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Ansatz zur Gesamtfahrzeugsimulation für Plug-In-Hybridfahrzeuge zur ganzheitlichen Energieeffizienzanalyse und -optimierung
Abstract
Die Verknappung fossiler Ressourcen, der anthropogene Klimawandel sowie eine Reihe gesellschaftlicher Tendenzen führen zu einer grundlegenden Veränderung der Individualmobilität im ersten Viertel des 21. Jahrhunderts. Aufgrund des wachsenden gesellschaftlichen und politischen Drucks, aber auch motiviert durch eigene Unternehmensziele hinsichtlich eines nachhaltigen ökologischen Handelns, senken alle Fahrzeughersteller die Abgasemissionen ihrer Neuwagenflotten sukzessive.
Eine entscheidende Rolle spielt bei diesen Bestrebungen die Entwicklung elektrifizierter Fahrzeugkonzepte. Solange technologische und ökonomische Restriktionen die Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge limitieren, können Plug In-Hybridfahrzeuge (PHEVs) als Brückentechnologie den CO2-Ausstoß kurz- und mittelfristig signifikant reduzieren bei einer erwartbar gesteigerter Kundenakzeptanz. Da die Reichweite im rein elektrischen Betriebsmodus des PHEVs sowohl unter Normbedingungen in den relevanten PKW-Absatzmärkten als auch im Kundenbetrieb von größter Bedeutung ist, muss hier ein Entwicklungsschwerpunkt liegen. Systeme zur Gesamtfahrzeugsimulation sind im Zuge des zunehmenden Einsatzes virtueller Methoden bei Fahrzeugherstellern inzwischen verbreitet, da sie detaillierte Analysen fahrzeugtechnischer Maßnahmen oder verschiedener Applikationsstände in Zeiten limitierter Fahrzeug- und Prüfstandsverfügbarkeit ermöglichen. Diese Vorteile lassen sich allerdings nur auf Basis einer detaillierten Validierung im Gesamtfahrzeug nutzen, da es sich gezeigt hat, dass insbesondere die komplexen thermischen Interaktionen auf Basis lediglich komponentenseitig validierter (Teil-)Modelle oft nur schwer prognostizierbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich der Ermittlung der CO2-Emissionen von Plug In-Hybridfahrzeugen in den Märkten EU, China sowie den USA eingehend analysiert. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse sowie der Analyse bestehender Systeme wurde ein Ansatz zu einer messgestützten Gesamtfahrzeugsimulation für ein A-Klasse-PHEV entwickelt. Das gekoppelte Gesamtfahrzeugmodell wurde intensiv von den exakten Lastanforderungen an das Fahrzeug bis hin zu den relevanten elektrischen, mechanischen und thermischen Energieflüssen im Fahrzeug validiert. Unter Zuhilfenahme dieses Systems wurde ein Ansatz zur Minimierung des elektrischen Verbrauchs durch eine Optimierung der Gangwahl in Rekuperationsphasen entwickelt. Hierbei wurden neben den Effekten im Antriebsstrang alle weiteren relevanten Auswirkungen auf das Gesamtfahrzeug mit einbezogen und analysiert.
Eine entscheidende Rolle spielt bei diesen Bestrebungen die Entwicklung elektrifizierter Fahrzeugkonzepte. Solange technologische und ökonomische Restriktionen die Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge limitieren, können Plug In-Hybridfahrzeuge (PHEVs) als Brückentechnologie den CO2-Ausstoß kurz- und mittelfristig signifikant reduzieren bei einer erwartbar gesteigerter Kundenakzeptanz. Da die Reichweite im rein elektrischen Betriebsmodus des PHEVs sowohl unter Normbedingungen in den relevanten PKW-Absatzmärkten als auch im Kundenbetrieb von größter Bedeutung ist, muss hier ein Entwicklungsschwerpunkt liegen. Systeme zur Gesamtfahrzeugsimulation sind im Zuge des zunehmenden Einsatzes virtueller Methoden bei Fahrzeugherstellern inzwischen verbreitet, da sie detaillierte Analysen fahrzeugtechnischer Maßnahmen oder verschiedener Applikationsstände in Zeiten limitierter Fahrzeug- und Prüfstandsverfügbarkeit ermöglichen. Diese Vorteile lassen sich allerdings nur auf Basis einer detaillierten Validierung im Gesamtfahrzeug nutzen, da es sich gezeigt hat, dass insbesondere die komplexen thermischen Interaktionen auf Basis lediglich komponentenseitig validierter (Teil-)Modelle oft nur schwer prognostizierbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich der Ermittlung der CO2-Emissionen von Plug In-Hybridfahrzeugen in den Märkten EU, China sowie den USA eingehend analysiert. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse sowie der Analyse bestehender Systeme wurde ein Ansatz zu einer messgestützten Gesamtfahrzeugsimulation für ein A-Klasse-PHEV entwickelt. Das gekoppelte Gesamtfahrzeugmodell wurde intensiv von den exakten Lastanforderungen an das Fahrzeug bis hin zu den relevanten elektrischen, mechanischen und thermischen Energieflüssen im Fahrzeug validiert. Unter Zuhilfenahme dieses Systems wurde ein Ansatz zur Minimierung des elektrischen Verbrauchs durch eine Optimierung der Gangwahl in Rekuperationsphasen entwickelt. Hierbei wurden neben den Effekten im Antriebsstrang alle weiteren relevanten Auswirkungen auf das Gesamtfahrzeug mit einbezogen und analysiert.
The increasing scarcity of fossil resources as well as the anthropogenic climate change and a number of social trends lead to some fundamental changes in the individual mobility in the first quarter of the 21st century. Due to the growing societal and political pressure but also driven by internal corporate objectives regarding sustainable and ecological action, all car manufacturers reduce the exhaust emissions of their new car fleets gradually. The development of electrified car concepts plays a decisive part in this context. While technological and economical constrains keep limiting the driving range of battery electric vehicles, plug in hybrid electric vehicles (PHEVs) with an all-electric range of approximately 50 km can lead to a significant CO2-reduction with an anticipated higher customer acceptance. As a PHEV's all electric driving range is of prime importance, both under type approval conditions in the relevant passenger car sales markets as well as in costumer use cases, the development needs to focus on this issue. As virtual methods are increasingly used by car manufacturers, complete vehicle simulation systems are more and more common. They allow detailed analysis of the impact related to technical measures or various applications in times of prototype vehicle and test bench shortages. Such advantages can only be exploited, of course, on the basis of detailed whole vehicle validations because it has been shown that especially the complex thermal interactions within the entire system are hard to predict when only using validated component models. The legislative framework conditions with respect to the determination of CO2-emissions for PHEVs in the European, Chinese and US market were analyzed indepth in the present work. Based on these findings as well as the assessment of existing systems, a new approach for a measurement supported complete vehicle simulation system was developed. The coupled vehicle model was validated profoundly from the actual load requirements to the relevant electrical, mechanical and thermal power flows. Furthermore a method to minimize the electric consumption by optimizing the gear selection in recuperation phases was developed in aid of this system. This included analyses of all relevant effects both within the powertrain and on a whole vehicle level.
Additional Information
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2019Druckausgabe
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Citation
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author={Wagner, Tim},
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Aufgrund des wachsenden gesellschaftlichen und politischen Drucks, aber auch motiviert durch eigene Unternehmensziele hinsichtlich eines nachhaltigen ökologischen Handelns, senken alle Fahrzeughersteller die Abgasemissionen ihrer Neuwagenflotten sukzessive. Eine entscheidende Rolle spielt bei diesen Bestrebungen die Entwicklung elektrifizierter Fahrzeugkonzepte. Solange technologische und ökonomische Restriktionen die Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge limitieren, können Plug In-Hybridfahrzeuge (PHEVs) als Brückentechnologie den CO2-Ausstoß kurz- und mittelfristig signifikant reduzieren bei einer erwartbar gesteigerter Kundenakzeptanz. Da die Reichweite im rein elektrischen Betriebsmodus des PHEVs sowohl unter Normbedingungen in den relevanten PKW-Absatzmärkten als auch im Kundenbetrieb von größter Bedeutung ist, muss hier ein Entwicklungsschwerpunkt liegen. Systeme zur Gesamtfahrzeugsimulation sind im Zuge des zunehmenden Einsatzes virtueller Methoden bei Fahrzeugherstellern inzwischen verbreitet, da sie detaillierte Analysen fahrzeugtechnischer Maßnahmen oder verschiedener Applikationsstände in Zeiten limitierter Fahrzeug- und Prüfstandsverfügbarkeit ermöglichen. Diese Vorteile lassen sich allerdings nur auf Basis einer detaillierten Validierung im Gesamtfahrzeug nutzen, da es sich gezeigt hat, dass insbesondere die komplexen thermischen Interaktionen auf Basis lediglich komponentenseitig validierter (Teil-)Modelle oft nur schwer prognostizierbar sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich der Ermittlung der CO2-Emissionen von Plug In-Hybridfahrzeugen in den Märkten EU, China sowie den USA eingehend analysiert. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse sowie der Analyse bestehender Systeme wurde ein Ansatz zu einer messgestützten Gesamtfahrzeugsimulation für ein A-Klasse-PHEV entwickelt. Das gekoppelte Gesamtfahrzeugmodell wurde intensiv von den exakten Lastanforderungen an das Fahrzeug bis hin zu den relevanten elektrischen, mechanischen und thermischen Energieflüssen im Fahrzeug validiert. Unter Zuhilfenahme dieses Systems wurde ein Ansatz zur Minimierung des elektrischen Verbrauchs durch eine Optimierung der Gangwahl in Rekuperationsphasen entwickelt. Hierbei wurden neben den Effekten im Antriebsstrang alle weiteren relevanten Auswirkungen auf das Gesamtfahrzeug mit einbezogen und analysiert. The increasing scarcity of fossil resources as well as the anthropogenic climate change and a number of social trends lead to some fundamental changes in the individual mobility in the first quarter of the 21st century. Due to the growing societal and political pressure but also driven by internal corporate objectives regarding sustainable and ecological action, all car manufacturers reduce the exhaust emissions of their new car fleets gradually. The development of electrified car concepts plays a decisive part in this context. While technological and economical constrains keep limiting the driving range of battery electric vehicles, plug in hybrid electric vehicles (PHEVs) with an all-electric range of approximately 50 km can lead to a significant CO2-reduction with an anticipated higher customer acceptance. As a PHEV's all electric driving range is of prime importance, both under type approval conditions in the relevant passenger car sales markets as well as in costumer use cases, the development needs to focus on this issue. As virtual methods are increasingly used by car manufacturers, complete vehicle simulation systems are more and more common. They allow detailed analysis of the impact related to technical measures or various applications in times of prototype vehicle and test bench shortages. Such advantages can only be exploited, of course, on the basis of detailed whole vehicle validations because it has been shown that especially the complex thermal interactions within the entire system are hard to predict when only using validated component models. The legislative framework conditions with respect to the determination of CO2-emissions for PHEVs in the European, Chinese and US market were analyzed indepth in the present work. Based on these findings as well as the assessment of existing systems, a new approach for a measurement supported complete vehicle simulation system was developed. The coupled vehicle model was validated profoundly from the actual load requirements to the relevant electrical, mechanical and thermal power flows. Furthermore a method to minimize the electric consumption by optimizing the gear selection in recuperation phases was developed in aid of this system. This included analyses of all relevant effects both within the powertrain and on a whole vehicle level. open access Wagner, Tim 2019-10-23 xxviii, 178 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Elektrotechnik / Informatik Brabetz, Ludwig (Prof. Dr.) Henke, Markus (Prof. Dr.) Kassel 978-3-7376-0858-9 (print) Plug-in-Hybrid Energieeffizienz Energieeinsparung Elektrofahrzeug Simulation publishedVersion true 29,00 Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 16 Elektrotechnik / Informatik Softcover DIN A5 true </resource>
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