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 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 33 kW bei 1040 min-1 350 Nm bei 0-400 min-1 Höchstgeschwindigkeit 160 km/h Beschleunigung 0-100 km/h 13,4 s Batteriekapazität 1778 Wh 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.  eigener Kühlkreislauf  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-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