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

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

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 Tim Nowakowski

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 Tim Nowakowski

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 Tim Nowakowski

Einteilung der Hybridfahrzeuge • Grundsätzlich drei verschiedene Bauformen/Konzepte  weitere Unterscheidung in Micro- Mild- und Full-Hybrid  maßgeblich installierte elektrische Leistung Tim Nowakowski

Der TOYOTA Prius  Full-Hybrid  Mischhybrid Bauweise  optimierter Ottomotor  zwei AC-Synchronmotoren  Nickel-Metallhydrid-Akku  Leistungselektronik  stufenlose Übersetzung  Planetengetriebe  Rekuperation Tim Nowakowski

Technische Daten Tim Nowakowski

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 Tim Nowakowski

Elektromaschinen  MG2 Antrieb & Rekuper.  MG1 Generator u. Starter  3-Phasen Wechselstrom eigener Kühlkreislauf Tim Nowakowski

Verbrennungsmotor (ICE)  geringe Reibverluste  kleine Drehzahlen  variabler Ventiltrieb  unkonv. Steuerzeiten  modifiziertes Verfahren  be = 225 g/kWh(min.)  angepasstes Kennfeld Tim Nowakowski

Getriebe  Getriebe-Differentialkombination  Verbindung aller Aggregate  Planetengetriebe (Lstg.-Verzw.)  Vorgelege (Untersetzung)  festes Übersetzungsverhältnis  näherungsweise Berechnung • Grundlage Zähnezahlen Tim Nowakowski

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 Tim Nowakowski

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. Tim Nowakowski

Modellaufbau  Oberste Ebene des Gesamtmodells  Subsyteme werden nach außen wie Funktionsblöcke behandelt Tim Nowakowski

Modellbildung Matrix für den Testzyklus Geschwindigkeitsdifferenz dv Beschleunigung dv / dt Simulationszeit Tim Nowakowski

Modellbildung •  Verweis auf Vektoren •  M-File Tim Nowakowski

Kraftstoffverbrauch Tim Nowakowski

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

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