsmotors und eine Anhebung der relativen elektrischen Antriebsleistung wird eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von 14 % erreicht. Eine derartige Untersuchung mithilfe physikalischer Modelle findet sich in der veröffentlichten Literatur bisher nicht. Bei einer weiteren Anwendung erfolgt der Einsatz eines Ottomotors mit Miller-Steuerzeiten und abgesenkter Volllastkurve. Die Anwendung der Millersteuerzeiten bei einem elektro-hybriden Fahrzeugantrieb führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von 6 %. Eine in bisherigen Arbeiten in Kombination mit einem Hybrid-Antrieb nicht bewertete Technologie stellt die Zylinderabschaltung dar, welche einen Verbrauchsvorteil von 3 % im WLTC aufweist. Eine Kombination der Miller-Steuerzeiten sowie der Zylinderabschaltung wird ebenfalls untersucht und zeigt einen Zuwachs des Systemwirkungsgrads von 9 % im WLTC. Diese Technologieausprägung stellt ebenfalls ein neuartiges Forschungsergebnis dar. Als weiteres wesentliches Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Systemwirkungsgrad eines elektro-hybriden Fahrzeugantriebs essentiell vom Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors abhängt.
In this work, the energy efficiency of different electro-hybrid vehicle powertrains is investigated using numerical models. Detailed models of the powertrain components are developed and validat-ed by means of component and system tests. In particular, the model work focuses on the combus-tion engine by means of different-dimensional models with respect to its air path, the heat release during combustion and a detailed representation of the thermal behavior. A phenomenological com-bustion model allows to predict the heat release under changing boundary conditions such as load pressure or changing valve timing. A three-dimensional finite element model of the metal structure of the combustion engine and a coupled calculation of the coolant temperature by means of an one-dimensional pipe model enables a detailed comparison of the thermal multi-mass model of the com-bustion engine used for the technology assessment, with which the coolant temperature and the lubricant temperature, which are relevant for energy efficiency, can be calculated. A data-driven modeling approach of the exhaust gas aftertreatment systems calculates the conversion behavior of the exhaust gas components as a function of the catalyst temperature, the exhaust gas mass flow and the current air-fuel ratio. A zero-dimensional model of the gearbox determines the losses occur-ring in the transmission and, by using a simple thermal model, calculates the impact of transmission losses as a function of the transmission lubricant temperature. A first-order equivalent circuit model extended by a thermal source term is used to model the battery efficiency as a function of the state of charge and the cell temperature. The electric motor is also modeled as a zero dimensional model. In contrast to the common approaches, the thermal behavior as well as the internal resistance de-pendent on the electric machine and thus the power loss are taken into account. An ECMS is used for the operating strategy, which distributes the requested drive torque to the two drive units in a fuel-optimal manner for each point in time and depending on boundary conditions such as battery charge state and vehicle speed.
The validation of the developed models is based on component tests and overall system tests, which are carried out with a test vehicle and road tests.
The developed powertrain model is used to evaluate different technologies for passenger cars. On the one hand, a variation of the relative electric drive power is performed by scaling both the electric motor and the internal combustion engine. By downsizing the combustion engine and increasing the relative electric drive power, a 14 % reduction in fuel consumption is achieved. In another applica-tion, a gasoline engine with Miller valve-timing and a lowered full-load curve is used. Constant system power is again ensured by scaling the electric motor. The application of Miller timing to an electro-hybrid vehicle powertrain results in a 6 % reduction in fuel consumption. A technology not evaluated in previous work in combination with a hybrid powertrain is cylinder deactivation, which shows a fuel consumption advantage of 3 % in WLTC. A combination of Miller timing and cylin-der deactivation is also investigated and shows an increase in system efficiency of 9 % in the WLTC. This technology also represents a new research result. Another important result is that the system efficiency of an electro-hybrid vehicle drive depends essentially on the efficiency of the combustion engine. This directly influences fuel consumption in various ways. On the one hand, fuel consumption is reduced by the increase in efficiency of the combustion engine at the same op-erating point as the base system. In addition, the operating strategy is influenced by the increase in combustion engine efficiency, so that the load point increase in a system with innovative technology on the combustion engine is carried out with higher power differences than is the case in the basic system. As a result, electric driving can be realized more frequently in the further course of the cycle under investigation. Furthermore, an increase in combustion engine efficiency and the associated influence on the drive strategy can lead to a shift in the operating range of the combustion engine to more efficient map ranges.
