Optimale Konzeptauslegung elektrifizierter Fahrzeugantriebsstränge

Die politischen und gesellschaftlichen Forderungen nach einer immer stärkeren Reduzierung der Schadstoffemissionen und insbesondere des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen nehmen weltweit zu. Beispielsweise fordert die Europäische Union, die durchschnittlichen CO2-Emissionen der Fahrzeugflotten der Automobilhersteller bis zum Jahr 2020 auf 95 g/km zu senken [41]. Ähnliche Gesetze wurden auch in anderen wichtigen Automobilmärkten, wie den USA, China und Japan beschlossen [39, 104].

In diesem Kapitel werden in der Literatur beschriebene Methoden und Ansätze zur Identifikation optimaler Komponenteneigenschaften von Fahrzeugantriebssträngen herausgearbeitet. Aus den dabei gewonnen Erkenntnissen wird die Zielsetzung dieser Arbeit abgeleitet. Im Anschluss werden die Vorgehensweise und der Aufbau der Arbeit beschrieben.

In diesem Kapitel werden die Grundlagen elektrifizierter Antriebsstränge beschrieben. Dabei wird zunächst auf die Architekturen, welche die grundsätzliche Anordnung der einzelnen Komponenten im Antriebsstrang definieren, und anschließend auf die im Rahmen dieser Arbeit relevanten Komponenten sowie deren Steuerung und Koordination durch die Betriebsstrategie eingegangen.

Das Ziel der Methodik ist die Identifikation optimaler Antriebsstränge unter Berücksichtigung definierter Randbedingungen. In diesem Kapitel wird ein systematischer Ansatz zur Bearbeitung dieser Problemstellung entwickelt. Aus diesem resultiert ein Ablaufplan, nach dem zur Lösung spezifischer Fragestellungen vorgegangen wird.

Als Auslegungskriterien und Randbedingungen der Antriebsstrangoptimierung wurden in Abschnitt 4.1.3 der Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch sowie unterschiedliche Fahrleistungen und Werte zur Quantifizierung der Reproduzierbarkeit dieser Fahrleistungen definiert. Zur Berechnung dieser Größen werden auf die erforderliche Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit zugeschnittene Simulationswerkzeuge benötigt.

Hybridfahrzeuge bieten den Freiheitsgrad der Leistungsaufteilung zwischen verschiedenen Komponenten. Diese Leistung dient dem Antrieb, der Versorgung der Nebenaggregate und dem Energietransfer zwischen den Komponenten. Die Aufteilung erfolgt durch die Betriebsstrategie und hat einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch des betrachteten Antriebsstrangs.

Eine Herausforderung bei der Ermittlung optimaler Antriebsstränge ist die theoretisch unendlich große Anzahl an möglichen Konfigurationen. Weil diese nicht alle hinsichtlich der Zielgrößen untersucht werden können, muss eine stichprobenartige Auswahl über den gesamten Suchraum erfolgen. Um diese Auswahl zielgerichtet durchzuführen und damit den insgesamt erforderlichen Berechnungsaufwand zu verringern, wird in dieser Arbeit ein Optimierungsalgorithmus verwendet. Eine Aufgabe des Algorithmus ist es, die Auswahl der zu untersuchenden Konfigurationen im Optimierungsprozess so zu steuern, dass in dessen Verlauf eine Verbesserung der Zielgrößen erfolgt.

In diesem Kapitel erfolgt die Validierung und Anwendung der erarbeiteten Optimierungsmethodik. Bei der Validierung werden zwei Aspekte hervorgehoben: Zum einen wird durch den Vergleich mit Serienfahrzeugen gezeigt, dass die entwickelten Simulationswerkzeuge ausreichend genaue Ergebnisse liefern. Zum anderen werden für unterschiedliche Serienfahrzeuge optimale HEV-Hybridisierungen ermittelt und diese mit den tatsächlich ausgeführten Dimensionierungen verglichen.

In der frühen Konzeptauslegung werden Antriebsstrangkonfigurationen gesucht, die an das Fahrzeug gestellte Anforderungen erfüllen und dabei die Entwicklungsziele optimieren. Die Vielzahl an Freiheitsgraden bei der Auslegung elektrifizierter und/oder hybridisierter Fahrzeugantriebe führt zu einer sehr großen Anzahl möglicher Konfigurationen, sodass die Ermittlung der geeignetsten Varianten rechnergestützte Methoden erfordert. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit eine simulationsgestützte Methodik zur Identifikation optimaler BEV, PHEV und FCEV Antriebsstrangkonfigurationen entwickelt.