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Alexander Basler

Eine modulare Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer gesamtheitlichen Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

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Alexander Basler

Eine modulare Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer gesamtheitlichen Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

Karlsruher Schriftenreihe FahrzeugsystemtechnikBand 42

HerausgeberFAST Institut für Fahrzeugsystemtechnik Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer Prof. Dr.-Ing. Peter Gratzfeld Prof. Dr.-Ing. Frank Henning

Das Institut für Fahrzeugsystemtechnik besteht aus den eigen-ständigen Lehrstühlen für Bahnsystemtechnik, Fahrzeugtechnik, Leichtbautechnologie und Mobile Arbeitsmaschinen

Eine Übersicht aller bisher in dieser Schriftenreihe erschienenen Bände finden Sie am Ende des Buchs.

Eine modulare Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer gesamtheitlichen Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

von Alexander Basler

Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)Fakultät für Maschinenbau, 2015

Print on Demand 2015

ISSN 1869-6058ISBN 978-3-7315-0421-4DOI: 10.5445/KSP/1000048340

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Impressum

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) KIT Scientific Publishing Straße am Forum 2 D-76131 Karlsruhe

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www.ksp.kit.edu

Vorwort des Herausgebers

Die Fahrzeugtechnik ist gegenwärtig großen Veränderungen unterworfen. Kli-mawandel, die Verknappung einiger für Fahrzeugbau und -betrieb benötigterRohstoffe, globaler Wettbewerb, gesellschaftlicher Wandel und das rapideWachstum großer Städte erfordern neue Mobilitätslösungen, die vielfach eineNeudefinition des Fahrzeugs erforderlich machen. Die Forderungen nach Stei-gerung der Energieeffizienz, Emissionsreduktion, erhöhter Fahr- und Arbeits-sicherheit, Benutzerfreundlichkeit und angemessenen Kosten finden ihre Ant-worten nicht aus der singulären Verbesserung einzelner technischer Elemen-te, sondern benötigen Systemverständnis und eine domänenübergreifende Op-timierung der Lösungen.

Hierzu will die Karlsruher Schriftenreihe für Fahrzeugsystemtechnik einen Bei-trag leisten. Für die Fahrzeuggattungen Pkw, Nfz, Mobile Arbeitsmaschinenund Bahnfahrzeuge werden Forschungsarbeiten vorgestellt, die Fahrzeugsys-temtechnik auf vier Ebenen beleuchten: das Fahrzeug als komplexes mechatro-nisches System, die Fahrer-Fahrzeug-Interaktion, das Fahrzeug in Verkehr undInfrastruktur sowie das Fahrzeug in Gesellschaft und Umwelt.

Die nach wie vor begrenzte Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge erschwertderen Verbreitung im Markt. Neben der Verbesserung der Batterien erfordertdies eine Steigerung der Energieeffizienz. Beiträge dazu liefern geeignete To-pologien des Antriebssystems sowie ganzheitliche Fahr- und Betriebsstrategien,die durch fahrsituationsangepasste und prädiktive Nutzung und Zwischenspei-cherung der Energie einen sparsamen Verbrauch erreichen. In der vorliegenden

Arbeit werden nach einer energetischen Bewertung unterschiedlicher Antriebs-konfigurationen eine generische Funktionsarchitektur sowie eine Betriebsstrate-gie erstellt, die den Fahrzeugantrieb und die Fahrzeugklimatisierung umfassenund orientiert am Fahrzyklus eine gemeinsame Optimierung von Reichweite,Fahrdynamik und thermischem Komfort umsetzen.

Karlsruhe, 08.05.2015 Frank Gauterin

Eine modulare Funktionsarchitektur zurUmsetzung einer gesamtheitlichen

Betriebsstrategie für ElektrofahrzeugeEin ganzheitlicher Ansatz aus Gesamtfahrzeugsicht

Zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

der Fakultät Maschinenbau

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

genehmigte

Dissertation

von

Dipl. Ing. Alexander Basler

Tag der mündlichen Prüfung: 06.05.2015Hauptreferent: Prof. Dr. rer. nat. Frank GauterinKorreferent: Prof. Dr. Ing. Martin DoppelbauerPrüfungsvorsitz: Prof. Dr. Dr.-Ing. Dr. h.c. Jivka Ovtcharova

Kurzfassung

Elektrofahrzeuge besitzen aktuell aufgrund des geringen Energieinhalts derHochvolt-Traktionsbatterie eine beschränkte Reichweite, welche im Vergleichzu konventionellen Fahrzeugen wesentlich geringer ausfällt. Darüber hinaus re-duzieren elektrische Nebenverbraucher zur Realisierung von Fahrzeug- sowieKomfortfunktionalitäten die ohnehin beschränkte Reichweite zusätzlich. Vordiesem Hintergrund kann beim alltäglichen Fahrzeugeinsatz ein vielschichtigerZielkonflikt aus Reichweiten-, Dynamik- und Komfortansprüchen entstehen.Durch eine modulare Funktionsarchitektur soll dieser Zielkonflikt mittels geeig-neter Betriebsstrategie-Maßnahmen entschärft werden. Hierzu ist eine strecken-, situations- sowie umgebungsspezifische Betriebsstrategievorgabe für das Ge-samtfahrzeug notwendig. Insbesondere steht hierbei ein individuelles Energie-bzw. Reichweitenmanagement als innovative Funktion im Fokus.Die vorliegende Arbeit entwickelt hierzu einen ganzheitlichen Systemansatzzur Umsetzung und Applikation von reichweitensteigernden Funktionen. Si-mulationsgestützte Energieflussanalysen aus Sicht des Gesamtfahrzeugs bildendie Grundlage zur Identifikation möglicher Effizienz-Funktionen und Betriebs-strategie-Maßnahmen für Elektrofahrzeuge. In diesem Kontext werden die füreine Objektivierung notwendigen Qualitätsmerkmale beschrieben und analy-siert. Mit Hilfe eines mathematischen Lösungsverfahrens kann unter Einbezie-hung dieser Qualitätsmerkmale im Sinne einer Optimierung das Spannungsfeldbestehend aus Reichweiten-, Dynamik- sowie Komfortansprüchen temporär zuGunsten einer Reichweitenverlängerung verlagert werden. Die Einhaltung vonannehmbaren Dynamik- und Komfortgrenzen als zu applizierende Größen wirdhierbei dennoch gewährleistet. Die über die vorgestellte Funktionsarchitektur

i

umsetzbaren Betriebsstrategie-Maßnahmen werden in repräsentativen Zyklenvalidiert und hinsichtlich ihres Beitrags zum Einsparpotential in Bezug auf denEnergiebedarf quantifiziert. Hierüber kann eine Empfehlung für die Umsetzungund Applikation einer ganzheitlichen Betriebsstrategie aus Gesamtfahrzeug-sicht gegeben werden.

ii

Kurzfassung

Abstract

A modular function architecture for implementing a holisticoperation strategy for battery electric vehicles

Due to the low energy content of the high-voltage traction battery, the rangeof battery electric vehicles is currently restricted. Compared to conventional ve-hicles, the range is significantly lower. This restricted range is further reducedby electric auxiliary systems, which ensure the realization of both vehicle andcomfort functionalities. Thus, using a battery electric vehicle everyday mightresult in a complex conflict of objectives between range, dynamic and comfortrequirements. This conflict of objectives is expected to be alleviated by meansof a modular function architecture, using appropriate operation strategy mea-sures. Therefore, it is necessary to implement route-specific, situation-specificand environment-specific operation strategy specifications for the whole vehic-le. The focus is on an individual energy and range management as innovativefunctionalities.For this purpose, this study develops a holistic system approach, in order to im-plement and apply range-extending functionalities. Simulation-assisted analy-ses of energy flows considering the whole vehicle represent the basis to identifypotential efficiency functionalities and operation strategy measures for batteryelectric vehicles. In this context, the quality characteristics, which are essentialfor an objectivization are described and analyzed. In terms of optimization thetension between range, dynamic and thermal comfort requirements can tempo-rarily be shifted to achieve an extended range by means of a mathematical so-lution method, which involves these quality characteristics. The observance of

iii

acceptable limits of dynamic and thermal comfort as applicable parameters cannevertheless be ensured. A function architecture is presented, which allows theimplementation of operation strategy measures. These are validated in represen-tative driving cycles and quantified in terms of their saving potential regardingthe energy demand. In this way, a recommendation can be given concerning theimplementation and application of a holistic operation strategy regarding thewhole vehicle.

iv

Abstract

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit im Rahmen des Ko-operationsprojektes „Fahrsteuerung für Elektrofahrzeuge“ als Doktorand beider Porsche Engineering Services GmbH im Bereich Antriebsstrang und derPorsche AG in der Abteilung Entwicklung Gesamtfahrzeug Energiemanage-ment. Die wissenschaftliche Betreuung der Arbeit wurde durch das Institut fürFahrzeugsystemtechnik, Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik des Karlsruher Institutsfür Technologie (KIT) durchgeführt. Daher gilt mein außerordentlicher DankHerrn Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin für die Möglichkeit zu diesem Koopera-tionsprojekt, die wissenschaftliche Förderung und Betreuung, das stets vorhan-dene Interesse an dieser Arbeit und die regelmäßigen konstruktivenMeilenstein-Gespräche sowie für die Übernahme des Hauptreferates.Für die Übernahme des Korreferates gebührt mein Dank Herrn Prof. Dr.-Ing.Doppelbauer vom Lehrstuhl für Hybrid Elektrische Antriebe.Herr Dr. Daniel Armbruster, Herr Dirk Lappe sowie Herr Dr. Matthias Ledererdanke ich für das in mich gesetzte Vertrauen sowie für die Möglichkeit und dieRahmenbedingungen zu diesemKooperationsprojekt seitens der Firma Porsche.

Darüber hinaus bin ich meinen Betreuern der Porsche Engineering, Dr. Jan-Peter Müller-Kose, sowie der Porsche AG, Dr. Martin Roth und Dr. Frank We-berbauer, zu ganz besonderem Dank verpflichtet. Insbesondere das mir entge-gengebrachte Vertrauen zur selbständigen Projektarbeit und den nötigen Frei-raum zur wissenschaftlichen und methodischen Arbeit weiß ich sehr zu schät-zen. Des Weiteren möchte ich Euch für wesentliche Impulse danken, ohne wel-che die vorliegende Arbeit in dieser Form nicht hätte entstehen können.

v

Allen Mitarbeitern des Fachbereichs möchte ich für die angenehme, freund-liche und außerordentlich hilfsbereite Arbeitsatmosphäre sowie inspirierendeGespräche danken. Herrn Dr. Marco Fleckner möchte ich in diesem Kontextfür seine stetige Hilfe und Unterstützung im alltäglichen Projektgeschäft sowiebei wissenschaftlichen Fragestellungen und für das Korrekturlesen dieser Ar-beit ganz besonders danken.Herr Bastian Freese und insbesondere Herr Peter Megyesi möchte ich für dieintensive Zusammenarbeit am Innenraum-Modell und der damit verbundenengemeinsamen Veröffentlichung danken.Darüber hinaus gilt mein Dank allen betreuten Diplomanden, insbesondere mitnamentlicher Erwähnung Uwe Brenndörfer, Matthias Halfer, Axel Gemanderund Raoul Klein. Ihr habt durch Euer Engagement einen hilfreichen Beitrag zudieser Arbeit geleistet.

Von ganzem Herzen gilt mein außerordentlicher Dank meiner Familie für dieUnterstützung und das Interesse an meinem gesamten Ausbildungsweg. Ohnediese Unterstützung wäre mir meine fundierte Ausbildung als Grundstein fürdiese Arbeit verwehrt geblieben.Dir, Katrin, möchte ich für Deine Geduld und Dein Verständnis für zahlreicheEntbehrungen, für unzählige entgangene Wochenenden, Feiertage und Urlaubedanken. Du hast mich stets motiviert und in meinem Vorhaben gestärkt.

Renningen, im Mai 2015 Alexander Basler

vi

Danksagung

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1. Elektromobilität - Neue Chancen und Herausforderungen . 11.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Stand der Wissenschaft und Forschung . . . . . . . . . . . . 5

2.1. Elektrisches Antriebssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1. Traktionsbatterie als Energiespeicher im Fahrzeug . 62.1.2. Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.3. Mechanische Komponenten des Antriebsstrangs . . 15

2.2. Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.1. Klimatisierung des Innenraums . . . . . . . . . . . . 172.2.2. Weitere Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3. Elektronik im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3.1. Fahrerassistenzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3.2. Kommunikation und Vernetzung der Funktionen . . 272.3.3. Sensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4. Methodiken zur Entwicklung mechatronischer Systeme . . 282.5. Betriebsstrategie und Energiemanagement . . . . . . . . . 30

2.5.1. Betriebsstrategien für Antriebssysteme . . . . . . . 312.5.2. Elektrisches Energiemanagement . . . . . . . . . . 32

2.6. Einordnung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

vii

Inhaltsverzeichnis

3. Bewertung funktionaler Konzepte

durch energetische Analysen bei Elektrofahrzeugen . . . . . 35

3.1. Anforderungsgerechte Gestaltung des Antriebskonzepts . 353.1.1. Fahrzeugsegmentabhängige Zielgrößen . . . . . . . 363.1.2. Auswahl der elektrischen Antriebsmaschine unter

Berücksichtigung der gewichteten Zielgrößen . . . . 403.1.3. Antriebstopologien unter Berücksichtigung

der gewichteten Zielgrößen . . . . . . . . . . . . . . 423.1.4. Diskussion relevanter Antriebstopologien

hinsichtlich des Energieverbrauchs . . . . . . . . . . 443.1.5. Simulative Evaluierung des Verbrauchseinflusses

der Antriebstopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2. Energieflussanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.1. Energieflüsse des Antriebssystems . . . . . . . . . . 543.2.2. Funktionen zur Energieverbrauchsreduzierung

des Antriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2.3. Energieflüsse im Gesamtfahrzeugkontext in

Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen . . . . . 593.3. Schlussfolgerungen der Energieflussanalysen . . . . . . . 63

4. Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer

Betriebsstrategie aus Gesamtfahrzeugsicht . . . . . . . . . . 67

4.1. Anforderungen an die Betriebsstrategiefür Elektrofahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2. Aufbau und Aufgabenverteilung dermodularen Funktionsarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.3. Energiemanagementansätze zur Betriebsstrategievorgabe 714.3.1. Leistungsorientiertes Energiemanagement . . . . . 724.3.2. Agentenorientiertes Energiemanagement . . . . . . 724.3.3. Ökonomische Modelle für ein Energiemanagement 73

viii

Inhaltsverzeichnis

4.3.4. Auktionsorientiertes Energiemanagement . . . . . . 744.4. Klassifizierung und Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.4.1. Klassifizierung der Energiemanagement-Ansätze . 754.4.2. Evaluierung und Auswahl

der Energiemanagement-Ansätze . . . . . . . . . . 764.5. Modularisierung der Funktionsarchitektur . . . . . . . . . . 78

5. Umsetzung der Funktionalitäten

innerhalb der Funktionsarchitektur . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.1. Funktionen des Energiemanagements . . . . . . . . . . . . 815.1.1. Betriebsstrategie ohne Zielführung . . . . . . . . . . 855.1.2. Betriebsstrategie in Zielführung . . . . . . . . . . . . 875.1.3. Funktion zur Reduzierung der Batterieverluste . . . 89

5.2. Funktionen des Antriebsmanagements . . . . . . . . . . . 905.2.1. Fahrstrategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.2.2. Betriebsmodusabhängige Drehmomentenvorgabe . 925.2.3. Drehmomentenkoordination und -steuerung . . . . . 95

5.3. Funktionen der Reichweitenermittlung . . . . . . . . . . . . 985.3.1. Berechnung der Reichweite . . . . . . . . . . . . . . 995.3.2. Prädiktion der Antriebsleistung . . . . . . . . . . . . 1015.3.3. Prädiktion der Klimatisierungsleistungen . . . . . . . 104

6. Virtuelle Gesamtfahrzeugumgebung . . . . . . . . . . . . . .105

6.1. Gesamtfahrzeugmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.1.1. Antriebssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.1.2. Innenraum und Klimatisierung . . . . . . . . . . . . . 1076.1.3. Niedervolt-Bordnetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.2. Ableitung eines Referenzfahrzeugs . . . . . . . . . . . . . . 1146.2.1. Dimensionierung und Ausführung

des Antriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146.2.2. Dimensionierung des Klimasystems . . . . . . . . . 115

ix

Inhaltsverzeichnis

6.3. Modellvalidierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.3.1. Modellvalidierung des Antriebsstrangmodells . . . . 1176.3.2. Modellvalidierung des Innenraummodells . . . . . . 119

6.4. Virtuelle Software-in-the-Loop-Testumgebung . . . . . . . 1206.5. Fahrzyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7. Simulationsgestützte Betriebsstrategieoptimierung . . . . .125

7.1. Methode zur Betriebsstrategieoptimierung . . . . . . . . . . 1257.2. Anwendung der Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7.2.1. Objektivierung der Qualitätsmerkmale . . . . . . . . 1277.2.2. Einflussparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.2.3. Statistische Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . 1347.2.4. Regressionsanalysen zur mathematischen

Beschreibung der Zielgrößen . . . . . . . . . . . . . 1357.2.5. Definition der Zielfunktion . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.3. Ergebnisse der Optimierung zur Entschärfungdes Zielkonflikts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

8. Validierung und Bewertung

der Betriebsstrategie-Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . .151

8.1. Degradierung des Antriebssystems . . . . . . . . . . . . . . 1518.1.1. Begrenzung von Drehmoment und Leistung . . . . . 1518.1.2. Begrenzung der Maximalgeschwindigkeit . . . . . . 153

8.2. Degradierung des Klimatisierungssystems . . . . . . . . . 1548.2.1. Lineare Gewichtung der Zielgrößen . . . . . . . . . 1558.2.2. Sensitivitätsanalyse durch unterschiedliche

Gewichtung der Zielgrößen . . . . . . . . . . . . . . 1598.2.3. Untersuchungen zur Vorkonditionierung

des Innenraums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1618.3. Reduzierung der Batterieverluste . . . . . . . . . . . . . . . 1658.4. Verlustleistungsminimierte Allradverteilung . . . . . . . . . 168

x

Inhaltsverzeichnis

8.5. Prädiktive Betriebsstrategie durch Nutzung vonStrecken- und Umgebungsdaten . . . . . . . . . . . . . . . 172

8.6. Zusammenfassung und Fazit der Betriebsstrategie . . . . . 175

9. Diskussion und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179

A. Energieflussanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183

B. Evaluierung der Energiemanagement-Ansätze . . . . . . . .185

C. Bordnetz-Messungen und Fahrzyklen . . . . . . . . . . . . . .187

D. Signifikanzprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189

E. Lastpunktverteilung in Abhängigkeit der Betriebsstrategie 191

F. Abkürzungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193

G. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .195

xi

Symbolverzeichnis

αabs Absorptionskoeffizient −αkl Wärmeübergangskoeffizient der Kleidung W

m2 Kαs Einfallswinkel der Sonne radβ Steigungswinkel radΔqtheo theor. Differenz der Wärmeabgabe W

m2

δ Schichtdicke mmzu Luftmassenstrom kg

sQAblu f t Wärmestrom der Abluft Wqabs sonne Absorbierte Sonneneinstrahlungsintensität W

m2

qab Abgegebene Wärmestromdichte Wm2

Qdurch Durchgangswärmestrom WQges Gesamter Wärmestrom WQinterieur Wärmestrom des Interieurs WQKarosserie Wärmestrom durch Karosserie WQklima heiz Heizleistungsbedarf WQklima kuehl Kühlleistungsbedarf WQklima Luftseitiger Leistungsbedarf Wqkonv konvektiver Wärmestromdichte W

m2

qm menschlicher Bruttoenergieumsatz Wm2

Qsonne Sonneneinstrahlung Wqsonne Wärmeintensität der Sonne W

m2

Qstrahl Wärmestrom durch Strahlung Wqstrahl Wärmestromdichte infolge Strahlung W

m2

Qtrans Wärmeeintrag infolge Transmission W

xiii

Symbolverzeichnis

qv atm Wärmestromdichte Atmung Wm2

qv di f Wärmestromdichte Diffusion Wm2

qv trans Wärmestromdichte Schweißbildung Wm2

qv Wärmestromdichte durch Verdunstung Wm2

Qzu Zugeführter Wärmestrom Wε Emmisionskoeffizient -εh Hysterese-Koeffizient W

kgεw Wirbelstrom-Koeffizient W

kgη Wirkungsgrad -ηptc Wirkungsgrad PTC −γ Hautdurchlässigkeit kg

sNκ Kurvenkrümmung 1

mλ Wärmedurchgangskoeffizient W

m2 Kλkl Wärmedurchgangskoeffizient Kleidung W

m2 KλL Lagrange Multiplikator −ω Drehzahl rad

sΔax Größe zur Bewertung des Qualitätsmerkmals Dynamik m

s2

a+x Durchschnittliche Beschleunigung im Fahrzyklus ms2

a−x Durchschnittliche Verzögerung im Fahrzyklus ms2

bac Energiebedarf Klimatisierungssystem Whkm

bant Energiebedarf Antriebssystem Whkm

bzyk Größe zur Bewertung des Qualitätsmerkmals Reichweite Whkm

PMV Größe zur Bewertung des thermischen Komforts -V Durchschnittliche Geschwindigkeit im Fahrzyklus km

hY Mittelwert -φ Luftfeuchte -ψ Flussverkettung Vsρ Dichte Luft kg

m3

σ Stefan-Boltzmann-Konstante Wm2K4

τkl Absorptionskoeffizient −

xiv

Symbolverzeichnis

τtrans Transmissionskoeffizient -�X Datenreihe aus Modell -�Y Datenreihe aus Messung -A Flächenelement m2

Ak Verglasungsfläche m2

Am Körperfläche m2

Apro j Projizierte Fläche m2

ax ist Beschleunigung bei degradiertem System ms2

ax prd Prädizierte Längsbeschleunigung ms2

ax soll Beschleunigung bei undegradiertem System ms2

axmax Maximal auftretende Beschleunigung im Fahrzyklus ms2

axmin Maximal auftretende Verzögerung im Fahrzyklus ms2

ay Querbeschleunigung mm2

bac Energieverbrauch Klimatisierungssystem Whkm

bant Energieverbrauch Antriebssystem Whkm

bbn Energieverbrauch Bordnetz Whkm

Bmax Maximale Magnetische Flussdichte Tbx Charakteristische Verzögerung m

s2

bkv Bremskraftverteilung -C Ausnutzungsziffer kWmin

m3

catm Lungen-Volumenstrom kgs

cp bt spezifische Wärmekapazität Bauteiltemperatur WkgK

cp Spezifische Wärmekapazität Wkg K

cw Luftwiderstandsbeiwert -COP Coefficient of Performance −d Durchmesser der Maschine mEmax Maximal nutzbarer Energieinhalt der Batterie WhF Aktivierungsfunktion des Neurons -fel Frequenz 1

sfroll Rollwiderstandsbeiwert -

xv

Symbolverzeichnis

fV Charakteristische Frequenz 1s

Fzug prd Prädizierte Zugkraft Ng Erdbeschleunigung m

s2

gi, j,k Gewichtungsfaktor der Verbindung zum Neuron -h Enthalphie Ws

kgh(x) Höhenverlauf mhlat Latente Verdunstungswärme Ws

kghs Vertikale Schwerpunktslage mIbat Batteriestrom AId Längsstrom Aimax Höchste Getriebeübersetzung -Iq Querstrom AJ Massenträgheitmoment der Maschine kg

m2

K Steuersignal Kupplung −k Exponent zur Gewichtung −kh Korrekturfaktor für Hysterese-Koeffizient -kkr Wärmeleitwiderstand der Karosserie W

m2Kklu f t Maschinenspezifische Konstante für Luftreibung Nmskreib Maschinenspezifische Konstante für Lagerreibung Nmkst Steinmetz-Konstante -kw Korrekturfaktor für Wirbelstrom-Koeffizient -L Lagrangesche Hilfsfunktion −l Länge der Maschine mLd Längsinduktivität Vs

ALq Querinduktivität Vs

AM Drehmoment Nmm Masse der Maschine kgmbt Bauteilmasse kgmcu Kupfermasse kgmcu Kupfermasse kg

xvi

Symbolverzeichnis

Mdes Fahrerwunschmoment NmMdes Soll-Drehmoment NmMEM 1 Soll-Drehmoment Vorderachse NmMEM 2 Soll-Drehmoment Hinterachse Nmmfe Eisenmasse kgmf zg Fahrzeuggewicht kgmgb Gewicht des Getriebes kgMin Eingangsdrehmoment NmMmax Maximales Drehmoment Nmnd Länge der Datenreihe -ngang Anzahl der Gänge -nk Anzahl der Neuronen der Zwischenschicht -nparallel Anzahl der Zellen parallel -nq Anzahl der Qualitätsmerkmale -nseriell Anzahl der Zellen in Reihe -nst Anzahl der Stützstellen im Zyklus -nx Anzahl der Faktoren -ny Anzahl der Zielgrößen -P Leistung Wp Polpaarzahl -Pac max Maximale Leistung Klimatisierung WPac Leistung Klimatisierungssystem Wpd Wasserdampfpartialdruck der Luft N

m2

Pekk Leistung des elektrischen Klimakompressors WPel Elektrische Leistung WPmax Maximale Leistung Antrieb WPmech mechanische Leistung WPprd Prädizierte Radleistung WPptc Leistung der elektrischen Heizung Wps Sättigungsdampfdruck N

m2

xvii

Symbolverzeichnis

Pv bat Batterieverluste WPv cu Kupferverluste WPv EM Verlustleistung der elektrischen Maschine WPv f e Eisenverluste WPv GB Verlustleistung des Getriebes WPv mech Mechanische Verlustleistung WPv W Verlustleistung am Rad WPv Verlustleistung WPMV predicted mean vote -PPD predicted percentage of dissatisfied -q Normierte Zielgröße -qΔax Normierte Zielgröße Dynamik -qbzyk Normierte Zielgröße Reichweite -qPMV Normierte Zielgröße Komfort -R2 Bestimmtheitsmaß -Ri bat Innenwiderstand der Batterie OhmRi zelle Innenwiderstand der Zelle OhmRs Ohmscher Statorwiderstand OhmRW Reichweite kmS Skalierungsfaktor -s Strecke kmsh Abstand der horizontalen Schwerpunktslage zur Hinterachse msv Abstand der horizontalen Schwerpunktslage zur Vorderachse mSOC relativer SOC %T Umgebungstemperatur KTab Temperatur der Abluft KTbt Kalorische Mitteltemperatur KTein Temperatur der Ansaugluft KTh Hautoberflächentemperatur KTi Innenraumtemperatur K

xviii

Symbolverzeichnis

Ts Strahlungstemperatur KV Volumen der Maschine m3

Vk Kurvengeschwindigkeit ms

vlu f t max Maximale Anströmgeschwindigkeit ms

vlu f t Anströmgeschwindigkeit ms

Vmax Maximale Geschwindigkeit im Fahrzyklus kmh

Vmittel Durchschnittliche Geschwindigkeit kmh

Vprd Prädizierte Geschwindigkeit kmh

W Zielfunkionswert -x Faktor ...

y Zielgröße ...

ymax Oberer Grenzwert zur Normierung der Zielgröße -ymin Unterer Grenzwert zur Normierung der Zielgröße -yV Charakteristische Amplitude km

h

xix

1. Einleitung

1.1. Elektromobilität - Neue Chancen und Herausforderungen

Fossile Brennstoffe als Energieträger in Verbindung mit Verbrennungsmotorenstellen bisweilen in der Geschichte des Automobils die Grundlage zur Siche-rung der individuellen Mobilität dar. Aufgrund eingeschränkter Rohölvorkom-men und der damit einhergehenden Ressourcenverknappung sowie insbesonde-re der Klimarelevanz fossiler Kraftstoffe findet aktuell ein politischer Bewusst-seinswandel statt, der langfristig die Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffenfordert, um den anthropogenen CO2-Ausstoß zu reduzieren.Unter diesen Gesichtspunkten hat sich die International Energy Agency unterAbstimmung der G8 Staatengemeinschaft bis zum Jahr 2050 eine 50%ige Re-duzierung der globalen CO2-Emissionen zum Ziel gesetzt. Um dieses Vorhabenzu unterstützen, soll im Verkehrssektor die Marktdurchdringung von Elektro-und Plug-In-Hybridfahrzeugen auf einen Anteil von insgesamt 50% gesteigertwerden [93]. Als nationale Initiative zur CO2-Reduzierung verabschiedete hier-zu die Bundesregierung den nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, wel-cher vorsieht, bis zum Jahr 2020 eine Million Elektrofahrzeuge inDeutschland zuzulassen [23].Wie werden sich die Automobilmärkte unter diesen politischen und sozialenRahmenbedingungen entwickeln? Alle Vorsätze und Pläne zur Marktdurchdrin-gung von Elektrofahrzeugen können nur realisiert werden, wenn eine durchgän-gige Kundenakzeptanz bezüglich der Elektromobilität erreicht werden kann.Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge weisen aktuell im Vergleich zum konven-tionell verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug vor allem hinsichtlich

1

1. Einleitung

Energiespeichervermögen und der damit verbundenen reduzierten Reichweiteerhebliche Nachteile auf. Dies bestätigt eine vom Bundesministerium in Auf-trag gegebene Umfrage, wonach als wesentliche Hindernisse sowohl die gerin-ge Reichweite als auch hohe Anschaffungskosten von vielen Langzeitnutzernals kritisch benannt wurden [100]. Diese Gegebenheiten können zu Skepsis undAblehnung seitens potentieller Käufer führen, woraus eine Verhinderung dergeforderten Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen resultiert. Die Kun-denakzeptanz stellt sich vor diesem Hintergrund sowohl als ein technisches alsaber auch ein psychologisches Problem zur Erfüllung der Mobilitätsanforderun-gen dar [98].Um die Reichweite und somit auch die Kundenakzeptanz von Elektrofahrzeu-gen zu steigern ist es unerlässlich, den Betrieb des Gesamtfahrzeugs über ei-ne optimale Betriebsstrategie möglichst effizient zu gestalten. Es müssen mit-tels innovativer Assistenzsysteme und neuartiger Funktionalitäten Hilfestellun-gen zur Verfügung gestellt werden, um die Planungssicherheit zu erhöhen undReichweitenängste in Verbindungmit Elektrofahrzeugen zu nehmen. Diese Funk-tionalitäten steigern die Wertigkeit dieser für den Kunden neuartigen Fahrzeu-ge und können somit einen Beitrag zu einer besseren Marktdurchdringung vonElektrofahrzeugen leisten.

1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

Ziel dieser Arbeit sind der Entwurf und die Implementierung einer Funktions-architektur für Elektrofahrzeuge, welche die Vorgabe einer ganzheitlichen Be-triebsstrategie aus Sicht des Gesamtfahrzeugs ermöglicht. Die Betriebsstrate-gie soll möglichst adaptiv, prädiktiv sowie situationsbedingt einen optimalenBetrieb des Fahrzeugs gewährleisten, um die Reichweite des Elektrofahrzeugsbedarfsgerecht zu erhöhen. Hierbei sollen die im Fahrbetrieb auftretenden An-forderungen bezüglich Reichweite, Dynamik sowie Komfort gewährleistet wer-den. Dies impliziert eine Verwaltung der Energieflüsse im Fahrzeug in Form

2

1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit

eines Energiemanagements unter Berücksichtigung aller verbrauchsrelevantenEnergiequellen und -senken. Um diese Betriebsstrategie-Maßnahmen evaluie-ren zu können, soll eine virtuelle Gesamtfahrzeugumgebung implementiert wer-den, welche das energetische, längsdynamische sowie thermische Fahrzeugver-halten gesamthaft abbildet.In Kapitel 2 wird der Stand der Forschung bezüglich der abzubildenden Teilsys-teme eines Elektrofahrzeugs sowie etablierter Entwicklungsprozesse zur me-thodischen Funktionsentwicklung erarbeitet. Anschließend werden in Kapitel3 Energieflussanalysen mit dem Ziel durchgeführt, den Energieverbrauch vonElektrofahrzeugen unter dem Einfluss möglicher Konzeptvarianten des Antriebs-systems und maßgeblicher Umgebungsbedingungen zu quantifizieren. Dieseenergetischen Analysen bilden die Grundlage für die Identifikation und die De-finition neuartiger Funktionen zur Vorgabe von wirksamen Betriebsstrategie-Maßnahmen für Elektrofahrzeuge.Diese Funktionen werden in Kapitel 4 anforderungsgerecht spezifiziert undin Kapitel 5 modellbasiert implementiert. Zur Evaluierung der entwickeltenBetriebsstrategie-Maßnahmen wird eine virtuelle Gesamtfahrzeugumgebung ein-gesetzt, deren Umsetzung und Validierung in Kapitel 6 erfolgt.Die Funktionsarchitektur ist modular und skalierbar aufgebaut, um ein mög-lichst breites Einsatzspektrum für Elektrofahrzeuge unterschiedlicher Segmenteund Ausstattungsmerkmale bedienen zu können. Die Diversifizierung und dieEingriffstiefe der einzelnen Betriebsstrategie-Maßnahmen können durch Appli-kationsparameter spezifisch ausgeprägt werden. Um diese ermitteln zu können,findet eine in Kapitel 7 beschriebene Methode Anwendung. Diese hat das Ziel,das Spannungsfeld bestehend aus Reichweiten-, Dynamik- sowie Komfortan-forderungen zu objektivieren und unter Anwendung mathematischer Verfahrenzu entschärfen. Kapitel 8 dient im Anschluss der Validierung und Evaluierungder entwickelten Betriebsstrategie-Maßnahmen in repräsentativen Zyklen.Die Arbeit schließt in Kapitel 9 mit einer zusammenfassenden Darstellung undeinem Ausblick ab.

3

2. Stand der Wissenschaft und Forschung

Elektrofahrzeuge unterscheiden sich aufgrund ihrer elektrischen Primärenergie-quelle grundlegend von konventionellen Fahrzeugen, sowohl im Aufbau desAntriebs als auch hinsichtlich ihrer Nebenaggregate und den damit verbunde-nen Fahrzeugfunktionen. In diesem Kapitel wird ein Überblick über die einzel-nen Komponenten des Antriebsstrangs und die wesentlichen Nebenaggregateeines Elektrofahrzeugs gegeben. Der Fokus liegt hierbei auf der Beschreibungdes energetischen Verhaltens. Dieses Grundlagenverständnis ist notwendig, umdie jeweiligen Komponenten und deren Wechselwirkungen in einer Gesamt-fahrzeugsimulation abzubilden. Im Anschluss an die Beschreibung der Kom-ponenten wird auf die Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere den Bereich derFahrerassistenzsysteme und die hierfür geltenden Entwicklungsprozesse einge-gangen. Abschließend wird der Begriff Energiemanagement für automobile An-wendungen diskutiert.

2.1. Elektrisches Antriebssystem

Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen bestehen aus den Komponenten zurEnergiebereitstellung in elektrochemischer Form, zur Umwandlung der elektri-schen in mechanische Antriebsenergie und umgekehrt sowie zur Übertragungder mechanischen Antriebsenergie zu den Rädern. Diese Komponenten werdenim Folgenden detailliert dargestellt.

5


2.1.1. Traktionsbatterie als Energiespeicher im Fahrzeug

Akkumulatoren stellen elektrochemische Energiespeicher dar. Durch Umwand-lung der elektrischen in chemische Energie ermöglichen sie die Speicherungüber einen langen Zeitraum hinweg. Sie stellen den Standard als Speichersys-tem für Elektrofahrzeuge dar. Klassifiziert werden Akkumulatoren durch dieVerschaltung der Einzelzellen, der Bauform der Zellen sowie hinsichtlich derverwendeten Zellchemie. Dies sind die maßgeblichen Einflussfaktoren für denInnenwiderstand und somit die Güte des Akkumulators als Gesamtsystem. DieTraktionsbatterie steht im Spannungsfeld verschiedenster Anforderungen [98]:

• Energiedichte (gravimetrisch und volumetrisch)• Leistungsdichte (gravimetrisch und volumetrisch)• Kalendarische Lebensdauer• Zyklenfestigkeit• Sicherheit• Kosten

Der Energie- und Leistungsdichte kommen besondere Bedeutung zu. Die Ener-giedichte ist hierbei zur Erfüllung der Kundenakzeptanz durch Reichweitenan-forderungen unter Einhaltung von Gewichts- und Bauraumrestriktionen aus-schlaggebend. Die Leistungsdichte der Batterie gibt unterdessen das Leistungs-vermögen des elektrischen Antriebssystems und der Nebenaggregate vor.Die Batterie als Gesamtsystem besteht zur Spannungserhöhung aus einer Rei-henschaltung von Zellen, die zu Strängen zusammengefasst werden. MehrereStränge können zur Kapazitätserhöhung parallel verschaltet werden. Somit sindZellspannung und Zellkapazität weitere wichtige Eigenschaften, welche die An-zahl der parallel und in Reihe geschalteter Zellen zur Erreichung eines gefor-derten Gesamtenergieinhalts und der Leistung vorgeben.Verluste in der Batterie Pv bat treten aufgrund des Innenwiderstands Ri bat auf.Dieser ergibt sich aus den Innenwiderständen der verschalteten EinzelzellenRi zelle und ist zusätzlich abhängig vom Batterieladezustand SoC (State of Char-

6


ge) sowie der Temperatur T . Berechnet wird der Innenwiderstand Ri bat gemäßGleichung [2.1] mittels des Zellinnenwiderstands Ri zelle, der Anzahl in Reihegeschalteter Zellen nseriell und der Anzahl der Stänge nparallel.

Ri bat (SoC, T ) = Ri zellenseriellnparallel

[2.1]

Die im Betrieb auftretenden Batterieverluste beim Laden und Entladen werdenin Abhängigkeit des aktuellen Klemmenstroms |Ibat |, des BatterieladezustandsSoC und der Temperatur T nach Gleichung [2.2] berücksichtigt.

Pv bat (SoC, T ) = Ri bat(SoC, T ) I2bat [2.2]

2.1.2. Elektrische Maschinen

Elektrische Maschinen wandeln elektrische in mechanische Energie und um-gekehrt. Prinzipiell kann jede Maschine sowohl motorisch als auch genera-torisch betrieben werden. Sie agiert somit in Abhängigkeit des Betriebsmo-dus als Energiequelle oder -senke. Darüber hinaus ist auch eine Drehzahlum-kehr möglich. Dies gewährleistet einen Vier-Quadranten-Betrieb und macht ei-ne mechanische Drehzahlumkehr zum Reversieren des Fahrzeugs überflüssig.Aufgrund ihrer Drehmoment-Charakteristik sind elektrische Maschinen prin-zipiell gut zum Einsatz in Fahrzeugen geeignet. Ein hohes Drehmoment kannbereits im Stillstand aufgebracht werden, sodass eine Anfahrkupplung entfal-len kann. Im Bremsbetrieb kann die Maschine als Generator fungieren, wo-bei die gewonnene Energie in den elektrischen Energiespeicher zurückgespeistwird. In Abbildung 2.1 ist der qualitative Drehmomentverlauf von elektrischenMaschinen dargestellt. Im unteren Drehzahlbereich (Ankerstellbereich) bleibtdas maximale Drehmoment mit wachsender Drehzahl konstant, die Leistungsteigt linear an. Daran schließt sich der so genannte Feldschwächbereich an,bei dem die Leistung

7

idealisiert konstant gehalten wird und somit das Drehmoment hyperbolisch ab -nimmt. Hierdurch kann die Drehzahl ab der Spannungsgrenze am Nennpunkt weiter angehoben werden.

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Abb. 2.1.: Qualitatives Kennfeld einer elektrischen Maschine und Lage der maximalenWirkungsgrade in Abhängigkeit des Maschinentyps, in Anlehnung an [69]

8

Vergleich unterschiedlicher MaschinentypenElektrischeMaschinen können in Abhängigkeit ihres Funktionsprinzips in Asyn-chron- (ASM), Fremderregte Synchron- (FESM), Permantenerregte Synchron-(PSM) sowie Geschaltete Reluktanzmaschinen (GRM) unterschieden werden.Für den automobilen Einsatz weisen diese Typen unterschiedliche Charakteris-tika auf. Spezifische Eigenschaften zur Charakterisierung der unterschiedlichenMaschinentypen wurden in der Literatur bereits ausgiebig bewertet und mit-einander verglichen [21], [59], [79], [70], [98]. Tabelle 2.1 zeigt einen zusam-menfassenden Überblick hinsichtlich typischer Vor- (+) und Nachteile (-) sowiegleich bewerteter Eigenschaften (0) der unterschiedlichen Maschinentypen.


Tab. 2.1.: Bewertung spezifischer Eigenschaften elektrischer Maschinen in Abhängigkeit desMaschinentyps nach [21], [59], [79], [70], [98]

ASM FESM PSM GRM

Wirkungsgrad 0 0 + 0

Leerlaufverluste + 0 - +

Kosten 0 - - +

Akustik + + + -

Überlastfähigkeit 0 0 + 0

Verschleiß + - + +

Fehlerverhalten 0 0 - +

Asynchronmaschinen weisen den ausgereiftesten Entwicklungsstand bei Elek-tromaschinen auf, weshalb sie in sehr hohen Stückzahlen vor allem im industri-ellen Bereich im Einsatz sind. Sie besitzen einen akzeptablenWirkungsgrad undein unauffälliges akustisches Verhalten. Nachteilig ist die geringere Leistungs-dichte der Maschine, woraus in Bezug auf die installierte Maschinenleistung einhohes Gewicht resultiert.Die FESM zeigt ein gutes Steuerverhalten, jedoch benötigt die Maschine einenhohen Einsatz von Kupfer, wodurch sie sehr kostenintensiv wird und eine nied-rige Leistungsdichte aufweist. Ebenfalls nachteilig sind je nach Bauart dieSchleifkontakte am Rotor hinsichtlich Verschleiß und Sicherheit.Die PSM hat aufgrund ihrer Selbsterregung durch Magnete am Rotor einen sehrhohenMaximalwirkungsgrad und eine sehr hohe Leistungsdichte. Nachteilig istjedoch, dass im Fehlerfall die Maschine schlagartig blockieren kann. Hierdurchmuss hinsichtlich funktionaler Sicherheit ein hoher Aufwand zur Absicherungbetrieben werden. Hinzu kommt, dass die verwendeten magnetischen Materia-lien sehr teuer sind und somit die Systemkosten sehr hoch ausfallen können.Vorteile der GRM sind einfache Konstruktion und geringe Fertigungskosten.Auch bezüglich funktionaler Sicherheit bietet die GRM Vorteile im Fehlerfall,

9


wodurch geringere Kosten hinsichtlich Fail-Safe-Konzepten zu erwarten sind.Hieraus resultiert insgesamt ein großer Kostenvorteil. Nachteilig ist jedoch vorallem das akustische Verhalten der Maschine.Für den Energieverbrauch eines Elektrofahrzeugs in unterschiedlichen Zyklenist der Wirkungsgrad der Maschine im jeweiligen Arbeitspunkt entscheidend.Die Maschinentypen weisen Unterschiede im Absolutwert des Maximalwir-kungsgrads (siehe Tabelle 2.1), aber auch bezüglich der Lage im Kennfeld auf.Abbildung 2.1 zeigt qualitativ die drehzahl- und lastabhängigen Bereiche desmaximalen Wirkungsgrades der unterschiedlichen Maschinentypen. Der Best-punkt der PSM liegt prinzipbedingt um den Nennpunkt. ASM haben bei höherenDrehzahlen und mittleren Lasten, GRM und FESM nahe der Volllast ihren ma-ximalen Wirkungsgrad.

Beschreibung elektrischer MaschinenDurch eine analytische Beschreibung am Beispiel einer PSM sollen zunächstwesentliche Einflussparameter und Zusammenhänge erörtert werden. Hieraussoll eine kennfeldbasierte Darstellung abgeleitet werden.Zur Beschreibung in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem kann das Dreh-moment M gemäß Gleichung [2.3] angenommen werden [66].

M =32p(ψ Iq−

(Lq−Ld

)IdIq

)[2.3]

Mit:p: Polpaarzahlψ: FlussverkettungLd und Lq: Längs- und QuerinduktivitätId und Iq: Längs- und Querstrom

10


Die mechanische Leistung Pmech nach Gleichung [2.4] kann durch Erweiterungvon Gleichung [2.3] um die Drehzahl ω ermittelt werden.

Pmech =Mω =

(32p(ψ Iq−

(Lq−Ld

)Id Iq

))ω [2.4]

Verluste treten in Form von Kupferverlusten Pv cu, durch Ummagnetisierungals Eisenverluste Pv f e bedingt durch Hysterese-, Wirbelstrom- und Streuver-lusten sowie mechanische Verluste Pv mech bedingt durch Lager- und Luftrei-bung auf. Diese können analytisch durch die Gleichungen [2.5]-[2.7] beschrie-ben werden [79], [72]. Da zur rein analytischen Ermittlung der Verluste nachGleichung [2.5]-[2.7] empirische Parameter benötigt werden, ist die analyti-sche Berechnung insbesondere in Bezug auf die Eisenverluste Pv f e unschär-febehaftet. Daher wird die Berechnung meist mit Hilfe von FEM1-Analysenrechnergestützt durchgeführt.

Pv cu = 3Rs

(I2d2+I2q2

)[2.5]

Pv f e = mfeεh kh(fel50Hz

)(Bmax1.5T

)kst[2.6]

+mfeεw kw(fel50Hz

)2(Bmax1.5T

)2Pv mech = kreibω + klu f tω2 [2.7]

Dabei bedeuten:Rs: Ohmscher Statorwiderstandmfe: Eisenmasseεh: Hysterese-Koeffizientεw: Wirbelstrom-Koeffizientkh: Fabrikationsbedingter Korrekturfaktor für Hysterese-Koeffizientkw: Fabrikationsbedingter Korrekturfaktor für Wirbelstrom-Koeffizient1 Finite Element Methode

11


fel: Elektrische Frequenzkst : Steinmetz-KonstanteBmax: Maximale Magnetische Flussdichtekreib: Maschinenspezifische Konstante für Lagerreibungklu f t : Maschinenspezifische Konstante für Luftreibung

Der last- und drehzahlabhängige Wirkungsgrad η ergibt sich unter Annahmedieser Verluste nach Gleichung [2.8].

η(M,n) =Pmech

Pmech+Pv f e+Pv cu+Pv mech=

MωMω +Pv f e+Pv cu+Pv mech

[2.8]

Abbildung 2.2(a) zeigt einWirkungsgradkennfeld einer permanenterregten Syn-chronmaschine zur Darstellung des last- und drehzahlabhängigen Verhaltens fürden gesamten motorischen Betriebsbereich.

2000 4000 6000 8000 10000 120000

50

100

150

200

Drehzahl [rpm]

Dre

hmom

ent [

Nm

] 73%77%

83%

87%

89%91%

93%

10 kW20 kW

40 kW

60 kW

80 kW

η=konst.P=konst.

(a) Exemplarisches Wirkungsgradkennfeld

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

1

2

3

4

5

6

7

Drehzahl [rpm]

Ver

lust

leis

tung

[kW

]

PSMASM

(b) Vergleich der Leerlaufverluste bei Nullmoment

Abb. 2.2.: Kennfeldbasierte Beschreibung elektrischer Maschinen [25]

Durch die Umwandlung von Wirkungsgrad in Verlustleistung ist es möglich,die Maschine auch bei Nullmoment energetisch zu beschreiben. Denn auchwenn die Maschine kein Drehmoment abgibt, werden Verluste generiert, wel-che sich je nach Maschinentyp systembedingt unterscheiden. Abbildung 2.2(b)zeigt einen Vergleich der Leerlaufverluste einer exemplarischen ASM und PSM

gleicher Leistungsklasse. Ersichtlich sind die systembedingt hohen Leerlaufver-

12


lediglich mechanische Verluste.

Skalierung mittels WachstumsgesetzeDa für Konzeptuntersuchungen unter Umständen Maschinenkennfelder nichtin beliebigen Leistungsklassen vorliegen, besteht die Möglichkeit, mittels derWachstumsgesetze für elektrische Maschinen ein vorliegendes Maschinenkenn-feld innerhalb eingeschränkter Leistungsbereiche zu skalieren. Die Skalierunggewährleistet ein hohes Maß an Vergleichbarkeit für durchzuführende Unter-suchungen, da von einer identischen konstruktiven Ausführung ausgegangenwird. Bei der Skalierung werden Gewicht, Volumen, Leistung, Drehmoment-Drehzahl-Charakteristik sowie Trägheitsmomente in Abhängigkeit der geome-trischen Abmessung von Durchmesser d und Aktivlänge l berücksichtigt. Be-sondere Bedeutung kommt dem Wirkungsgradverhalten der Maschine zu, dadieses für ein Elektrofahrzeug verbrauchsbestimmend ist.Der Skalierung liegt als Annahme eine quadratische Rotorauslegung für die li-nearen Abmessungen mit Durchmesser d und Rotorlänge l mit d = l zu Grunde.Dies führt zu gleich bleibender Materialausnutzung. Die Skalierung wird durchden Geometrie-Faktor S beschrieben. Die Leistung einer elektrischen Maschinekann näherungsweise nach [87] gemäß Gleichung [2.9] in Abhängigkeit ihrerAbmessungen mit

Pmech =Mω =Cld2ω [2.9]

beschrieben werden, wobei C die Ausnutzungsziffer der Maschine darstellt.Die Proportionalität der Leistung zu den Abmessungen d und l ergibt sich so-mit nach dem Wachstumsgesetz für elektrische Maschinen nach [16] gemäßGleichung [2.10] zu:

Pmech ∝ d2 l ∝ d3 [2.10]

13

luste der PSM bei der Abgabeleistung Pmech= 0, bedingt durch die Feldinduzie-rung durch die Permanentmagnete des Rotors. ASM hingegen besitzen hierbei


Volumen V und Masse m ergeben sich zu:

V =π4d2 l ∝ d3 [2.11]

m ∝ V ∝ d3 [2.12]

Das Trägheitsmoment J ergibt sich zu:

J =12m(d2

)2∝ d5 [2.13]

Für eine Skalierung der Leistung über ihre geometrischen Abmessungen zuP∗mech mit S ∝ d und d = l folgt nach dem Wachstumsgesetz für elektrischeMaschine nach [88] :

P∗mech = PmechS3 [2.14]

J∗ = JS5 [2.15]

m∗ = mS3 [2.16]

Die Massen für Kupfer mcu und Eisen mfe und die sich hieraus ergebendenVerluste gemäß Gleichung [2.5] und [2.6] werden entsprechend nach [88] zu:

mcu ∝ Pv cu ∝ S3 [2.17]

mfe ∝ Pv f e ∝ S3 [2.18]

Dies bedeutet für den Wirkungsgrad η∗ der skalierten Maschine:

η∗ =PmechS3

PmechS3+Pv cuS3+Pv f eS3+Pv mech[2.19]

Mechanische Verluste ändern sich lediglich marginal in Abhängigkeit der Ska-lierung [12]. Gemäß der Gleichungen [2.14]-[2.19] werden Maschinen mit zu-nehmender Baugröße effizienter, da sich bei gleicher Stromdichte und Induk-tion die Kupfer- und Eisenverluste proportional zum Volumen verhalten [89].

14


Hierüber nimmt die Leistungsdichte der Maschine ebenfalls mit der Baugrößezu [87]. Skudelny [87] gibt unter diesen Annahmen über den ursprünglichenWirkungsgrad η eine Skalierung der Wirkungsgrade gemäß Gleichung 2.20 an.

η∗ =1

1+ 1S

(1η −1

) [2.20]

2.1.3. Mechanische Komponenten des Antriebsstrangs

Der Antriebsstrang überträgt und verteilt das mechanisch abgegebene Motor-drehmoment der elektrischen Maschine(n) an die Räder und umgekehrt. Getrie-be sind hierbei als Kennungswandler notwendig, um das zur Verfügung stehen-de Zugkraftangebot des Antriebsaggregats der durch Fahrwiderstände beding-ten Zugkraftanforderung anzugleichen [50]. Abbildung 2.3 zeigt einen quali-tativen Vergleich der Lieferkennfelder eines Verbrennungsmotors nach Abbil-dung 2.3(a) und einer elektrischen Maschine nach Abbildung 2.3(b) im Zug-kraftdiagramm jeweils oben ohne und unten mit Kennungswandler.

(a) Konventioneller Antriebsstrang (b) Elektrischer Antriebsstrang

Abb. 2.3.: Qualitativer Vergleich der Lieferkennfelder im Zugkraftdiagramm mit (unten)und ohne (oben) Kennungswandler

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Der konventionelle Antriebsstrang benötigt aufgrund der Charakteristik des Ver-brennungsmotors ein mehrgängiges Getriebe und ein Anfahrelement, um diegewünschte Zugkraftanforderung zu erfüllen. Bei Elektrofahrzeugen ist einMehr-ganggetriebe aufgrund der Charakteristik der elektrischenMaschine nicht zwin-gend erforderlich. Auch das Anfahrelement kann entfallen. Bei der Wandlungvon Drehmoment und Drehzahl treten im Getriebe Verluste auf. Diese sind so-wohl last- als auch drehzahlabhängig [68]. Hierfür kann ein entsprechendesWirkungsgrad-Kennfeld, wie in Abbildung 2.4 dargestellt, abgeleitet werden.

05000

1000015000

0100

20030094

95

96

97

98

99

100

Drehzahl [1/min]Moment [Nm]

Wirk

ungs

grad

[%]

94.5

95

95.5

96

96.5

97

Abb. 2.4.: Exemplarisches Wirkungsgradkennfeld eines Getriebes [25]

Das Gewicht eines Getriebes mgb kann in Abhängigkeit des Eingangsdrehmo-mentes Min, der Maximalübersetzung imax sowie der Gangzahl ngang mit Hilfeder empirisch ermittelter Gleichung [2.21] abgeschätzt werden [68]. Bei Getrie-ben mit einer festen Übersetzungsstufe wird ngang = 1 angenommen.

mgb = 0.199((imaxMin)0.669 n0.334gang

)[2.21]

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2.2. Nebenaggregate

Liegt ein zentraler Achsantrieb vor, wird analog dem konventionellen Antriebss-trang ein Differential benötigt, um bei Kurvenfahrt zwischen kurveninneremund -äußerem Rad einen Drehzahlausgleich zu ermöglichen. Der Wirkungsgraddes Differentials kann nach [68] in erster Näherung als konstantangenommen werden.

2.2. Nebenaggregate

Neben dem Antriebssystem müssen in Elektrofahrzeugen alle weiteren Neben-verbraucher ebenfalls elektrisch betrieben und aus demHochvolt-Energiespeichergespeist werden. Im Speziellen sind dies Hochvolt-Komponenten des Klimati-sierungssystems und alle weiteren Niedervolt-Verbraucher, welche über einenDC/DC-Wandler angebunden werden. Da diese Verbraucher die Reichweite desFahrzeugs erheblich beeinflussen, sollen diese im Folgenden näher beschriebenwerden.

2.2.1. Klimatisierung des Innenraums

Das Klimatisierungssystem stellt zur Gewährleistung der thermischen Behag-lichkeit in der Fahrzeugkabine einen wesentlichen Energieverbraucher im Ge-samtfahrzeug dar.

Physiologie und KomfortempfindenDer notwendige Kühl- und Heizleistungsbedarf zur Innenraumklimatisierungist vom Behaglichkeits- und Komfortempfinden der Insassen abhängig. Zur Be-wertung dieses thermischen Komforts hat sich das von Fanger [28] entwickeltephysiologische Modell etabliert, welches in normativen Schriften für den euro-päischen [3] und amerikanischen [1] Raum verankert ist.

17


Nach Fanger [28] wird der thermische Komfort im Wesentlichen durch die fol-genden Größen beeinflusst:

• Innenraumtemperatur• Mittlere Strahlungstemperatur• Luftfeuchte• Luftgeschwindigkeit• Aktivität des Menschen (Bruttoenergieumsatz)• Bekleidung (äquivalenter Wärmeleitwiderstand)

Das beschriebene Komfortmodell bildet hierbei den menschlichen Wärmehaus-halt als einen einzigen Masseknoten ab und kann somit als eine Bewertungder globalen thermischen Behaglichkeit betrachtet werden. Es beschreibt hier-zu zum einen die vomMenschen ausgehenden flächenbezogenen Wärmestrom-dichten ∑ ˙qab durch Verdunstung, Konvektion und Strahlung und zum ande-ren den menschlichen Bruttoenergieumsatzes qm als Wärmequelle gemäß Glei-chung [2.22]. Durch qm kann somit die auf die Körperoberfläche bezogeneStoffwechselrate in Abhängigkeit der Aktivität des Menschen (schlafend, sit-zende Tätigkeit, stehende Tätigkeit, Sport etc.) ausgedrückt werden, d.h. wievielWärmeleistung der Mensch in Abhängigkeit seiner Tätigkeit bezogen auf dieKörperoberfläche produziert. Das ursprünglich für die Gebäudetechnik entwi-ckelte Modell kann durch Erweiterung der absorbierten Sonneneinstrahlungsin-tensität qabs sonne als weitere Wärmequelle nach [38] zur Bestimmung des ther-mischen Komforts in der Fahrzeugkabine Anwendung finden. Es gilt zunächst:

qm+ qabs sonne = ∑ qab = qv+ qkonv+ qstrahl [2.22]

Die Summe der abgehenden Wärmestromdichten wird durch Verdunstung qvin Form von Diffusion qv di f , Schweißbildung qv trans sowie Atmung qv atm,konvektivem Wärmestrom qkonv sowie Wärmestrahlung qstrahl nach Gleichung[2.22] bilanziert. Nachfolgend werden die genannten Wärmestromdichten (inder Einheit Wm2 ) einzeln ausgeführt.

18

2.2. Nebenaggregate

Absorbierte Sonneneinstrahlung qabs sonne:Die vom Insassen absorbiete Sonneneinstrahlung qabs sonne kann nach [38] mit-tels Absorbtionskoeffizient τkl und der Sonneneinstrahlungsintensität qsonne nachGleichung [2.23] berechnet werden.

qabs sonne = τklqsonne [2.23]

Verdunstung durch Diffusion qv di f :Die Diffusion kann nach [10] mittels der massebezogenen latenten Verduns-tungswärme hlat , der Hautdurchlässigkeit γ sowie der Differenz aus Sättigungs-dampfdruck ps undWasserdampfpartialdruck der Luft pd nach Gleichung [2.24]ermittelt werden, wobei in [10] keine Abhängigkeit zur Hautoberflächentempe-ratur beschrieben wird.

qv di f = hlatγ (ps− pd) [2.24]

Verdunstung durch Schweißbildung qv trans:Sowohl in [10] als auch [38] ist hierzu folgende Zahlengleichung [2.25] alsNäherung in Abhängigkeit der Stoffwechselrate qm aufgeführt. Es handelt sichnicht um eine physikalisch korrekte Formulierung. Sie gilt als Näherung fürbehaglich empfundene Bedingungen.

qv trans = 0.42(qm−50

W

m2

)[2.25]

Verdunstung durch Atmung qv atm:[10] beschreibt die Wärmestromdichte der Verdunstung durch Atmung durchden Lungen-Volumenstrom catm, die massebezogene latente Verdunstungswär-me hlat sowie die relative Luftfeuchte φ . Diese Wärmeleistung wird mittels derKörperoberfläche Am in eine auf die Körperoberfläche bezogene Wärmestrom-dichte nach Gleichung [2.26] umgerechnet.

qv atm = catmhlatφ1Am

[2.26]

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Konvektion qkonv:Die Wärmestromdichte infolge Konvektion ergibt sich mit dem Wärmeüber-gangskoeffizienten der Kleidung αkl und der Differenz der mittleren Hauttem-peratur Th sowie der mittleren Innenraumtemperatur Ti nach Gleichung [2.27].Da in [10] von einem mittleren Wärmeübergangskoeffizienten der Bekleidungausgegangen wird, wird zusätzlich ein Skalierungsfaktor über die Anströmge-schwindigkeit vlu f t und die maximale Anströmgeschwindigkeit des Gebläsesvlu f t max eingeführt, welcher somit den Wärmeübergang in Abhängigkeit derAnströmgeschwindigkeit berücksichtigt. Diese Annahme ist nur für geringeAnströmgeschwindigkeiten wie sie in Gebäuden oder Fahrzeugen auftreten mitvlu f t max ≤ 5ms gültig und kann nicht auf größere Anströmgeschwindigkeitenübertragen werden.

qkonv = αkl√ vlu f tvlu f t max

(Th−Ti) [2.27]

Wärmestrahlung qstrahl:Die Wärmestromdichte durch Wärmestrahlung ergibt sich mit dem Absorpti-onskoeffizient τkl, der Stefan-Boltzmann Konstanten σ , der mittleren Hauttem-peratur Th sowie der mittleren Strahlungstemperatur Ts.

qstrahl = τkl σ(T 4h −T 4s

)[2.28]

Für die biophysikalischen Größen qm, qv di f , qv trans, qv atm sowie die thermo-dynamische Beschreibung der Kleidung in Form von αkl und τkl können aus[10] und [38] entsprechende konstante Erfahrungs- bzw. Messwerte entnommenwerden. Es handelt sich somit um ein statisches nicht regelndes physiologischesKomfortmodell, welches die globale Behaglichkeit auf Basis der veränderlichenraumklimatischen Größen Temperatur, Sonneneinstrahlung, Luftfeuchte sowieAnströmgeschwindigkeit beschreibt.Daher kann nach Gleichung [2.29] gemäß [77] mit Δqtheo die theoretische „Dif-ferenz zwischen aktivitätsbedingter Wärmeabgabe qm und der bei den vorlie-genden raumklimatischen und bekleidungsphysiologischen Verhältnissen be-

20

2.2. Nebenaggregate

stimmbaren behaglichen Wärmeabgabe ∑ ˙qab“ ermittelt werden, welche sichergibt, wenn sich der menschliche Körper nicht im thermischen Gleichgewichtmit der Umgebung befinden würde. Mit „aktivitätsbedingter Wärmeabgabe“meint Richter [77] hierbei eine Wärme, die in Abhängigkeit der Aktivität desMenschen in Form von Stoffwechselreaktionen entsteht und nach außen an dieUmgebung abgeführt werden muss, damit sich der Körper nicht aufheizt (oderabkühlt) und sich weiterhin im thermischen Gleichgewicht befindet. Denn nurwenn ein thermisches Gleichgewicht existiert, wird dies bezüglich des thermi-schen Komforts als angenehm empfunden.

Δqtheo = qm+ qabs sonne−∑ qab [2.29]

Demnach ist Δqtheo > 0 wenn der menschliche Körper theoretisch Wärme auf-nehmen würde und in Folge dessen eine Empfindung in Richtung warm statt-findet. Umgekehrt ist Δqtheo < 0 wenn der menschliche Körper Wärme an dieUmgebung abgeben würde und somit eine Empfindung in Richtung kalt statt-findet. Die Größe Δqtheo ist somit rein theoretischer Natur, da tatsächlich dermenschliche Körper durch metabolische Reaktionen auf entsprechende klima-tische Einflüsse reagieren würde.

Als Bewertungsgröße des thermischen Komforts nach Fanger [28] wird dannder dimensionslose PMV -Index nach Gleichung [2.30] mit Hilfe von Δqtheo

PMV = Δqtheo ·Skalierungs f unktion

= Δqtheo(1m2

Wexp

(−0.036m

2

Wqm

)+0.028

m2

W

)[2.30]

als empirisch ermittelte Zahlengleichung zur Beschreibung eines mittlerenWär-mebeurteilungsindex gebildet. Fanger entwickelte hierzu eine aus Probanden-versuchen rein empirisch abgeleitete Skalierungsfunktion, um den PMV -Indexdimensionslos darstellen zu können. Diese Exponentialfunktion ist in Abhän-gigkeit des Bruttoenergieumsatzes qm im Exponenten und wird über den Faktor−0.036m2

W zum einheitenlosen Exponenten normiert.

21


Tab. 2.2.: Skala zur Bewertung des thermischen Komforts nach [28]

Empfinden PMV [-] PPD [-]

Heiß 3 100

Warm 2 78

Leicht warm 1 26

Neutral 0 5

Leicht kühl -1 26

Kühl -2 78

Kalt -3 100

Der thermische Komfort kann somit durch den von Fanger [28] entwickeltenPMV - und PPD-Index, entsprechend der Skala gemäß Tabelle 2.2,angegeben werden.Aus dem PMV -Index kann der zu erwartende Prozentsatz an Probanden errech-net werden, welcher mit den aktuellen klimatischen Bedingungen unzufriedenist. Auch hierzu leitete Fanger eine empirisch ermittelte Formel ab. Dieser Pro-zentsatz wird durch den PPD-Index (predicted percentage of dissatisfied) aus-gedrückt und ergibt sich nach Gleichung [2.31] zu:

PPD= 100−95exp(−0.03343 |PMV |4−0.2179PMV 2

)[2.31]

Die Haupteinflussgrößen in Fahrzeugen für das Behaglichkeitsempfinden sindlaut [38] die Innenraum- und Strahlungstemperatur. Der Luftfeuchte kommtnach [10] in Bezug auf das Behaglichkeitsempfinden eine untergeordnete Rol-le zu. Sie ist jedoch nicht zu vernachlässigen insbesondere auch aufgrund vonmöglichem Scheibenbeschlag.Abbildung 2.5 zeigt den Zusammenhang zwischen Außentemperatur und Be-haglichkeitstemperatur im Fahrzeuginnenraum, welche nach DIN 1946 [2] alswesentliche Soll-Größe zur Klimaregelung dient. Im dargestellten Komfortbandbeträgt der PMV -Index ±0.5.

22

2.2. Nebenaggregate

−20 −10 0 10 20 30 4015

20

25

30

Umgebungstemperatur [°C]

Tem

pera

tur I

nnen

raum

[°C

]

ZieltemperaturKomfortband

Abb. 2.5.: Empfohlene Ziel-Innenraumtemperatur nach DIN 1946 [2]

Komponenten und Funktionen zur InnenraumklimatisierungDie Aufgaben der Fahrzeug-Innenraumklimatisierung sind nach [57]:

• Ein angenehmes Innenraumklima zur Steigerung des Wohlbefindens zuschaffen und Ermüdung vor allem bei hohen Außentemperaturen entge-genzuwirken. Dies beinhaltet auch das Sicherstellen eines Mindestsauer-stoffgehalts des Innenraums mittels Steuerung der Umluftklappe.

• Die Scheiben durch Trocknung der Luft in Verbindung mit der Heizungfrei von Beschlag zu halten.

Generell kann zwischen den Betriebsarten Außenluft-, Umluft- und Mischbe-trieb unterschieden werden. Mittels der Umluftklappe können diese Betriebs-arten eingestellt werden. Beim Außenluftbetrieb gelangt Umgebungsluft übereinen Partikel- und Wasserabscheider zum Klimagerät. Dort wird sie je nachBedarf durch den Verdampfer abgekühlt und/oder durch den Heizungswärme-tauscher anschließend aufgeheizt. Im Umluftbetrieb wird die Luft des Fahrgas-traums angesaugt, gereinigt und umgewälzt. Ferner wird zwischen den Zustän-den Kühlen und Heizen unterschieden. Die Ansaugluft wird beim Durchströ-men des Verdampfers gekühlt. Je nach Stellung der Heizklappe wird sie an-

23


schließend am Heizungswärmetauscher wieder erhitzt. Dieser Re-Heat-Betriebdient primär der Luftentfeuchtung und kann neben dem reinen Kühlen oder Hei-zen als weiterer Betriebszustand angesehen werden. Bei dieser Betriebsart sindsowohl Klimakompressor als auch Heizung gleichzeitig aktiv.Bei konventionellen Fahrzeugen wird zum Heizen das Kühlmedium durch dieMotorabwärme am Wärmetauscher aufgeheizt, welches dann die durchströ-mende Luft zum Innenraum erwärmt. Bei Elektrofahrzeugen reicht die Abwär-me des Antriebssystems aufgrund der hohen Effizienz zur Innenraumheizungnicht aus. Aus diesem Grund werden meist elektrische Widerstandsheizungenals PTC2-Elemente eingesetzt. Zur Steigerung der Effizienz werden in aktuellenForschungsarbeiten Wärmepumpensysteme für den Einsatz in Elektrofahrzeu-gen untersucht [51].Zum Kühlen der Fahrgastzelle wird der Kältekreislauf, bestehend aus elektri-schem Klimakompressor, Kondensator, Verdampfer und Gebläse, eingesetzt.Das zunächst gasförmige Kältemittel wird durch den Kompressor auf ein erhöh-tes Druckniveau komprimiert, wobei es sich erwärmt. Am Kondensator wird esvon umströmender Außenluft abgekühlt wodurch es in einen flüssigen Aggre-gatszustand übergeht. Anschließend wird es expandiert wodurch es zur Abküh-lung kommt. Hierbei findet ein Übergang in einen gasförmigen Aggregatszu-stand statt, wobei aus dem Verdampfer Wärme aufgenommen wird.

2.2.2. Weitere Nebenaggregate

Je nach Witterungsbedingungen und Komforteinstellungen durch den Fahrerbelasten weitere elektrische Nebenverbraucher zusätzlich das Hochvolt-Energie-netz eines Elektrofahrzeugs und erhöhen somit den Gesamtenergieverbrauch.Gespeist werden diese Verbraucher über einen Gleichspannungswechselrich-ter zur Spannungstransformation auf die im Automobilbereich übliche Nie-derspannungslage. Tabelle 2.3 zeigt nach [57] eine Auswahl der aus energe-

2 Positiv Temperatur Coefficient

24

2.3. Elektronik im Kraftfahrzeug

tischen Aspekten bedeutendsten elektrischen Niedervolt-Verbraucher, ohne je-doch den Anspruch auf Vollständigkeit zu besitzen. Nicht aufgeführt sind vomAutor [57] beispielsweise die Leistungsaufnahmen vom gesamten Steuergerä-teverbund oder weiterer Komfortverbraucher wie Sitz- und Lenkradheizung.

Tab. 2.3.: Mittlere Leistungsaufnahme von elektrischen Niedervoltverbrauchern [57]

Verbraucher mittlere Leistungsaufnahme [W]

Kühlerlüfter 200...800

Gebläse Innenraum 100...500

Scheibenheizung 120

Scheibenwischer 80...150

Abblendlicht 110

Fernlicht 120

Schlussleuchten 10


Die elektronischen Systeme im Fahrzeug sind vielfach nicht von einander unab-hängig. Im Sinne eines Systems handelt es sich um verteilte Funktionen, welchesich über Kommunikationsmechanismen austauschen können. Die Komplexitätdieser Funktionalitäten und die Anzahl an verbauten Steuergeräten wächst kon-tinuierlich, vor allem vor dem Hintergrund steigender aktiver Sicherheits- undKomfortbedürfnisse im Automobilbau [19].

2.3.1. Fahrerassistenzsysteme

Fahrerassistenzsysteme nehmen bei der Unterstützung des Fahrers unterschied-liche Aufgaben wahr. Diese gliedern sich in Sicherheits-, Komfort- sowie Infor-mationsfunktionen. Allen Systemen gemein ist jedoch eine Interaktion mit demFahrer. In der Literatur werden Fahrassistenzsysteme nach unterschiedlichen

25


Gesichtspunkten klassifiziert. In [61] wird eine funktionsorientierte Kategori-sierung vorgenommen, indem in autonome Systeme, Komfortsysteme, Fahrin-formationssysteme sowie effizienzsteigernde Systeme unterschieden wird. In[55] wird ein umfassender Überblick über aktuell serienreife Fahrerassistenz-systeme gegeben. Diese werden in Tabelle 2.4 exemplarisch dargestellt undnach [61] kategorisiert. Tabelle 2.4 verdeutlicht die Schwierigkeit der eindeu-

Tab. 2.4.: Serienreife Fahrerassistenzsysteme nach [55] und deren Einteilung nach [61]

Systembezeichnung Kategorie

Abbiegeassistent Fahrinformationssystem

Adaptive Cruise Control (ACC) Autonomes / Komfortsystem

Adaptive Cruise Control InnoDrive (ACCi) Autonomes System / Verbrauch

Adaptive Lichtsysteme Komfortsystem

Einparkassistent Autonomes / Komfortsystem

Elektronisches Stabilitätssystem (ESP) Autonomes System

Müdigkeitserkennung Fahrinformationssystem

Spurhalteassistent (LKA) Autonomes System

Spurverlassenswarner (LDW) Fahrinformationssystem

Notbremsassistent Autonomes System

Verkehrszeichenerkennung Fahrinformationssystem

26

tigen Kategorisierung. Daher wird in [82] in zwei Ebenen unterschieden, zumeinen im Unterstützungsgrad des Systems (informierend, agierend) und zumanderen in der Aufgabe des Systems (Navigation, Führung, Stabilisierung). Esergibt sich nach Tabelle 2.5 eine Matrix nach folgendemMuster. Schneider [82]klassifiziert hierbei das ACC-System als agierende Stabilisierung, wobei aucheine agierende Führung als Einteilung vorgenommen werden könnte.


Tab. 2.5.: Einteilungsmatrix für Fahrerassistenzsysteme nach [82]

Navigation Führung Stabilisierung

Informierend Navigationssystem Spurverlassenswarner -Agierend - Notbremsassistent ACC

2.3.2. Kommunikation und Vernetzung der Funktionen

Die Kommunikation und Vernetzung der Funktionen im automobilen Steuerge-räteverbund wird standardmäßig mittels CAN3 ausgeführt. Es handelt sich hier-bei um einen seriellen, zweiadrigen Datenbus. Alle Teilnehmer des Netzwer-kes sind gleichberechtigt in der Kommunikation. Die Botschaften zum Infor-mationsaustausch sind jedoch untereinander mittels ihres Identifiers priorisiert.Durch Arbitrierung über die Identifier wird eine zuverlässige Übermittlung derNachrichten sichergestellt [53].Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Funktionsarchitektur setzt den CAN-Bus als standardmäßiges Kommunikationsmittel im Fahrzeug voraus.

2.3.3. Sensorik

Sämtliche Fahrerassistenzfunktionen stützen sich auf eine Vielzahl an Infor-mationen, welche von entsprechender Sensorik zur Verfügung gestellt werden.Hierbei kann zwischen fahrzeugeigenen bzw. internen Größen und Informatio-nen zum Fahrzeugumfeld bzw. externen Größen unterschieden werden.Das ESP4 zur Fahrzeugstabilisierung in fahrdynamischen Grenzbereichen be-nötigt Sensorik zur Erfassung der Gierrate, Längs- und Querbeschleunigung,Fahrzeuglängsgeschwindigkeit, Raddrehzahlen sowie den Lenkradwinkel.Darüber hinaus stellen die elektrischen Antriebskomponenten Informationen zuSpannungen und Strömen bereit, sowohl für den aktuellen Zustand als auch prä-diktiv zur Ermittlung von verfügbaren Leistungsgrenzen.3 Control Area Network4 Elektronisches Stabilitätsprogramm

27


Das Navigationssystem kann darüber hinaus Streckeninformationen für den ak-tuellen und kommenden Streckenverlauf bereit stellen. Mit Hilfe des ADASIS5-Protokolls können prädiktive Informationen zu Straßentyp, Geschwindigkeits-limits, Höhenverlauf und Kurvenkrümmung via CAN-Bus übermittelt werden[76]. Diese Informationen sind für eine adaptive und prädiktive Betriebsstra-tegie von entscheidender Bedeutung, um den aktuellen und zukünftigen Leis-tungsbedarf des Gesamtfahrzeugs abzuschätzen und eine streckenspezifisch op-timale Betriebsstrategie zu entwickeln.

2.4. Methodiken zur Entwicklung mechatronischer Systeme

Mit steigender Anzahl an verteilten Funktionen und Elektronik im Automobilwachsen gleichbedeutend die softwaretechnischen Umfänge. Zur zielgerichte-ten Entwicklung solcher mechatronischen Systeme haben sich entsprechendeMethodiken und Prozesse etabliert, welche einen durchgängigen und struktu-rierten Systementwurf ermöglichen.Aus der Systemtheorie sind Methoden und systematische Denkweisen zur An-wendung komplexer Problemlösungsprozesse im Rahmen des Produktentwick-lungsprozesses bekannt. Diese Art der Betrachtung beschreibt das zu entwi-ckelnde Produkt als Zielsystem auf Basis von definierten Anforderungen undKundenwünschen [99]. Als Handlungssysteme werden alle an der Entwicklungbeteiligten Prozesse und Ressourcen zusammengefasst. Das Objektsystem be-schreibt letztendlich das technische Produkt als Realisierung des Zielsystemsdurch die Festlegung beispielsweise geometrischer, stofflicher sowie funktiona-ler Eigenschaften. Ziel der Produktentwicklung ist das Überführen eines Ziel-systems mit Hilfe des Handlungssystems in ein Objektsystem [73].Als Grundlage des automobilen Elektronik- und Software-Entwicklungspro-zesses dient das V-Modell gemäß Abbildung 2.6, welches nach VDI Richtlinie

5 Advanced Driver Assistance Systems Interface Specification

28

2.4. Methodiken zur Entwicklung mechatronischer Systeme

2206 - „Entwicklung mechatronischer Systeme“ [6] als Problemlösungsprozessbei der Entwicklung mechatronischer Systeme spezifiziert wird. Es kann so-mit nach Auffassung der Systemtheorie als Handlungssystem verstanden wer-den. Es gliedert sich in zwei Äste und beschreibt durchgängig als „Makrozy-

Abb. 2.6.: Das V-Modell nach VDI 2206 [6]

Der linke Arm beinhaltet den Systementwurf als top down Prozess, beginnendmit der Anforderungsdefinition, über den Systementwurf bis hin zur Implemen-tierung. In [84] wird der Systementwurf noch detaillierter untergliedert in Spe-zifikation der logischen Architektur, der technischen Architektur, der Software-Architektur und der Software-Komponenten. Hierbei wird, ausgehend von der

29

klus“ die einander abfolgenden Entwicklungsschritte und das „generische Vor-gehen beim Entwurf“ der formalen und funktionalen Systembeschreibung überdie Umsetzung und Integration bis hin zur Funktions- und Qualitätssicherungim Fahrzeug.


erstellten Anforderungsdefinition, erst das System funktional gegliedert. An-schließend erfolgt eine Unterteilung in technisch realisierbare Module. Durchhierarchische Verknüpfungen kann somit eine Architektur der gesamthaft zu er-stellenden Software aufgebaut werden. Die einzelnen Komponenten werden aufBasis ihrer Schnittstellen und Variablendeklaration spezifiziert und festgelegt.Im Anschluss kann die eigentliche Implementierung erfolgen.Die rechte Seite hingegen beinhaltet eine bottom up Systemintegration. Die ein-zelnen Module werden hierbei zu einem immer komplexer werdenden Gesamt-system verknüpft. Die Eigenschaftsabsicherung und Validierung erfolgt hierbeijeweils in horizontaler Ebene. An oberster Stelle steht am Ende das adressierteund fertig ausgestaltete Produkt bzw. System. Die beschriebe VDI-Richtlinie2206 und im Speziellen das V-Modell stellen die methodische Grundlage alsVorgehensmodell der im Rahmen dieser Arbeit zu entwickelnden Funktionsar-chitektur dar.

2.5. Betriebsstrategie und Energiemanagement

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine ganzheitliche Betriebsstrategie für Elektro-fahrzeuge aus Gesamtfahrzeugsicht entwickelt werden. In diesem Kontext sollder Begriff Energiemanagement näher erläutert werden.Nach VDI Richtlinie 4602 [7] ist „Energiemanagement [...] die vorausschau-ende, organisierte und systematische Koordinierung, Beschaffung, Wandlung,Verteilung und Nutzung von Energie zur Deckung der Anforderungen unterBerücksichtigung ökologischer und ökonomischer Zielsetzungen. [...] Ziele desEnergiemanagements sind u.a.: Befriedigung der Nutzer- oder Prozessanfor-derungen, Sicherheit der Energiebereitstellung, Komfort- und Repräsentations-anforderungen, Senkung der Energiekosten, Senkung der Anlagenkosten, Ver-besserung der Gesamtwirtschaftlichkeit, Schaffung einer ökologischen Vorbild-funktion usw.“. Im Automobilbereich wird der Begriff in zweierlei Hinsichtverstanden. Zum einen beschreibt das Energiemanagement in Verbindung mit

30

2.5. Betriebsstrategie und Energiemanagement

Hybridfahrzeugen die Betriebsstrategie des Antriebssystems und koordiniertdas energieeffiziente Zusammenspiel des Antriebsstrangs. Zum anderen findetdie Begrifflichkeit des Energiemanagements bezüglich elektrischer Niedervolt-Energiebordnetze und deren Regelung Anwendung.

2.5.1. Betriebsstrategien für Antriebssysteme

Aus der Literatur sind Betriebsstrategien für Hybridfahrzeuge sowohl für paral-lele, serielle als auch leistungsverzweigte Topologien bekannt [102], [56], [95],[34]. Diese beinhalten allesamt die Steuerung und Koordinierung des Antriebss-trangs, im Speziellen das Zusammenspiel von Verbrennungskraftmaschine undelektrischem Antriebssystem. Hierbei liegt der Fokus auf einem möglichst effi-zienten und kraftstoffsparenden Einsatz des Gesamtsystems, bestehend aus Ver-brennungskraftmaschine, Energiespeicher und elektrischer Maschine.Als Steuergröße der Betriebsstrategie dient bei Hybridfahrzeugen primär derLadezustand der Batterie (SoC). Ziel der Betriebsstrategie ist ein ausgegliche-ner Ladezustand der Batterie über den gesamten Zyklus. Durch Einsatz und Un-terstützung des elektrischen Traktionssystems resultiert eine betriebsstrategie-abhängige Kraftstoffersparnis in Abhängigkeit des Hybridisierungsgrades undder Antriebsstrang-Topologie von 5% bis 20% [75] .Allen Betriebsstrategien gemein ist eine Optimierung der Energieeffizienz. NachHofmann [43] kann eine Kategorisierung hinsichtlich „der Art der Erstellungder implementierten Gesetzmäßigkeiten“ vorgenommen werden.

Statische BetriebsstrategienSie beinhalten klar definierte Regeln und Grenzen, wie exemplarisch in [44],[29] beschrieben. Es bedarf keiner Kenntnis über die zu befahrende Strecke. DieBetriebsmodi werden in Abhängigkeit gewisser Betriebsgrößen, primär demSoC, aber auch sekundärer Größen wie geforderter Antriebsleistung, Geschwin-digkeit, Temperaturen etc. eingestellt. Hierbei werden meist mit Hilfe von Zu-standsautomaten diskrete Betriebszustände vorgegeben.

31


Erfahrungsbasierte BetriebsstrategienWerden hingegen kontinuierliche Regler mit Hilfe von Fuzzy-Logik oder neu-ronaler Netze verwendet, können nicht diskrete Betriebszustände erreicht wer-den, exemplarisch in [83] dargestellt. Hierfür sind entsprechendes Wissen undErfahrung über das Systemverhalten notwendig. Daher wird diese Art der Be-triebsstrategie auch als heuristisch bezeichnet.

Analytische BetriebsstrategienHierbei wird die Betriebsstrategie auf Basis einer analytischen Optimierungdurchgeführt [52], [49]. Mathematisch wird das Optimierungsproblem über ei-ne Zielfunktion formuliert. Diese ist durch einen entsprechenden Parameter-satz an Eingangsgrößen beschrieben. Diese repräsentieren alle relevanten Ein-flussparameter des technischen Systems. Die Optimierung kann dabei eine odermehrere Zielgrößen beinhalten (Kraftstoffverbrauch, Fahrleistung, Bauteilschutzetc.). Nebenbedingungen können das Optimierungsproblem zu einer konver-genten Lösung eingrenzen bzw. restriktieren.

Prädiktive BetriebsstrategienDurch die Kenntnis von Streckeninformationen einer zukünftig zu befahrendenStrecke kann eine Vorhersage über Fahr- und Verkehrssituationen getroffen wer-den. Durch die Erweiterung der Kenntnis über zukünftige Ereignisse und Leis-tungsbedarfe kann eine optimale Lösung für den jeweiligen Prädiktionshorizontgefunden werden [11], [92], [101]. Somit kann nicht nur ein lokales, sondernein globales Optimum innerhalb des Prädiktionshorizonts ermittelt werden.

2.5.2. Elektrisches Energiemanagement

Der Begriff Energiemanagement ist nicht nur in Verbindung mit Betriebsstra-tegien für Hybridfahrzeuge, sondern auch in Bezug auf das Niedervolt-Ener-giebordnetz als das zentrale Energieversorgungssystem beim konventionellenFahrzeug gebräuchlich. In Abschnitt 4.3 werden hierzu eine detaillierte Erläu-

32

2.6. Einordnung der Arbeit

terung sowie Kategorisierung des elektrischen Niedervolt-Energiemanagementsvorgestellt. In [78] wird dies wie folgt definiert: „Ein elektrisches Energiema-nagement koordiniert während der Fahrt das Zusammenspiel von Generator,Spannungswandler, Batterie und elektrischen Verbrauchern.“Der Fokus hierbei ist die zuverlässige und zugleich effiziente Versorgung derNiedervolt-Nebenverbraucher mit Energie. Diese Energie entstammt entwederder Niedervolt-Batterie oder muss zusätzlich durch die installierte Generator-Einheit indirekt durch Lastpunktanhebung vom Verbrennungsmotorerbracht werden.

2.6. Einordnung der Arbeit

Durch eine ganzheitliche Betriebsstrategie aus Sicht des Gesamtfahrzeugs istes mit Hilfe einer Verwaltung der Energieflüsse aller Verbraucher möglich, dieReichweite eines Elektrofahrzeugs bedarfsgerecht zu beeinflussen. Die vorlie-gende Arbeit orientiert sich hierzu an der Definition des Begriffs Energiemana-gement gemäß der VDI Richtlinie 4602 [7] und interpretiert diesen aus Sichtdes Gesamtfahrzeugs. Sie vereint die beiden aufgeführten gebräuchlichen auto-mobilen Verwendungen des Begriffs zu einem gesamtheitlichen Ansatz. DemFahrer kann hierdurch eine Unterstützung zur Erhöhung der Planungssicher-heit seiner Routen gegeben werden. Somit übernimmt das Energiemanagementrespektive die Betriebsstrategie auch die Funktion eines neuartigen Fahrerassis-tenzsystems mit agierendem sowie informierendem Charakter. Der Marktüber-blick aktueller Fahrerassistenzsysteme nach Tabelle 2.4 verdeutlicht den Fokusund Nutzen heutiger Systeme hinsichtlich der Ausprägung als präventives In-strument zur Steigerung der aktiven Sicherheit. Da die Alltagstauglichkeit vonElektrofahrzeugen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen durch die redu-zierte Reichweite beschränkt ist, werden innovative Fahrerassistenzsysteme be-nötigt, welche diesen neuartigen Anforderungen funktional gerecht werden, umdie Fahrzeugverfügbarkeit zu erhöhen und dadurch eine breitere Marktdurch-

33


dringung und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu ermöglichen. Der Fokus dervorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung einer hierfür geeigneten Funk-tionsarchitektur zur Umsetzung von Betriebsstrategie-Maßnahmen zur Steige-rung der Reichweite und zum bedarfsgerechten Einsatz der zur Verfügung ste-henden Energie durch Effizienz-Funktionen. Zur Betriebsstrategieoptimierungwerden mit Hilfe einer entwickelten Methode Objektivgrößen der übergeordne-ten Qualitätsmerkmale Reichweite, Fahrzeugdynamik sowie thermischer Innen-raumkomfort berücksichtigt. Die folgenden Untersuchungen werden simulati-onsgestützt mit Hilfe eines Gesamtfahrzeugmodells durchgeführt. Dieses wirdmit einem realen Versuchsträger eines Elektrofahrzeugs validiert. Die vorlie-gende Arbeit besitzt den Charakter einer virtuellen Konzeptuntersuchung undkann als Handlungssystem für die frühe Produktentwicklungsphase verstandenwerden. Die Funktionen und Algorithmen zur Betriebsstrategie-Vorgabe wer-den bereits echtzeitfähig für den Einsatz auf einer Rapid-Prototyping-Hardwareumgesetzt, um die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse direkt inein Fahrzeug übertragen zu können.Um diese Funktionen methodisch entwickeln zu können, sind jedoch zunächstspezifische Anforderungen gemäß des V-Modells, als für diese Arbeit maßgeb-liches Handlungssystem, zu erörtern, welche einen anforderungsgerechten Sys-tementwurf ermöglichen. Hierfür muss die Vielzahl an funktionalen Konzepten,insbesondere die Ausführungsmöglichkeiten des Antriebssystems, in Form vonVoruntersuchungen methodisch analysiert und bewertet werden, um letztend-lich das zielführendste Konzept auswählen zu können. Die einzelnen Funktio-nen können dann für dieses Fahrzeug-Konzept entwickelt und bewertet werden.Die einzelnen Komponenten eines Elektrofahrzeugs sind heute bereits aus eta-blierten Anwendungen bekannt. Sie können hinreichend abgebildet und separatbeschrieben werden. Deren Zusammenspiel und die hieraus entstehenden sys-temischen Korrelationen und Wechselwirkungen im Gesamtfahrzeug aber auchmit der Umwelt sind für Elektrofahrzeuge noch nicht hinreichend analysiert underforscht. Diese Arbeit soll auch hierzu einen Beitrag leisten.

34

3. Bewertung funktionaler Konzeptedurch energetische Analysen bei Elektrofahrzeugen

Das folgende Kapitel 3 soll als Voruntersuchung im Kontext einer umfangrei-chen Analyse der konzeptabhängigen Energieflüsse bei Elektrofahrzeugen die-nen. Hierzu werden eingangs übergeordnete Anforderungen an Elektrofahrzeu-ge in Abhängigkeit des Fahrzeugsegments diskutiert. Auf diesen Anforderun-gen aufbauend wird eine Methode vorgestellt, welche unterschiedliche funk-tionale Konzepte bewertet, um eine anforderungsgerechte Ausführung des An-triebssystems zu ermöglichen. Unter Anwendung dieser Methode wird aus derVielzahl möglicher Antriebskonzepte das zielführendste für weitere Untersu-chungen abgeleitet.Darüber hinaus sollen wesentliche Einflussparameter auf den Gesamtenergie-verbrauch und somit die Reichweite identifiziert werden. Hierzu werden so-wohl das ausgewählte elektrische Antriebs- als auch das Klimatisierungssystemin repräsentativen Zyklen und Umgebungsbedingungen analysiert. Diese Date-nerhebung soll zum Erkenntnisgewinn als Grundlage für den Entwurf einer Be-triebsstrategie aus Gesamtfahrzeugsicht führen und relevante Maßnahmen zurSteigerung der Reichweite identifizieren.

3.1. Anforderungsgerechte Gestaltung des Antriebskonzepts

Das elektrische Antriebssystem stellt zur Erfüllung der Zielgrößen im Rah-men des Produktentwicklungsprozesses einen wesentlichen Bestandteil inner-halb des Gesamtfahrzeugs dar. Um sinnvolle funktionale Konzepte zu identifi-zieren, wird im Folgenden eine Methode zur anforderungsgerechten Gestaltungdes Antriebssystems vorgestellt. Diese sieht die Schritte

35

3. Bewertung funktionaler Konzepte durch energetische Analysen bei Elektrofahrzeugen

1. Definition und Gewichtung der Zielgrößen in Abhängigkeitdes Fahrzeugsegments

2. Auswahl des Maschinentyps mittels Nutzwertanalyse3. Auswahl der Antriebstopologie mittels energetischer Analysen

vor, welche im Folgenden näher ausgeführt werden.

3.1.1. Fahrzeugsegmentabhängige Zielgrößen

Im Produktentwicklungsprozess müssen unterschiedliche und auch teilweisekonkurrierende Anforderungen erfüllt werden. Diese lassen sich in die Bereicheder kunden- und herstellerspezifischen sowie der gesetzlichen Anforderungs-profile unterteilen [36].Damit ein neues Produkt vom Markt und seinen potentiellen Käufern ange-nommen wird, müssen deren Erwartungen an ein neues Fahrzeugkonzept zu-friedenstellend erfüllt sein. Diese Erwartungen des Kunden werden somit zuZielgrößen für den gesamten Entwicklungsprozess. Studien zeigen mittels re-präsentativer Umfragen, welche Zielgrößen für die Kaufentscheidung prinzipi-ell ausschlaggebend sind [9], [24], [41], [90], [15]. Effizienz und Reichweite,Sicherheit, Performance, Komfort, Anschaffungskosten sowie Stauraum stehenhierbei je nach Fahrzeugsegment mehr oder weniger im Vordergrund.Aus Perspektive der Fahrzeugentwicklung sind diese Erwartungen demnachentsprechend zu berücksichtigen und repräsentieren Indikatoren zur Ableitungeines Zielekatalogs. Aus herstellerspezifischer Sicht existieren weitere Faktorenwie das Maßkonzept, das Package der Komponenten innerhalb des Gesamtfahr-zeugs sowie das Fahrzeuggewicht.Seitens des Gesetzgebers fließen darüber hinaus nationale und internationaleRegularien für Emissions-, Geräusch- und Sicherheitsanforderungen als weite-re Zielgrößen in den Produktentwicklungsprozess ein.Die Erfüllung dieser kunden-, hersteller- sowie gesetzgebungsspezifischen Ziel-größen stellt aus technischer sowie ökonomischer Sicht meist einen Zielkonflikt

36


für den Produktentwicklungsprozess dar [97]. Um das Produkt bestmöglich in-nerhalb dieses Zielkonflikts zu positionieren, werden ausgewählte Zielgrößenim Rahmen der zu entwickelnden Methode in Abhängigkeit des Fahrzeugseg-ments unterschiedlich zueinander gewichtet, um segmentspezifische Anforde-rungen für ein Elektrofahrzeug ableiten zu können.

Abbildung 3.1 stellt die Bedeutung der oben aufgeführten Zielgrößen und de-ren Gewichtung in Abhängigkeit des Fahrzeugsegments dar. Die Gewichtungwurde exemplarisch von 1 (geringe Bedeutung) bis 10 (hohe Bedeutung) imRahmen eines interdisziplinär besetzten Expertengesprächs durchgeführt. Diedargestellten Gewichtungen besitzen somit subjektiven Charakter und könnenje nach Fahrzeugprojekt individuell angepasst werden.Bei Kleinwagen stehen gemäß Abbildung 3.1(a) die Anschaffungskosten alsKaufkriterium im Vordergrund. Weitere wichtige Zielgrößen für den Entwick-lungsprozess sind Gewicht und Package aufgrund des geringen verfügbarenBauvolumens. Der Performance kommt in diesem Fahrzeugsegment eine unter-geordnete Rolle zu. Da der urbane Raum das Haupteinsatzgebiet eines Klein-wagens darstellt, werden mittlere Reichweiten erwartet.Bei Mittelklasse-Fahrzeugen entspannt sich die Bauraum- und Gewichtssituati-on im Vergleich zum Kleinwagen nach Abbildung 3.1(b). Ein wichtiger AspektimMittelklasse-Segment ist die Reichweite. Zusätzlich wird eine höhere Perfor-mance der Fahrzeuge erwartet, da diese nicht ausschließlich im urbanen Umfeldeingesetzt werden. Auch die Komfortansprüche sind im Vergleich zum Klein-wagen wesentlich höher. Es werden künftig ähnliche Ansprüche wie bei Ober-klassefahrzeugen erwartet [65]. Jedoch kann bei Oberklasse-Fahrzeugen ein hö-heres Preisniveau erreicht werden.Bei Oberklasse-Fahrzeugen ist die Gewichts- und Packagesituation besser. Ho-her Komfort, aber auch ansprechende Performance werden in diesem Segmentvorausgesetzt, siehe Abbildung 3.1(c).Performance und Fahrdynamik stehen beim Sportwagen klar im Fokus. Für den

37


Entwicklungsprozess hat dies gemäß Abbildung 3.1(d) zur Folge, dass der Bau-raum limitiert ist und vor allem das Gewicht aufgrund der hohen Dynamikan-forderungen gering sein muss. Die Kosten treten im Vergleich zu anderen Fahr-zeugsegmenten in den Hintergrund.Da Transportfahrzeuge vorwiegend kommerziell im Lieferverkehr genutzt wer-den, können hierbei Komfort und Performance zu Gunsten der Kosten als zen-trale Zielgröße niedriger gewichtet werden. Aufgrund des großen Fahrzeugvo-lumens entspannt sich die Package- und Gewichtssituation,siehe Abbildung 3.1(e). Diese in Abhängigkeit des Fahrzeugsegments gewich-teten Zielgrößen stellen die Grundlage für den weiteren Auswahlprozess imRahmen der Gestaltung des Antriebskonzepts dar.

38


10Kosten

Gewicht8Package

6Reichweite

2

Performance

6666

Komfort

10

(a) Kleinwagen

9999 Kosten

7Gewicht

7Package

10Reichweite

5

Performance8

Komfort

(b) Mittelklasse

7 Kosten

5

Gewicht

5

Package

10Reichweite

8Performance 10 Komfort

(c) Oberklasse

Kosten

10Gewicht10Package

6Reichweite

10Performance

6Komfort

3

(d) Sportwagen

10Kosten

5

Gewicht

5

Package

8Reichweite2

Performance

6666

Komfort

(e) Transporter

Abb. 3.1.: Gewichtung relevanter Zielgrößen in Abhängigkeit des Fahrzeugsegments

39


3.1.2. Auswahl der elektrischen Antriebsmaschine unterBerücksichtigung der gewichteten Zielgrößen

Aufgrund der Vielzahl an Maschinentypen (siehe Abschnitt 2.1.2) soll mit Hilfeeiner Nutzwertanalyse durch Verknüpfung der gewichteten Zielgrößen und dermaschinentypspezifischen Eigenschaften nach Tabelle 2.1 eine Hilfestellung fürden Maschinen-Auswahlprozess vorgestellt werden.Mit Hilfe einer Nutzwertanalyse soll im Folgenden eine möglichst objektiveAussage zur Auswahl des Maschinentyps im Kontext der verschiedenen Fahr-zeugsegmente getroffen werden. Tabelle 3.1 zeigt eine exemplarische Zuord-nung der Zielgrößen zu den maschinenspezifischen Eigenschaften.

Tab. 3.1.: Verknüpfung der Zielgrößen mit maschinenspezifischen Eigenschaften

Zielgrößen Maschinenspezifische Eigenschaften

ReichweiteWirkungsgrad

Leerlaufverluste

PerformanceLeistungsdichte

Überlastfähigkeit

KostenKosten

Fehlerverhalten

Package Leistungsdichte

Gewicht Leistungsdichte

Komfort / NVH1 Akustik

Für eine Nutzwertanalyse werden die aus der Literatur stammenden Eigen-schaften gemäß Tabelle 2.1 entsprechend für Vorteile (+) mit 2 Punkten, neu-tral (0) mit 1 Punkt und Nachteile (-) mit 0 Punkten bewertet. Anschließend1Noise Vibration Harshness

40


wird mit den gewichteten Zielgrößen je Fahrzeugsegment nach Abbildung 3.1durch Multiplikation ein Teilnutzwert bestimmt. Werden mehrere Eigenschaf-ten mit einer Zielgröße verknüpft, wird zur Bewertung das arithmetische Mittelgebildet. Die einzelnen Teilnutzwerte werden anschließend zu einem Gesamt-nutzwert addiert. Hierdurch wird eine Indikation zur zielgerichteten Auswahldes Maschinentyps für ein jeweiliges Fahrzeugsegment deutlich. Je höher derGesamtnutzwert ausfällt, desto besser eignet sich ein entsprechender Maschi-nentyp für ein spezifisches Fahrzeugsegment.Tabelle 3.2 stellt die Ergebnisse der exemplarisch durchgeführten Maschinen-auswahl dar.

Tab. 3.2.: Ergebnis der Nutzwertanalyse zur Maschinenauswahl

ASM FESM PSM GRM

Kleinwagen 51 24 58 49

Mittelklasse 59 33 64 52

Oberklasse 60 37.5 66 47

Sportwagen 54 24.5 78 45

Transporter 46 26 44 44

In Abhängigkeit konkreter Maschinen und individueller Gewichtung kann dasBewertungsverfahren auf konkrete Fahrzeugprojekte angepasst werden. Aus derNutzwertanalyse ist ersichtlich, dass sich prinzipiell PSM für den Einsatz inElektrofahrzeugen sehr gut eignen. Aufgrund der hohen Kosten erscheint je-doch bei Kleinwagen die ASM als probate Alternative. Ebenso bei Fahrzeugender Mittel- und Oberklasse. Die hohen Anforderungen an Performance, Packa-ge und Gewicht bei Sportwagen kann jedoch ausschließlich die PSM erfüllen.Bei Transporterfahrzeugen stellt sich aufgrund der hohen Gewichtung der Kos-ten bei gleichzeitig geringer Gewichtung bezüglich des Package die ASM alssehr geeignet dar, wobei auch die GRM aufgrund der niedrigen Gewichtung desKomforts künftig eventuell in Betracht kommen könnte. FESM erscheinen bei

41


dieser exemplarisch durchgeführten Analyse aufgrund der niedrigen Nutzwertefür den Einsatz bei reinen Elektrofahrzeugen als weniger geeignet.

3.1.3. Antriebstopologien unter Berücksichtigungder gewichteten Zielgrößen

Als Antriebsstrang-Topologie wird die Anordnung der einzelnen am Energief-luss beteiligten Komponenten im Antriebsstrang verstanden. Durch eine freieAnordnung der Antriebsstrang-Komponenten bestehen prinzipiell verschiede-ne Möglichkeiten zur Gestaltung der Antriebstopologie bei Elektrofahrzeugen.Sie können unabhängig vom gewählten Maschinentyp nach folgenden Kriteriencharakterisiert werden:

• Anzahl angetriebener Achsen (2WD / 4WD)• Anzahl an elektrischen Maschinen (eins bis vier)• Verteilung der installierten Leistung (zentral, längs, quer, radindividuell)• Ausführung von Getrieben (1-Gang, Mehr-Gang)• Einsatz von Kupplungen

Abbildung 3.2 zeigt mögliche Antriebstopologien. Diese sind unabhängig da-von dargestellt, ob die Fahrzeuge front- oder heckangetrieben sind. Die im Fol-genden erarbeiteten Erkenntnisse sind hiervon unabhängig.Die Abbildung zeigt 2WD-Varianten mit einer Zentralmaschine und einer fe-stübersetzenden Getriebestufe (Abbildung 3.2(a)), einer Zentralmaschine mitMehr-Gang Getriebe (Abbildung 3.2(b)) und eine Querverteilung der Leistungauf zwei elektrische Maschinen zum radindividuellen Antrieb mit jeweils ei-ner festübersetzenden Getriebestufe (Abbildung 3.2(c)). Ebenfalls sind 4WD-Topologien mit sowohl achsbezogener Längsverteilung mit zwei (Abbildung3.2(d)) und drei Maschinen (Abbildung 3.2(e)), als auch einem radindividuel-len Antrieb aller vier Räder dargestellt (Abbildung 3.2(f)).Zur Wahl einer anforderungsgerechten Topologie können analog der Maschi-nenauswahl die gewichteten Zielgrößen zur fahrzeugsegmentabhängigen Ent-

42


(a) Zentralantrieb (Top I) (b) Mehr-Gang Getriebe (Top II) (c) Querverteilung (Top III)

(d) Längsverteilung (Top IV) (e) 3 Maschinen (f) 4 Maschinen (Top V)

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Abb. 3.2.: Übersicht möglicher Topologien bei Elektrofahrzeugen

Bei Sportwagen und Fahrzeugen der Oberklasse stellen sich die Verhältnisse an-ders dar. In diesen Segmenten können die hohen Performance-Anforderungendurch ein Mehrmotorenkonzept gut erfüllt werden, da eine Zentralmaschine

43

scheidungsfindung beitragen. Aufgrund niedriger Performance-Anforderungenund angespannter Kosten- und Bauraumsituation scheiden Mehrmotorenkon-zepte bei Klein- und Transportfahrzeugen aus. Durch ein Mehr-Gang Getriebekann die elektrische Maschine kleiner dimensioniert werden, was projektabhän-gig zu Package-Vorteilen führen kann. Mehrkosten des Getriebes wirken sichaufgrund der dominierenden Batteriekosten nur geringfügig aus [27].Auch bei Fahrzeugen der Mittelklasse sind die Anforderungen an Performancenoch nicht so entscheidend, dass sie nicht von einer Zentral-Topologie erfülltwerden könnten. Aus diesem Grund sind auch in diesem Segment keine Mehr-motorenkonzepte zu erwarten.


mit der zur Erfüllung der Performance benötigten Gesamtleistung hinsichtlichPackage nur schwer zu realisieren ist und auch die Leistungselektonik nach ak-tuellem Stand der Technik in der Einzelleistung begrenzt ist.Da für die Reichweite als entscheidende und bei Elektrofahrzeugen allgemeinkritische Zielgröße letztendlich der Energieverbrauch ausschlaggebend ist, sollim Folgenden der Einfluss der Topologie auf den Energieverbrauch diskutiertund anschließend simulativ evaluiert werden.

3.1.4. Diskussion relevanter Antriebstopologienhinsichtlich des Energieverbrauchs

Die Antriebsstrang-Topologie beeinflusst entscheidend sowohl den motorischenBetrieb als auch das Rekuperationspotential eines Elektrofahrzeugs. Im moto-rischen Betrieb ist die Auslastung der Maschine und der lastpunktabhängigeWirkungsgrad im aktuellen Arbeitspunkt verbrauchsentscheidend. In der Ar-beit von [39] konnte in diesem Kontext aufgezeigt werden, dass eine Leistungs-aufteilung bedingt durch die Wachstumsgesetze elektrischer Maschinen einensignifikanten Einfluss auf den Energieverbrauch besitzt. Bezüglich der Reku-peration kann ausschließlich an angetriebenen Achsen Energie ins elektrischeAntriebssystem eingespeist werden, um dadurch den Verbrauch zu senken. Daaufgrund dynamischer Achslastverteilung eine entsprechende Bremskraftver-teilung eingehalten werden muss, besitzen 4WD-Topologien ein erhöhtes Reku-perationspotential im realen Betrieb bei erhöhten Verzögerungsanforderungen.Bei einem Zentralmotorsystem (Abbildung 3.2(a)) wird die gesamte Leistungdurch eine Maschine aufgebracht. Es sind lediglich ein Umrichter und eine fes-te Übersetzungsstufe notwendig. Die Wirkungsgradkette ist hierdurch relativkurz. Die im Fahrbetrieb auftretenden Verluste beschränken sich hauptsächlichauf diese drei Komponenten. Zudem fallen bei gleicher installierter System-leistung Gewicht und Kosten im Vergleich zu Mehrmotorenkonzepten am ge-ringsten aus. Da der Wirkungsgrad mit der Baugröße der elektrischen Maschine

44

zunimmt, ist bei gleicher angenommener Leistungsdichte ein höherer maxima-


ler Wirkungsgrad des Antriebs im Vergleich zu einer Leistungsaufteilung nachAbschnitt 2.1.2 zu erwarten. Jedoch ist je nach Zyklus die Auslastung der Ma-schine gering und die Lastpunkte befinden sich in wirkungsgradungünstigenTeillastbereichen. Bei heckgetriebenen Zentralantrieben ist das Rekuperations-potential aufgrund dynamischer Achslastverteilung beschränkt, da an der Vor-derachse rein mechanisch zugebremst werden muss, um instabile Fahrzuständezu vermeiden.Bei Zentralantrieben mit Mehr-Gang Getriebe (Abbildung 3.2(b)) kann die Über-setzung im Fahrbetrieb angepasst werden, um somit die Auslastung und dendamit verbundenen Wirkungsgrad im Arbeitspunkt der Maschine positiv zu be-einflussen. Jedoch steigt hierdurch das Systemgewicht. Zudem sind Schlepp-verluste des Mehr-Gang Getriebes sowie erhöhte Verluste durch eine Zunahmean Zahnradpaarungen und Lagerungen im Vergleich zur festen Übersetzungs-stufe zu erwarten [33]. Durch den in weiten Betriebsbereichen ohnehin hohenWirkungsgrad der elektrischen Maschine ist demnach nicht mit einer signi-fikanten Verbesserung des Energieverbrauchs durch ein Mehr-Gang Getriebezu rechnen.Bei einer Querverteilung der installierten Leistung (Abbildung 3.2(c)) steigenim Vergleich zum Zentralantrieb durch die zweifache Ausführung aller Kom-ponenten (Maschine, Inverter, Getriebe) Systemgewicht und -kosten. Ein me-chanisches Differential kann aufgrund der radindividuellen Ansteuerung derelektrischen Maschinen entfallen. Durch die Aufteilung der Leistung werdendie Lastpunkte im Fahrbetrieb abgesenkt, wodurch sich diese in schlechterenWirkungsgradbereichen befinden. Die einzelnen Maschinen besitzen zudem imVergleich zum Zentralantrieb bedingt durch die Wachstumsgesetze nach Ab-schnitt 2.1.2 einen schlechteren Wirkungsgrad, da sie durch die Querverteilungeine geringere Einzelleistung aufweisen. Auch während der Rekuperationspha-sen befinden sich dadurch die Maschinen in schlechteren Wirkungsgradberei-chen, wodurch bei heckgetriebenen Varianten das ohnehin schon beschränkte

45

Rekuperationspotential über die Hinterachse weiter gemindert wird. Daher ist


gerade bei heckangetriebenen Varianten, wie sie bei Sportwagen und Fahrzeu-gen der Oberklasse üblich sind, aufgrund der ungünstigen Lage der Betrieb-spunkte sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb mit einemerhöhten Verbrauch zu rechnen. Jedoch kann durch die radselektive Anord-nung aktiv ein Giermoment erzeugt werden. Dieses kann für Torque-Vectoring2

Funktionalitäten genutzt werden, um die Agilität bei Kurvenfahrt zu verbessern.Eine Längsverteilung der installierten Leistung (Abbildung 3.2(d)) erhöht dasRekuperationspotential und senkt somit den Energieverbrauch, da sowohl ander Vorder- als auch an der Hinterachse rekuperativ verzögert werden kann.Durch die Realisierung einer energieverbrauchsgünstigen Drehmomentenver-teilung besteht zudem die Möglichkeit, mittels einer freien Wahl der Betrieb-spunkte in Längsrichtung zwischen Vorder- und Hinterachsmaschine die Ver-lustleistung im motorischen Betrieb zu senken. Bei dieser Art der Betriebsstra-tegie ist jedoch der verwendete Maschinentyp besonders ausschlaggebend, fallseine Maschine temporär nicht am Momentenfluss beteiligt ist. Da vor allemPSM drehzahlabhängige Leerlaufverluste bei Nullmoment von mehreren Kilo-watt aufweisen können, kann ein Mischverbau von ASM und PSM oder aberauch die Verwendung von Kupplungen zur temporär mechanischen Abkopp-lung einer Achse sinnvoll sein. Durch diese Möglichkeiten zur Verbrauchssen-kung kann bei einer Längsverteilung der installierten Leistung eine hohe Effizi-enz des elektrischen Antriebs sowohl im motorischen als auch generatorischenBetrieb erzielt werden. Hierdurch ist ein Verbrauchsvorteil im Vergleich zumZentralantrieb zu erwarten.Bei einer Kombination aus Längs- und Querverteilung der installierten Leistung(Abbildung 3.2(e) und Abbildung 3.2(f)) sinkt baugrößenbedingt dasWirkungs-gradniveau der einzelnen Maschinen stark. Hierdurch ist ein signifikant höhererEnergieverbrauch im Vergleich zu einer Zentral-Topologie zu erwarten.

2 Aktive Giermomentenerzeugung durch radselektive Drehmomentenvorgabe zur Verbesserung der Fahrdynamik

46


Zusammenfassend ergeben sich in Abhängigkeit der Antriebstopologie folgen-de verbrauchsbeeinflussende Faktoren, welche wesentlich durch die Wachs-tumsgesetze elektrischer Maschinen nach Abschnitt 2.1 bestimmt sind:

• Wirkungsgrad der Maschine in Abhängigkeit ihrer Baugrößeund Leistung

• Auslastung der Maschine im Fahrbetrieb• Leerlaufverluste in Abhängigkeit des Maschinentyps undder Betriebsstrategie

• Rekuperationspotential durch Anordnung der Maschinen an Vorder-und Hinterachse

• Fahrzeugmasse bedingt durch Gewicht des gesamten elektrischenAntriebssystems (elektrische Maschine, Leistungselektronik, Getriebe)

3.1.5. Simulative Evaluierung des Verbrauchseinflusses derAntriebstopologie am Beispiel eines Sportwagens

Um den Verbrauchseinfluss der verschiedenen Antriebstopologien zu quantifi-zieren und die im vorherigen Abschnitt aufgestellten Thesen zu untersuchen,wird eine Längsdynamiksimulation unter Einsatz des SimulationswerkzeugsAVL Cruise c© verwendet. Eine detaillierte Beschreibung der Simulationsumge-bung zur Ermittlung der Fahrleistungs- und Verbrauchswerte erfolgtin Abschnitt 6.1.1.Als zu untersuchende Topologie werden ein Zentralantrieb (Top I), ein Zen-tralantrieb mit 2-Gang Getriebe (Top II), eine Querverteilung der Leistung mitzwei radindividuellen Antrieben (Top III), eine Längsverteilung der Leistungmit zwei Achsantrieben (Top IV) sowie ein radindividueller Antrieb aller Räder(Top V) gemäß Abbildung 3.2 betrachtet. Zur Untersuchung wird ein sport-wagentypisches Basisfahrzeug gewählt, da in Abschnitt 3.1.3 gezeigt werdenkonnte, dass sich gerade in diesem Fahrzeugsegment auch ein Mehrmotoren-konzept aus Performance- und Packagesicht eignet.

47


Um eine faire Vergleichbarkeit zu gewährleisten, müssen die zu erzielendenFahrleistungen aller Varianten für eine Konzeptbewertung hinsichtlich des Ener-gieverbrauchs konstant gehalten werden. Daher wird für die elektrischen Ma-schinen und Getriebe jeweils ein Basiskennfeld herangezogen, welches konzep-tabhängig skaliert wird. Abbildung 3.3 zeigt das iterative Vorgehen zur fahrleis-tungsneutralen Auslegung der verschiedenen Antriebstopologien.

Abb. 3.3.: Fahrleistungsneutrale Auslegung zur energetischen Topologie-Bewertung,in Anlehnung an [32]

Die zur Erreichung der geforderten Fahrleistung benötigte Gesamtleistung kannin einem ersten Schritt approximativ abgeschätzt werden. Die Antriebssträn-

48

Als relevante Fahrleistungsdisziplinen zur Bewertung der Performance werdendie folgenden Kennwerte gewählt:

• Beschleunigung 0−50kmh• Beschleunigung 0−100kmh• Durchzugsvermögen 80−120kmh• Höchstgeschwindigkeit


ge respektive die elektrischen Maschinen und Getriebe werden dann entspre-chend Abschnitt 2.1.2 und 2.1.3 hinsichtlich Leistung, Drehmoment-Drehzahl-Wirkungsgrad, Gewicht sowie Trägheitsmoment skaliert. Dies wird in einemiterativen Prozess so lange vollzogen, bis die geforderte Fahrleistung erreichtwird. Da sich gemäß Abschnitt 3.1.2 für Sportwagen permanenterregte Syn-chronmaschinen besonders eignen, wird dieser Maschinentyp für die Skalie-rung zugrunde gelegt. Das Basisfahrzeug eines Sportwagens wird für die Un-tersuchungen durch die in Tabelle 3.3 aufgeführten Fahrzeugdaten beschrieben.

Tab. 3.3.: Modellparameter des Basis-Fahrzeugmodells

Merkmal Wert Einheit

Dynamischer Reifenhalbmesser 0.3 [m]

Gewicht Fahrzeug ohne Triebstrang und Batterie 1050 [kg]

Gewicht Batterie 360 [kg]

Rollwiderstandsbeiwert 0.011 [-]

Luftwiderstandsbeiwert 0.32 [-]

Querschnittsfläche 1.99 [m2]

Tabelle 3.4 stellt die Parameter der topologieabhängigen skalierten Antriebssys-teme dar. Die Gewichtsangaben beziehen sich auf das gesamte Antriebssystem,bestehend aus elektrische(n) Maschine(n), Leistungselektronik, Getriebe undweiteren am Leistungsfluss beteiligten mechanischen Komponenten.Mit der Anzahl der elektrischen Maschinen steigt auch das Systemgewicht. Top

II ist aufgrund der geringsten benötigten Leistung auch am leichtesten. Durchden Einsatz eines 2-Gang Getriebes kann zur Erreichung der geforderten Fahr-leistung die Systemleistung reduziert werden. Die Übersetzung des zweitenGangs ist hierbei auf die geforderte Höchstgeschwindigkeit ausgelegt. Dadurchist aufgrund der größeren Übersetzung des ersten Gangs ein erhöhtes Zugkraft-angebot gegeben. Top III und Top IV weisen identische Systemleistungen auf,

49


Tab. 3.4.: Parameter der skalierten Antriebssysteme in Abhängigkeit der Topologie

Top I Top II Top III Top IV Top V

Anzahl Maschinen 1 1 2 2 4

Gewicht [kg] 222 198 253 267 338

Leistung [kW] 218 153 222 222 236

Antriebsart RWD RWD RWD AWD AWD

Die Quantifizierung hinsichtlich des Energieverbrauchs wird sowohl für densynthetischen NEFZ-Zyklus als auch für den dynamischeren FTP75-Zyklus unddie Stuttgartrunde als reales Fahrprofil durchgeführt, um auch den Einfluss un-terschiedlicher Lastprofile evaluieren zu können. Bei der Stuttgartrunde han-delt sich entgegen des NEFZ und FTP75-Zyklus nicht um ein offizielles Fahr-profil zur Fahrzeugtypisierung sondern um ein reales aus Messdaten entstam-mendes Fahrprofil, welches im Vergleich zu NEFZ und FTP75-Zyklus wesent-lich dynamischer ist. Eine detaillierte Charakterisierung der für diese Unter-suchung herangezogenen Fahrzyklen ist in Abschnitt 6.5 dargestellt. Die Ge-schwindigkeitsprofile sind dem Anhang C zu entnehmen. Bei 2WD-Variantenwird aufgrund der sportwagentypischen Ausprägung ein Heckantrieb angenom-men. Hinsichtlich der Rekuperation wird davon ausgegangen, dass Verzöge-rungen von bis zu ax = −1 m

s2 rein über die Hinterachse aufgebracht werdenkönnen. Erst bei Verzögerungen von ax <−1 ms2 wird auf eine feste Bremskraft-verteilung gewechselt, um instabile Fahrzustände zu vermeiden. Übersteigt dieBremskraftanforderung das Leistungsvermögen des elektrischen Antriebssys-tems, wird mechanisch gemäß der festen Bremskraftverteilung zugebremst. Bei

50

Top III benötigt jedoch kein Differential zum Drehzahlausgleich und ist aus die-sem Grund leichter. Top V ist aufgrund der insgesamt 4 Maschinen, Inverter undGetriebe am schwersten und benötigt daher auch am meisten Leistung, um diegeforderten Fahrleistungen zu erreichen.


4WD Topologien wird für den motorischen Betrieb zunächst von einer 50 : 50Drehmomentenverteilung ausgegangen.

Abbildung 3.4 zeigt die Ergebnisse der Energieverbrauchssimulation. Darge-stellt sind jeweils der resultierende Energieverbrauch und der Anteil an Rekupe-rationsenergie. Die prozentuale Darstellung bezieht sich auf den resultierendenZyklusverbrauch der Top I im NEFZ.

0

50

100

150

200

Top

ITo

p II

Top

IIITo

p IV

Top

V

Top

ITo

p II

Top

IIITo

p IV

Top

V

Top

ITo

p II

Top

IIITo

p IV

Top

V

Ene

rgie

verb

rauc

h [%

]

ZyklusverbrauchRekuperation

NEFZ StuttgartrundeFTP75

Abb. 3.4.: Energieverbrauch der Antriebstopologien in den untersuchten Zyklen

Die Energieverbräuche im NEFZ und im FTP75-Zyklus fallen aufgrund der mo-deraten Lastanforderung der Zyklen ähnlich aus, die der Stuttgartrunde sindaufgrund der höheren Dynamikanforderung insgesamt auf einem höheren Ni-veau. Auffällig ist, dass Top V in allen Zyklen mit Abstand den höchsten Ener-gieverbrauch aufweist. Weiterhin zeigen die Allradtopologien (Top IV und V)mit steigender Dynamik im FTP75 und der Stuttgartrunde ein höheres Rekupe-rationspotential im Vergleich zu 2WD-Topologien (Top I, Top II und Top III).Tabelle 3.5 zeigt im Detail die prozentualen Mehr- bzw. Minderverbräuche inBezug auf Top I, sowie den rekuperierten Energieanteil und den durchschnitt-lichen Antriebsstrang-Wirkungsgrad ηges (Maschine, Leistungselektronik, Ge-

51


triebe und Differential) für die untersuchten Zyklen, um die Ursachen der topo-logiebedingten Energieverbräuche zu analysieren. Top I dient in Bezug auf denEnergieverbrauch als Basis.

Tab. 3.5.: Ergebnisse der Verbrauchssimulation für unterschiedliche Zyklen

Zyklus Top I Top II Top III Top IV Top V

NEFZ

Δ Verbrauch [%]

Rekuperation [Wh

km]

ηges [%]

Basis

27

65.7

-1.0

29

72.1

6.3

26

63.8

3.5

29.8

62.7

28.5

27

55

FTP75

Δ Verbrauch [%]

Rekuperation [Wh

km]

ηges [%]

Basis

30

69.5

5.0

30

68.9

8.3

28

67.9

-2.7

43.5

67.4

25.5

36.9

61.7

Stuttgart-

Runde

Δ Verbrauch [%]

Rekuperation [Wh

km]

ηges [%]

Basis

32.9

70.5

5.3

35

69.9

7.0

32

69.7

-6.2

53

69.3

15.7

46

61.7

Das 2-Gang Getriebe (Top II) weist im NEFZ-Zyklus ein geringes Potential zurReduzierung des Energiebedarfs im Vergleich zum Zentralantrieb auf. Die elek-trische Maschine wird durch die Möglichkeit der zwei Getriebeübersetzungenüber den Zyklus hindurch in besseren Wirkungsgradbereichen betrieben. Hier-durch kann auch das Rekuperationspotential leicht gesteigert werden, da dieelektrische Maschine mit höherem Wirkungsgrad in motorischen sowie gene-ratorischen Phasen betrieben wird. Somit entstehen insgesamt weniger Verlustean der elektrischenMaschine. Mit steigender Dynamik im FTP75 und der Stutt-

gartrunde kann jedoch kein Verbrauchsvorteil erzielt werden, da durch höhereDynamikanforderung auch erhöhte Getriebeverluste die bessere Maschinenaus-lastung überwiegen. Der Antriebsstrang-Wirkungsgrad verschlechtert sich ent-sprechend. Zudem kann bedingt durch den Heckantrieb nicht das volle Reku-perationspotential im Vergleich zu einer 4WD-Variante ausgeschöpft werden.

52


als verbrauchssteigernd. Ursache hierfür ist, dass die beiden Maschinen bau-größenbedingt einen schlechteren Wirkungsgrad aufgrund der geringeren Ein-zelleistung besitzen. Dies spiegelt sich im durchschnittlichen Antriebsstrang-Wirkungsgrad wieder. Ein weiterer Grund ist das geminderte Rekuperationspo-tential über die Hinterachse, welches im dynamischeren FTP75-Zyklus und inder Stuttgartrunde deutlich wird.Der rein motorische Energieverbrauch bei Top IV verhält sich aufgrund der50 : 50 Drehmomentenverteilung analog Top III (siehe Abbildung 3.4). Jedochbesteht aufgrund der Möglichkeit der Rekuperation über die Vorderachse einerhöhtes Rekuperationspotential, welches sich auf den Energieverbrauch mitsteigender Dynamik vor allem im FTP75-Zyklus und der Stuttgartrunde posi-tiv auswirkt. In Bezug auf den Wirkungsgrad ist dieser im Vergleich zu Top III

geringer, da sowohl an Vorder- als auch Hinterachse ein Differential benötigtwird, welches bei Top III durch die radindividuelle Ansteuerung entfällt. Somitist die Wirkungsgradkette bei Top IV durch das Differential länger.Top V weist den höchsten Verbrauch auf, da der baugrößenbedingte Maschinen-wirkungsgrad aufgrund der vier Maschinen mit niedriger Einzelleistung geringausfällt und somit hohe Verluste im Antriebsstrang insbesondere an den elek-trischen Maschinen entstehen. Daher fällt auch das Rekuperationspotential imVergleich zu Topologie Top IV geringer aus.Die Absolutwerte zur Verbrauchsquantifizierung können je nach gefordertenFahrleistungen, verwendeter Maschinen, betrachtetem Basisfahrzeug sowie desFahrzyklus quantitativ unterschiedlich ausfallen. Es können jedoch die quali-tativen Aussagen gemäß Abschnitt 3.1.4 verifiziert werden. Top IV mit einemachsindividuellen Antriebssystem erweist sich hierbei hinsichtlich des Energie-verbrauchs als das beste Konzept.

53

Eine Querverteilung der Systemleistung (Top III) erweist sich in allen Zyklen


3.2. Energieflussanalyse

3.2.1. Energieflüsse des Antriebssystems

Um den Energiebedarf des Antriebssystems näher zu analysieren, wird eineEnergieflussanalyse durchgeführt. Da gezeigt werden konnte, dass ein achsin-dividueller Antrieb (Top IV) besonders in dynamischen Realfahrzyklen energe-tisch das günstigste Konzept darstellt, wird diese Topologie für eine detaillierteEnergieflussanalyse zu Grunde gelegt. Abbildung 3.5 stellt die im NEFZ auftre-tenden Verluste unter den Annahmen einer konstanten 50 : 50 Allradverteilungund fester Bremskraftverteilung dar (analog Abschnitt 3.1.5). Die Ergebnissefür FTP75 nach Abbildung A.1 und Stuttgartrunde gemäß Abbildung A.2 kön-nen dem Anhang A entnommen werden.

35%

34%

< 1%

13%

11%3%3%< 1% Energiebedarf RoWi

Energiebedarf LuWiVerluste BatterieVerluste EM VAVerluste EM HAVerluste GB+Diff VAVerluste GB+Diff HAVerluste mech. Bremse

Abb. 3.5.: Verluste des Antriebssystems für Top IV im NEFZ

Es ist ersichtlich, dass zyklusabhängig 61%−65% der Verluste, also rund zweiDrittel, zur Überwindung der Fahrwiderstände in Form des Roll- (RoWi) undLuftwiderstandes (LuWi) aufgebracht werden müssen. Diese sind durch diefahrzeugspezifische Größen durch Rollwiderstandsbeiwert, Masse, Luftwider-

54


standsbeiwert sowie Querschnittsfläche gegeben. Der Anteil zur Überwindungder Fahrzeugträgheit (m ax) kann beim Elektrofahrzeug durch Rekuperationteilweise zurückgewonnen werden und tritt somit über die Wirkungsgradkettein Form von Komponentenverlusten auf. Beim konventionellen Fahrzeug würdesich dieser Anteil alleinig in den mechanischen Bremsverlusten widerspiegeln.Das verbleibende Drittel des Energiebedarfs entfällt auf Verluste an Batterie,elektrischen Maschinen an Vorder- (EM VA) und Hinterachse (EM HA), Getrie-be (GB) und Differential (Diff) sowie der mechanischen Bremse. Diese kom-ponentenspezifischen Verluste können durch eine geeignete Betriebsstrategiereduziert werden. Dies senkt den Energieverbrauch und erhöht die Reichwei-te in gleichem Maße. Die Batterieverluste fallen in allen Zyklen verhältnismä-ßig gering aus und wachsen mit der Dynamikanforderung in der Stuttgartrunde

aufgrund des quadratischen Zusammenhangs mit den Batterieströmen nach Ab-schnitt 2.1.1 überproportional an. Zudem steigt der Anteil der Verluste bedingtdurch die mechanische Bremse, da hier durch eine feste Bremskraftverteilungbei hohen Verzögerungen teilweise mechanisch zugebremst werden muss. Derüberwiegende Teil der Verluste entfällt auf die elektrischen Maschinen und Ge-triebe bedingt durch die last- und drehzahlabhängigen Wirkungsgrade dieserKomponenten.

3.2.2. Funktionen zur Energieverbrauchsreduzierungdes Antriebssystems

Es können aufgrund der Energieflussanalysen für die Entwicklung einer ener-gieverbrauchsorientierten Betriebsstrategie drei Potentiale identifiziert werden:

1. Drehmomentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse in motori-schen Phasen zur Minimierung der Verluste im Triebstrang

2. Bremskraftverteilung zur Minimierung der mechanischen Bremsverluste

3. Reduzierung von Leistungsspitzen zur Minimierung der Batterieverluste

55


Diese betriebsstrategieseitigenMöglichkeiten zur Energieverbrauchsreduzierungwerden im Folgenden näher ausgeführt:

Verbrauchsoptimierte DrehmomentenverteilungZur Energieverbrauchsoptimierung kann bei Allradantrieben, insbesondere beiTop IV, eine Effizienzsteigerung durch eine bedarfsgerechte Drehmomenten-verteilung vorgenommen werden. In den Arbeiten [39] und [32] wird zu diesemZweck eine rein heuristische Strategie umgesetzt, wobei bei geringer Leistungs-anforderung dieser Bedarf lediglich über eine Achsmaschine aufgebracht wird.Aufgrund der dynamischen Achslastverteilung erfolgt dies vornehmlich überdie Hinterachse. Somit wird die Maschine der Hinterachse besser ausgelastetund die Verluste können minimiert werden. Jedoch treten bei dieser Betriebss-trategie vor allem bei PSM drehzahlabhängig hohe Leerlaufverluste an der mo-mentenfreien Maschine auf (siehe Abbildung 2.2(b)). Aus diesem Grund wirdinsbesondere für PSM eine mechanische Kupplung zum bedarfsgerechten Ab-koppeln der Maschine vorgeschlagen. Durch diese heuristische Strategie wirdin [32] eine Energieverbrauchsersparnis im NEFZ von über 3% im Vergleich zueiner 50 : 50-Verteilung ausgewiesen.In [104] wird ein analytisches Optimierungsverfahren auf Basis der Verlust-leistungen der elektrischen Maschinen dargestellt und hieraus eine heuristischeVerteilungsstrategie abgeleitet. Es wird für den NEFZ-Zyklus ein Potential von4% im Vergleich zu einer 50 : 50-Verteilung ausgewiesen.In [48] wird ein online-fähiges, rein analytisches Verfahren auf Basis der Ver-lustleistungen der elektrischen Maschinen sowie der Getriebe dargestellt. Eskann hierdurch ein Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf von 5.5 %im NEFZ beziffert werden.

In dieser Arbeit soll eine verlustleistungsoptimale Drehmomentenkoordinationals Online-Verfahren dargestellt werden, da gemäß der dargestellten Literatur-werte für dieses Verfahren das größte Optimierungspotential erwartet werden

56


kann. Hierbei soll die gesamte Wirkungsgradkette bestehend aus elektrischenMaschinen, Getriebe sowie der Räder für eine analytische Optimierung betrach-tet werden. Der detaillierten funktionalen Umsetzung widmetsich Abschnitt 5.2.2.

Bremskraftverteilung zur Minimierung der mechanischen BremsverlusteDie Bremskraftverteilung ist aus sicherheitstechnischer Sicht so zu realisieren,dass die Vorderachse vor der Hinterachse die Rutschgrenze erreicht, um einenstabilen Fahrzustand beim Verzögern zu gewährleisten. Abbildung 3.6 zeigt einBremskraftverteilungsdiagramm mit zwei möglichen Verteilungsstrategien.

Abb. 3.6.: Bremskraftverteilungsdiagramm nach [31]

In der Regel entspricht die im Fahrzeug installierte Bremskraftverteilung nichtder idealen Verteilung, da hierfür eine reibwertabhängige Regelung von Nötenist. Daher wird eine robuste und konstante Verteilung installiert [31].Bei Elektrofahrzeugen wird aus energetischer Sicht versucht, eine Verzögerungsoweit möglich rein mittels der elektrischen Maschine(n) durch generatorischen

57


Betrieb darzustellen. Die Bremskraftverteilung und das installierte Bremssys-tem besitzen somit einen nicht unerheblichen Einfluss auf das Rekuperations-potential und somit den Energieverbrauch des Fahrzeugs [35], [43].Bei einer konstanten Bremskraftverteilung erreicht bei der untersuchten ach-sindividuellen Topologie (Top IV) zuerst die Vorderachsmaschine das stellbareMaximalmoment, wodurch bei hohen Verzögerungsanforderung hydromecha-nisch zugebremst werden muss. Nach Abbildung 3.6 könnte jedoch bei idealerVerteilung ein zusätzliches generatorisches Moment über die Hinterachse auf-gebracht werden.Da jedoch durch die Energieflussanalyse unter Annahme einer konstanten Brems-kraftverteilung (siehe Abbildung 3.5, Abbildung A.1, Abbildung A.2) gezeigtwerden konnte, dass die Verluste durch mechanische Bremseingriffe geringausfallen, wird der Ansatz einer idealen Verteilung nicht weiter verfolgt, son-dern eine konstante Bremskraftverteilung umgesetzt, welche bereits topologie-bedingt für (Top IV) ein hohes Rekuperationspotential ermöglicht. Die funktio-nale Umsetzung erfolgt in Abschnitt 5.2.2.

Reduzierung von Leistungsspitzen zur Minimierung der BatterieverlusteBatterieverluste weisen nach Abschnitt 2.1.1 eine quadratische Abhängigkeitzum Klemmenstrom der Batterie auf, welcher proportional zur abgefordertenLeistung ist. Eine Reduzierung von Leistungsspitzen des Hochvolt-Systemskann die daraus resultierenden Batterieverluste reduzieren und somit die Ef-fizienz des Gesamtsystems erhöhen, wodurch ein Reichweitenpotential erzieltwerden kann.Der Ansatz zur Reduzierung dieser Batterieverluste beruht auf einer Leistungs-anhebung von Nebenverbrauchern in generatorischen Phasen. Die in Bremspha-sen generierte Leistung kann innerhalb des Gleichstromzwischenkreises direktden Verbrauchern ohne eine Zwischenspeicherung in der Batterie zur Verfügunggestellt werden. Somit treten keine Ein- und Ausspeiseverluste an der Batterieauf. In der darauf folgenden motorischen Phase kann dann die Leistung der

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Nebenverbraucher um den gleichen Betrag abgesenkt werden, ohne eine Kom-forteinbuße zu generieren. Hierbei wird die Klemmenleistung respektive dieBatterieverluste auch in motorischen Phasen durch die Absenkung des Klem-menstroms reduziert und insgesamt geglättet.Diese Funktion zur lastsynchronen Klimaregelung soll mit Hilfe eines entspre-chenden Energiemanagement-Ansatzes, welcher in der Lage ist, relevante Ne-benverbraucher ansteuern zu können, funktional umgesetzt werden. Der funk-tionalen Umsetzung widmet sich Abschnitt 5.1.3.

3.2.3. Energieflüsse im Gesamtfahrzeugkontext in Abhängigkeitvon Umgebungsbedingungen

Neben dem Antriebssystem müssen sämtliche Nebenverbraucher, insbesonderedie Klimatisierung der Fahrzeugkabine, energetisch durch die Batterie versorgtwerden. Es entsteht ein Energiebedarf, welcher für eine ganzheitliche Analy-se im Folgenden näher betrachtet werden soll. Dieser muss zusätzlich zumEnergiebedarf des Antriebssystems zur Erfüllung der Komfortansprüche undzur Versorgung von Fahrfunktionen aufgewendet werden. Hierdurch kann dieReichweite in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen stark reduziert wer-den. Da beim Elektrofahrzeug aufgrund der hohen Wirkungsgrade im Antriebs-system nur geringfügig nutzbare Abwärme anfällt, muss im Vergleich zum kon-ventionellen Fahrzeug nicht nur zusätzliche Energie zum Kühlen, sondern ins-besondere auch zum Heizen aufgewendet werden.Als relevante Einflussparameter auf den Energieverbrauch zur Innenraumklima-tisierung sind Außentemperatur, Luftfeuchte und Sonneneinstrahlung zu nen-nen. Da eine Vielzahl möglicher Kombinationen dieser drei Parameter im Real-betrieb auftreten kann, können Sonnenintensität und Luftfeuchte gemäß [54]statistisch nach Auftretenswahrscheinlichkeit der Umgebungstemperatur in Ab-hängigkeit der zu untersuchenden Klimazone zugeordnet werden. Eine Quanti-fizierung des Energieverbrauchs- bzw. des Reichweiteneinflusses kann, wie in[51] und [32] nachgewiesen, mittels einer analytischen Bilanzierung der auf-

59


tretenden Wärmeströme des Fahrzeuginnenraums vorgenommen werden. Fürdiesen Zweck wird im Folgenden zur Indikation des energetischen Klimatisie-rungsbedarfs zunächst eine rein analytische Abschätzung des Kühl- und Heiz-leistungsbedarfs im stationären Zustand durchgeführt. Instationäre Vorgängekönnen mittels dieses analytischen Vorgehens jedoch nichtberücksichtigt werden.Die Wärmebilanz ergibt sich nach [38] gemäß der Gleichungen [3.1]-[3.4] fürden winterlichen Heizbetrieb nach Abbildung 3.7:

Qzu = QKarosserie+ QAblu f t+ QInterieur− Qtrans [3.1]

MitQKarosserie = kkrA(Ti−T ) =

n

∑i=1

Ai1

αi,i +δiλi +

1αa,i

(Ti−T ) [3.2]

QAblu f t = mzucp(Tab−T ) [3.3]

Qtrans =n

∑i=1Aiτtrans,iqsonne [3.4]

Für stationäre Betrachtungen gilt:

QInterieur =∂ (ΔT )

∂ t

n

∑i=1micp,i = 0 [3.5]

Dabei bedeuten:Ti: Mittlere InnenraumtemperaturT : AußentemperaturkkrA: Wärmedurchgang der Karosserie inklusive Verglasungmzu: Luftmassenstromcp: Spezifische Wärmekapazitätαi,a: Wärmeübergangskoeffizient innen bzw. außenλ : Wärmedurchgangskoeffizient

60


δ : Materialdickeτtrans: TransmissionskoeffizientA: Fläche der Verglasung bzw. Karosserieqsonne: Sonneneinstrahlungsintensitätmi: Masse Interieur.

Die Ablufttemperatur Tab der ausströmenden Luft kann nach [38] gemäßGleichung [3.6] berechnet werden.

Tab = Tein exp(kAmzucp

)[3.6]

Tein bezeichnet die Einblastemperatur der Luft in die Kabine. Der benötigte

��

��

��

� �

��

�

��

Abb. 3.7.: Bilanzierung der Wärmeströme der Fahrzeugkabine für den Winterbetrieb,in Anlehnung an [96]

Leistungsbedarf kann aus der Differenz der spezifischen Enthalpie der Ansaug-luft h1 und der spezifischen Enthalphie nach Verdampfer h2 nach Gleichung[3.7] bestimmt werden. Die Berechnung wird mittels Enthalphie durchgeführt,da hierüber die Entfeuchtung der Luft mitberücksichtigt wird.

Qzu = mzu(h1−h2) [3.7]

61


Mit Hilfe der dargestellten analytischen Formulierung der Wärmeströme kannder Kühl- und Heizleistungsbedarf in Abhängigkeit von Außentemperatur, Son-nenintensität und Luftfeuchte zumindest für den stationären, thermodynamischeingeschwungenen Zustand für eine Voruntersuchung abgeschätzt werden. DasFahrzeug wird hierbei als vorkonditioniert angenommen. Niedervolt-Bordnetz-verbraucher wie beispielsweise elektrische Lenkung, Kühlerlüfter etc. werdenaus Messungen als zusätzlicher Leistungsbedarf in eine gesamtheitliche Ener-gieflussanalyse aufgenommen.Abbildung 3.8 und die Abbildungen A.3 und A.4 im Anhang A zeigen einenach dem dargestellten analytisch stationären Verfahren durchgeführte Ener-gieflussanalyse für die Fahrzyklen des NEFZ, FTP75 und der Stuttgartrunde.Das Fahrprofil wird somit unter Variation von realen Randbedingungen ener-getisch betrachtet. Der zu untersuchenden Außentemperatur werden statistischeWerte für Sonnenintensität und Luftfeuchte nach [51] exemplarisch für die Kli-mazone West-Europa zugeordnet. In dieser Darstellung beziehen sich 100%Reichweite rein auf den benötigten Energiebedarf für das Antriebssystem unterNormbedingungen. Im NEFZ und dem FTP75-Zyklus treten temperaturabhän-gige Reichweiteneinbußen von über 60% auf. Gründe dafür sind eine geringeDurchschnittsgeschwindigkeit und zyklusbedingt lange Standphasen. Der An-teil des Bordnetzbedarfs fällt im Vergleich zum Kühlen und Heizen eher geringaus. Dieser beträgt ungefähr 10%, nimmt jedoch bei hohen Außentemperatu-ren leicht zu, da der Leistungsbedarf der Kühlerlüfter bei Temperaturen größer20◦C zunimmt. Auffällig ist im Temperaturbereich zwischen 5◦C und 20◦Csowohl ein Anteil für Kühlen als auch Heizen. Innerhalb dieses Temperaturbe-reichs wird die Ansaugluft zunächst mittels Klimakompressor abgekühlt undentfeuchtet, um sie anschließend auf Zieltemperatur aufzuheizen. Dies wird alsRe-Heat-Betrieb bezeichnet (vgl. Abschnitt 2.2.1). In der dynamischeren Stutt-

gartrunde treten nach Abbildung A.4 Reichweiteneinbußen von bis zu maximal40% im Heizbetrieb auf. Da die Durchschnittsgeschwindigkeit im Vergleich

62

3.3. Schlussfolgerungen der Energieflussanalysen

zum NEFZ höher ausfällt, ist der Anteil der Nebenverbraucher in Bezug auf denGesamtenergieverbrauch geringer.

−10 −5 0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Außentemperatur [°C]

Rei

chw

eite

[%]

Resultierende GesamtreichweiteHeizenKühlenBordnetz

Abb. 3.8.: Reichweitenreduktion durch Nebenverbraucher bei stationärer Betrachtung im NEFZ

in Abhängigkeit der Außentemperatur für die Klimazone West-Europa


Es konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit des Fahrzeugsegments beiElektrofahrzeugen unterschiedliche Anforderungen an spezifische Zielgrößenim Entwicklungsprozess bestehen. Gerade für die Gestaltung des Antriebskon-zepts sind diese Zielgrößen für eine anforderungsgerechte Entwicklung von ent-scheidender Bedeutung. Hieraus ergeben sich fahrzeugsegmentabhängige Re-striktionen sowohl für die Maschinenauswahl als auch für die Antriebstopo-logie. Eine Methodik zur Auswahl und Bewertung der funktionalen Konzeptewurde vorgestellt.Ferner wurde der Einfluss der Antriebstopologie auf die Effizienz und den Ener-gieverbrauch für unterschiedliche Zyklen diskutiert und simulativ untersucht.Es konnte gezeigt werden, dass sich insbesondere bei leistungsstärkeren Fahr-

63


zeugen ein achsindividuelles Mehrmotorenkonzept mit permanenterregten Syn-chronmaschinen und mindestens einer Kupplung (Top IV) aus energetischerSicht als vorteilhaft erweist.Mittels einer Energieflussanalyse des ausgewählten Antriebssystems konntenFunktionen für eine energieoptimale Betriebsstrategie identifiziert werden. Diessind zum einen eine wirkungsgradoptimierte Drehmomentenverteilung in moto-rischen Phasen und zum anderen eine Bremskraftverteilung zur Ausschöpfungdes Rekuperationspotentials. Darüber hinaus können durch eine lastsynchroneNebenverbrauchersteuerung Batterieverluste verringert werden.Hinsichtlich des Gesamt-Energieverbrauchs weisen Komfortnebenverbrauchereinen erheblichen Anteil auf, wie in einer Energieflussanalyse aus Gesamt-fahrzeugsicht gezeigt werden konnte. Insbesondere das Klimatisierungssystemkonnte als relevanter Verbraucher identifiziert werden. Dieses kann je nach Um-gebungsbedingungen und Fahrprofil die Reichweite des Fahrzeugs um über dieHälfte reduzieren.

Diese Erkenntnisse ermöglichen einen anforderungsgerechten Entwurf einer in-novativen Funktionsarchitektur zur Betriebsstrategievorgabe aus Gesamtfahr-zeugsicht. Hierbei wird ein ganzheitlicher Ansatz verfolgt, welcher die Ne-benverbraucher aufgrund der hohen Sensitivität bezüglich der Reichweite mitberücksichtigt. Ziel dieser ganzheitlichen Betriebsstrategie muss es sein, dieReichweite des Fahrzeugs im Alltagsgebrauch bedarfsgerecht zu erhöhen, umso die Verfügbarkeit des Elektrofahrzeugs zu steigern. Dies kann jedoch im Spe-ziellen bedeuten, dass Verbraucher wie das Antriebs- oder auch das Klimatisie-rungssystem zur Erreichung eines konkreten Fahrziels in ihrer Leistung tempo-rär reduziert werden. Eine Degradierung dieser Systemleistungen hat direktenEinfluss auf den Energieverbrauch respektive die erzielbare Reichweite, jedochauch gleichzeitig auf die Dynamik- und Komfortverhältnisse des Fahrzeugs.Abbildung 3.9 stellt die identifizierten Betriebsstrategie-Maßnahmen dar. Dieeinzelnen Funktionen stellen in ihrer Ausführung in Bezug auf die Aspekte

64


Fahrbarkeit und Fahrstabilität, insbesondere jedoch hinsichtlich der Zielgrö-ßen Dynamik und Komfort einen Zielkonflikt dar. Diesen gilt es in geeigne-ter Form bedarfsgerecht zu entschärfen. Dem Entwurf der Betriebsstrategie undder damit verbundenen Funktionsarchitektur zur Betriebsstrategievorgabe wid-met sich, aufbauend auf den erarbeiteten Erkenntnissen, das folgende Kapitel 4.

Abb. 3.9.: Übersicht identifizierter Betriebsstrategie-Maßnahmen zur Steigerungder Reichweite im Fahrbetrieb

2 Bremskraftverteilung

65

4. Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer Betriebsstrategieaus Gesamtfahrzeugsicht

Elektrofahrzeuge weisen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen aufgrundder geringeren Reichweiten spezielle Anforderungen auf. Diese Anforderun-gen stellen die Grundlage für neuartige Funktionen im Gesamtfahrzeugkontextdar. Im Folgenden wird auf Basis dieser Anforderungen eine modulare Funk-tionsarchitektur für Elektrofahrzeuge beschrieben. Ziel dieser Funktionsarchi-tektur ist es zum einen, eine optimale Betriebsstrategie für das Gesamtfahrzeugvorgeben zu können. Zum anderen sollen neue Funktionalitäten zur Unterstüt-zung des Fahrers vorgestellt werden, um den Zielkonflikt aus Reichweiten-,Dynamik- und Komfortwunsch situativ und streckenspezifisch entschärfen zukönnen. Hierbei kann temporär die Priorität zugunsten eines Reichweitenwun-sches verlagert werden, indem Verbraucher wie das Antriebssystem oder Kom-fortnebenverbraucher temporär in ihrer Leistung reduziert werden. Grundlageder zu definierenden Anforderungen sind die im vorangegangenen Kapitel 3vorgestellten Topologie-Untersuchungen und Energieflussanalysen.Zunächst wird die Anforderungsdefinition für eine Funktionsarchitektur vorge-stellt. Im Anschluss werden ein grober Systemaufbau und eine entsprechendeAufgabenverteilung dargelegt, welche aus der Anforderungsdefinition resultie-ren. Für eine detaillierte Beschreibung der Systemarchitektur wird dann ein ge-eigneter Energiemanagementansatz ausgewählt. Eine ausführliche Architektur-beschreibung der modularen Einzelfunktionalitäten schließt dieses Kapitel ab.

67

4. Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer Betriebsstrategie aus Gesamtfahrzeugsicht

4.1. Anforderungen an die Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

Auf Basis der vorgestellten Energieflussanalyse und der Identifizierung wesent-licher Einflussgrößen am Gesamtenergiebedarf gemäß Kapitel 3 können An-forderungen an eine innovative Funktionsarchitektur abgeleitet werden. DieseAnforderungen werden im Folgenden in nicht-funktionale und funktionale An-forderungen unterteilt. Nach Tabelle 4.1 sind folgende nicht-funktionale Anfor-derungen an eine Funktionsarchitektur für Elektrofahrzeuge gestellt.

Tab. 4.1.: Nicht-funktionale Anforderungen zur Betriebsstrategie-Vorgabe

Nicht-funktionale

Anforderung

Beschreibung

Nr.1 Unabhängigkeit Gegenüber fahrzeug-, system- und

herstellerspezifischen Größen

Nr.2 Modularität Bildung von Funktionsgruppen- und strukturen

Nr.3 Skalierbarkeit Übertragbar auf verschiedene Fahrzeugkonzepte

Nr.4 Applizierbarkeit Ausprägungsmöglichkeit der

systemspezifischen Eingriffstiefe

Nr.5 Erweiterbarkeit Muss auf weitere Komponenten ohne eine Änderung

des Kernalgorithmus möglich sein

Nr.6 Kommunikationsfähigkeit Die Kommunikation im Steuergeräteverbund muss

den aktuellen Standards genügen. Als Basis muss

eine CAN-Kommunikation dienen

Nr.7 Nachvollziehbarkeit Das Systemverhalten muss für den Fahrer

nachvollziehbar sein

Nr.8 Adaptionsfähigkeit Die Betriebsstrategie muss sich an im Fahrbetrieb

ändernde Bedingungen adaptieren

Nr.9 Stabilität Der Kernalgorithmus muss robust in allen

Fahrsituationen voll funktionsfähig sein

68

4.1. Anforderungen an die Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge

Darüber hinaus bestehen weitere funktionale Anforderungen an eine Funktions-architektur, welche in Tabelle 4.2 dargestellt sind.

Tab. 4.2.: Allgemeine funktionale Anforderungen zur Betriebsstrategie-Vorgabe

Funktionale Anforderung Beschreibung

Nr.10 Betriebsstrategievorgabe unter Be-

rücksichtigung aller verbrauchsrele-

vanter Komponenten

Steuerung aller Energieflüsse im Gesamt-

fahrzeug

Nr.11 Autonome Entschärfung des Zielkon-

flikts bestehend aus Reichweiten-,

Komfort- und Dynamikwunsch

Temporäre Verschiebung der Prioritäten

durch Energiemanagement-Maßnahmen

Nr.12 Berücksichtigung des wahrnehmbaren

Komforts und der Fahrzeugdynamik

bei Reduzierung von Verbraucherleis-

tungen

Priorisierung von Verbrauchern unter

Berücksichtigung von applizierbaren

Dynamik- und Komfortschwellen durch

das Energiemanagement

Nr.13 Betriebsstrategievorgabe für das An-

triebssystem

Dynamikwunsch des Fahrers in eine ener-

gieeffiziente Lastvorgabe für das Antriebs-

system übersetzen

Nr.14 Vorgabe einer konfigurierbaren Fahr-

strategie

Beachtung der Aspekte Fahrbarkeit, Ener-

gieeffizienz sowie Komfort

Nr.15 Energieoptimale Drehmomentenkoor-

dination des Triebstrangs

Topologieabhängige Drehmomentenver-

teilung und Kupplungsansteuerung

Nr.16 Präzise Reichweitenberechnung als

Steuergröße für Betriebsstrategie

Berücksichtigung von Antriebs- und Ne-

benverbraucherlasten im Berechnungsal-

gorithmus

Nr.17 Prädiktionsfähigkeit Berücksichtigung von Streckendaten

und historienbasierten Informationen zur

Reichweitenberechnung

Nr.18 Online-Fähigkeit Die verwendeten Algorithmen müssen hin-

sichtlich des Ressourcenbedarfs

echtzeitfähig sein

69


4.2. Aufbau und Aufgabenverteilungder modularen Funktionsarchitektur

Die Funktionsarchitektur wird modular aufgebaut und in folgende funktionaleHauptmodule unterteilt:

• Energiemanagement• Antriebsmanagement• Reichweitenermittlung

Abbildung 4.1 stellt schematisch den Aufbau der Funktionsarchitektur dar.

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Abb. 4.1.: Hauptmodule innerhalb der Funktionsarchitektur

Das Energiemanagement hat die Aufgabe, sämtliche Energieflüsse im Fahr-zeug zu kontrollieren und zu steuern, um den beschriebenen Zielkonflikt ausReichweiten-, Dynamik- und Komfortwunsch entschärfen zu können und einePriorisierung der Energieflüsse durchzuführen. Fahrerwunschvorgaben sowohlhinsichtlich Fahrzeugdynamik und Komfort werden hierzu vom Energiemana-gement erfasst. Das Antriebsmanagement hat zur Aufgabe, die Fahrvorgabendes Fahrers in Form von Fahr- und Bremspedal in Sollvorgaben für das An-

70

4.3. Energiemanagementansätze zur Betriebsstrategievorgabe

triebssystem zu übersetzen. Insbesondere bei Antriebssystemen mit Mehrmoto-renkonzept zählt hierzu die bedarfsgerechte Aufteilung des Fahrerwunschmo-ments auf mehrere elektrischeMaschinen, wie in Abschnitt 3.2.2 gezeigt wurde.Die Reichweitenermittlung berechnet die aktuelle Restreichweite des Fahrzeugs.Hierzu werden prädiktive Streckeninformationen integriert, um eine möglichsthohe Prognosegüte zu gewährleisten. Hierzu ist eine Schnittstelle zum Naviga-tionssystem zur Übermittlung der Streckeninformationen notwendig.Die drei funktionalen Hauptmodule des Energie- und Antriebsmanagements so-wie der Reichweitenermittlung müssen hierfür miteinander vernetzt sein, umeinen eventuell bestehenden Zielkonflikt aus Reichweiten-, Dynamik- und Kom-fortwunsch bestmöglich ausbalancieren zu können. Um jedoch eine detaillier-tere Systemarchitektur entwickeln zu können (siehe Abschnitt 4.5), muss in ei-nem weiteren Schritt zunächst ein geeigneter Energiemanagement-Ansatz aus-gewählt werden. Dieser ist für die Interaktion der einzelnen Module von ent-scheidender Bedeutung, da in Abhängigkeit des Energiemanagement-Ansatzesdie jeweiligen Verantwortlichkeiten unterschiedlich verteilt sind.


Das Energiemanagement stellt innerhalb der Funktionsarchitektur eine Instanzzur Kontrolle, Steuerung und Priorisierung der Energieflüsse im Gesamtfahr-zeug dar. Hierbei können jedoch unterschiedliche Ansätze zur Umsetzung die-ser Betriebsstrategievorgaben verfolgt werden.Die im Folgenden vorgestellten Ansätze sind aus der Literatur bezüglich deselektrischen Energiemanagements für Niedervolt-Bordnetze bei konventionel-len Fahrzeugen bekannt. Nach Erläuterung dieser Ansätze erfolgt eine generi-sche Klassifizierung. Abschließend wird eine Bewertung hinsichtlich der Über-tragbarkeit der dargestellten Ansätze durchgeführt. Ziel ist es im Rahmen die-ser Arbeit, die System- und Steuergrenzen des Energiemanagements zu einemGesamtfahrzeug-Ansatz zu erweitern.

71


4.3.1. Leistungsorientiertes Energiemanagement

In [94] und [81] werden Ansätze mit einer zentralen leistungsorientierten Ver-brauchersteuerung und Entscheidungsfindung beschrieben. Kern des Systemsist eine steuernde übergeordnete Instanz, welche eine Auflistung, Kategorisie-rung und Priorisierung der Energieerzeuger, -speicher und -verbraucher in Be-zug auf ihre Leistung enthält. Auf Basis dessen kann eine Priorisierung der Ver-braucher zueinander festgelegt werden. Zur Interaktion melden sich die Neben-verbraucher mit ihrer Kategorie und Priorität beim Energiemanagement an undstellen eine Leistungsanforderung. Gemäß der Priorisierung gibt dieser zentra-le Koordinator dann jeweilige Leistungsflüsse vor, nachdem eine Leistungsbi-lanzierung und -plausibilisierung im Koordinator erfolgt ist. Hierdurch ist eineAbstimmung des Leistungsbedarfs auf das aktuelle Leistungsangebot der Spei-cherkomponenten möglich.Nach [94] besteht ein Energiemanagementsystem aus:

• Energiesystem• Diagnosesystem• Informationssystem

Die Leistungs- bzw. Energiebilanzen werden auf Basis des Systemverhaltensbeurteilt. Als Klassifikation dient die energetische Funktion innerhalb des Ener-giesystems (Quelle, Senke, Speicher). Entscheidend für die Einteilung der Prio-risierung sind zum einen der Einfluss der Verbraucher für das Komfortemp-finden des Fahrers und zum anderen sicherheitstechnische Aspekte bezüglichzwingend funktionstüchtiger Komponenten, wie beispielsweise eineelektrische Lenkung.

4.3.2. Agentenorientiertes Energiemanagement

Ziel des Ansatzes nach [42] ist eine flexible und effiziente Funktionalität desEnergiemanagements mit dezentraler Entscheidungsfindung und Informations-

72


bereitstellung. Hierbei soll insbesondere die Sicherheit für X-by-Wire Syste-me erhöht werden. Der aktuelle Status einzelner Verbraucher wird an alle be-teiligten Verbraucher mittels einer einheitlichen Kommunikationsschnittstelleübermittelt. Jeder Verbraucher besitzt somit genug Information und Intelligenz,um nach einer Situationsanalyse seinen Leistungsbedarf autonom einzustellen.Es findet eine Verteilung der Funktionalitäten und Verantwortlichkeiten statt.Die Kontrolle über das jeweilige Verhalten und somit die Autonomie liegt beidem Verbraucher selbst. Eine Interaktion der Einzelverbraucher findet lediglichstatt, um individuelle Ziele zu erreichen. Dem Begriff Fairness kommt in die-sem Kontext eine zentrale Bedeutung zu. Vergleichbar mit einem Schiedsrich-ter werden neutrale Wächter implementiert, welche Inkonsistenzen und Fehl-zustände vermeiden sollen. Das Bordnetzsteuergerät und die jeweiligen Ver-brauchersteuergeräte überwachen sich gegenseitig auf Fehlfunktionen, um beieinem Defekt des Bordnetzsteuergeräts einen Notlauf für sicherheitsrelevanteFunktionen gewährleisten zu können. Somit besitzt das System in sich eineRedundanz, welche hinsichtlich funktionaler Sicherheit Vorteile bieten kann,damit das Bordnetzsteuergerät nicht mehrfach ausgeführt werden muss. Dieserfordert jedoch ein Höchstmaß an Informationsaustausch der Verbraucher un-tereinander.

4.3.3. Ökonomische Modelle für ein Energiemanagement

Dieser Ansatz orientiert sich am Beispiel der Börse als Handelsplatz [14], [37].Hiernach gibt es sowohl Anbieter (Energieerzeuger) als auch Käufer (Energie-verbraucher) im Energieversorgungssystem. Das so entstehende Leistungsan-gebot und die -nachfrage werden mittels einer Kostenfunktion geregelt. DasEnergiemanagement adaptiert sich somit an der aktuellen Preis- bzw. Energie-situation. Hierzu meldet jeder Verbraucher seine Leistungsanforderung und sei-ne individuelle Preissensitivität an ein zentrales Organ, den sogenannten PowerTrader. Dieser kommuniziert wiederum auf Basis der aktuellen Energiesituati-on gemäß Angebot und Nachfrage das Preisniveau. Die Leistungsflüsse ergeben

73


sich somit innerhalb gewisser Grenzen über den ermittelten und kommunizier-ten Gleichgewichtspreis. Der Power Trader hat nur indirekten Einfluss auf dieEinzelverbraucher. Es handelt sich um keine zentrale Steuerungsinstanz, son-dern um ein Konsolidierungs- und zentrales Informationsorgan. Das Steuer-verhalten wird jeweils dezentral und autonom auf die Verbrauchskomponenteverteilt, wobei die Information des Gleichgewichtspreises zentral vom PowerTrader gebildet wird. Die Modellansätze zur Markt- bzw. Energieregulierungentstammen hierbei der Mikro-Ökonomie.

4.3.4. Auktionsorientiertes Energiemanagement

Hierbei wird sich zur Umsetzung eines Energiemanagements dem Versteige-rungsprinzip bedient [14]. Ein zentraler Auktionator versteigert hierbei Leis-tungspakete, die Verbraucher steigern um diese. Die Verbraucher geben hierzuihre Gebote für einzelne Leistungen ab. Die Gebote der Verbraucher erfolgenunter Berücksichtigung von ihrer Verbraucherpriorität und Funktionsrelevanz.Die Bietstrategie ist hierbei applizierbar einzustellen, wobei ein Verbraucherauch mehrere Gebote für unterschiedliche Leistungen abgeben kann. Die Ent-scheidungsfindung und die Allokation der Ressourcen wird hier im Gegensatzzu ökonomisch orientierten Ansätzen zentral durch den Auktionator und nichtdurch den Verbraucher durchgeführt. Der Auktionator verteilt, beginnend mitdemHöchstbietenden, entsprechend Leistungspakete, bis die zur Verfügung ste-hende Energie aufgebraucht ist. Die Informationsbereitstellung ist in diesemFall dezentral, d.h. jeder Verbraucher meldet seine Priorität durch sein Gebot.Auch die Informationen zum aktuellen Fahrzeugzustand liegen jedem Verbrau-cher vor, damit er sein entsprechendes Gebot abgeben kann. In [14] erläutertder Autor jedoch nicht wie vor Auktionsbeginn das „Zahlungsmittel“ zur Ge-botsabgabe auf die einzelnen Verbaucher verteilt ist.

74

4.4. Klassifizierung und Auswahl

4.4. Klassifizierung und Auswahl derEnergiemanagement-Ansätze

Die aufgeführten Ansätze sollen nun hinsichtlich der Erfüllung der in Abschnitt4.1 definierten nicht-funktionalen Anforderungen bewertet werden, um eineeventuelle Erweiterung der Ansätze zu einem ganzheitlichen Gesamtfahrzeug-Ansatz vornehmen zu können. Der durch die Bewertung ermittelte Ansatz solldann im Rahmen der zu entwickelnden Funktionsarchitektur umgesetzt werden.

4.4.1. Klassifizierung der Energiemanagement-Ansätze

Zunächst werden die dargestellten Ansätze nach Abbildung 4.2 für eine weitereBewertung abstrahiert und klassifiziert. Zu diesem Zweck kann zwischen derArt der Steuerungs- und Optimierungsebene und der Art der Informationsebeneund -bereitstellung unterschieden werden [18]. Die oben beschriebenen Ansätzekönnen hierüber einem entsprechend abstrahierten Energiemanagement-Ansatzzugeordnet werden. Insgesamt ergeben sich nach Abbildung 4.2 vier möglicheAusführungsformen eines Energiemanagements.

Abb. 4.2.: Einteilung von Energiemanagement-Ansätzen, in Anlehnung an [18]

Die im vorherigen Abschnitt 4.3 beschriebenen Ansätze können nach dieserKlassifizierung eindeutig zugeordnet werden. Leistungsorientierte Ansätze wei-sen sowohl eine zentrale Steuer-, als auch zentrale Informationsebene (zz) auf.

75


Agentenbasierte Ansätze hingegen besitzen sowohl eine dezentrale und auto-nome Entscheidungsfindung des jeweiligen Verbrauchers, als auch eine dezen-trale Informationsebene (dd). Börsenorientierte ökonomische Ansätze verfügenüber eine dezentrale Steuerebene, jedoch eine zentrale Informationsbereitstel-lung durch die Konsolidierungsstelle aufgrund der zentralen Publikation deraktuellen Preisentwicklung (dz). Auktionsbasierte Ansätze hingegen weisen ei-ne zentrale Entscheidungsfindung durch den Auktionator und eine dezentrale(zd) Informationsebene durch jeweilige Verbraucher auf, da diese ihre Prioritätdurch ihr Gebot kommunizieren.

4.4.2. Evaluierung und Auswahl der Energiemanagement-Ansätze

Im Folgenden werden die dargestellten und klassifizierten Ansätze hinsicht-lich des projektierten Einsatzzwecks bewertet. Hierzu werden aus der Anfor-derungsdefinition entsprechende Kriterien abstrahiert. Da die jeweiligen Krite-rien nicht gleichwertig für die Auswahlentscheidung zu behandeln sind, wirdein paarweiser Vergleich der Kriterien zur Ermittlung einer Gewichtung durch-geführt. Die Evaluierung ist in Tabelle B.1 des Anhangs B dargestellt. Hierbeiwerden die Kriterien jeweils als Zeilen und Spalten in einer Matrix aufgetra-gen. Für die Bewertung wird zeilenweise das links stehende Kriterium mit denin Spalten stehenden Kriterien verglichen. Die Punktevergabe erfolgt von 0 bis4, wobei 4 als wesentlich wichtiger, 2 als neutral und 0 als wesentlich unwich-tiger befunden wird. Die Punktevergabe wird anschließend summiert, um eineRelation der Kriterien untereinander herzustellen. Über diesen paarweisen Ver-gleich wird eine möglichst objektive Gewichtung bezüglich der Relevanz derKriterien untereinander gewährleistet.Anschließend erfolgt die Bewertung der dargestellten Energiemanagement-An-sätze in Bezug auf die einzelnen Kriterien. Durch die Gewichtung der Kriterienund der vergebenen Eignungsnote kann eine Gesamtnote ermittelt werden. DieNotenvergabe erfolgt hierbei nach dem Schulnotensystem, wobei die Note 1 dasKriterium am besten, die Note 6 das Kriterium am schlechtesten erfüllt.

76

4.4. Klassifizierung und Auswahl

Besonderer Fokus liegt auf der Auswahl eines allgemein gültigen Ansatzesdes Energiemanagements, welcher unabhängig von Fahrzeugsegment, Marken-diversifizierung oder komponentenspezifischer Größen implementiert werdenkann und eine gute Skalierbarkeit sowie Portierbarkeit gewährleistet.

Eine entsprechende Bewertungsmatrix zeigt Tabelle 4.3. Die Bewertung wur-de im Rahmen eines interdisziplinär besetzten Expertengesprächs mit Entwick-lungsingenieuren durchgeführt. Da sich jedoch bei jeder noch so objektiv durch-geführten Bewertung unterschiedliche Ansichten aufgrund projektseitiger Re-striktionen und Gegebenheiten zutragen können, ist das Bewertungsverfahrensamt paarweisem Vergleich nach Tabelle B.1 vollständig und nachvollziehbardargelegt. Daher kann die Bewertung bei anderen Sichtweisen oder Anforde-rungen entsprechend angepasst und korrigiert werden. Da an dieser Stelle nichteinzeln auf alle Notenvergaben eingegangen werden kann, soll der Entschei-dungsprozess am höchst gewichteten Kriterium exemplarisch erläutert werden.Die Ansätze mit zentraler Optimierungsebene erfüllen das Kriterium Erweiter-barkeit in hohemMaße, da der Optimierungsalgorithmus lediglich an einer Stel-le für eine Erweiterbarkeit modifiziert werden muss. Bei Ansätzen mit dezentra-ler Optimierungsebene erweist sich der Aufwand bei einer Systemerweiterungals wesentlich höher, da an allen Verbrauchern eine Modifikation des Algorith-mus vorgenommen werden muss.

Der Energiemanagement-Ansatz mit zentraler Entscheidungsfindung und zen-traler Informationsbereitstellung (zz) erzielt bei der durchgeführten Bewertungdie beste Eignungsnote. Dieser Ansatz soll bei der Umsetzung der Funktionsar-chitektur Anwendung finden.Im Folgenden kann nun unter Annahme eines zentralen Energiemanagementseine detaillierte Beschreibung des modularen Aufbaus erfolgen.

77


Tab. 4.3.: Bewertungsmatrix zur Auswahl eines Energiemanagement-Ansatzes

Kriterium Gewichtung Ansatz

zz zd dz dd

Erweiterbarkeit 0.1 1 1 3 3

Stabilität 0.09 3 3 3 1

Skalierbarkeit 0.09 1 1 1 3

Notlaufeigenschaften 0.08 4 4 1 2

Nachvollziehbarkeit 0.07 1 3 3 2

Applikationsfähigkeit 0.07 1 3 3 2

Modularisierbarkeit 0.07 1 2 2 1

Adaptionsfähigkeit 0.07 1 3 3 2

Konfigurierbarkeit 0.06 1 2 2 1

Integrationsfähigkeit 0.06 2 3 3 3

Latenzverhalten 0.06 1 3 3 2

Bus-Last 0.05 1 3 2 3

Überwachungsfähigkeit 0.05 1 3 4 2

Entwicklungsaufwand 0.04 1 2 2 3

Ressourcenbedarf 0.04 1 3 3 2

Endnote 1.54 2.4 2.36 2.12

4.5. Modularisierung der Funktionsarchitektur

Die drei funktionalen Hauptmodule des Energie- und Antriebsmanagements so-wie der Reichweitenermittlung sind jeweils in sich modular in weitere Funkti-onseinheiten untergliedert und strukturiert. Abbildung 4.3 stellt den gesamtenmodularisierten Aufbau dar.

78

4.5. Modularisierung der Funktionsarchitektur

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Abb. 4.3.: Modulare Architekturgestaltung

Innerhalb des Antriebsmanagement werden mittels eines Zustandsautomaten

die einzelnen Betriebsmodi durch entsprechende Fahrervorgaben und eine ap-plizierbare Fahrstrategie vorgegeben. Hieran schließt sich eine Plausibilisierungund betriebsmodusabhängige Berechnung des Fahrerwunschmoments an. Die-ses wird innerhalb des Moduls Momentenkoordination je nach Antriebstopolo-gie auf mehrere elektrische Maschinen (EM) energieoptimal aufgeteilt. Hierzukann je nach Maschinentyp auch das Ansteuern von einer Kupplung (K) zurMinimierung von Leerlaufverlusten gemäß Abschnitt 3.2.2 zählen.Innerhalb des Moduls Energiemanagement steuert und koordiniert ein Energie-

koordinator bedarfsgerecht und situativ als zentrale Optimierungsinstanz sämt-liche Leistungs- bzw. Energieflüsse des Fahrzeugs. Der Energiekoordinator be-sitzt eine Schnittstelle zum Antriebsmanagement, um gegebenenfalls Einflussauf die zur Verfügung stehende Antriebsleistung nehmen zu können. Analog

79


kann der Energiekoordinator Leistungsanforderungen von Nebenverbrauchern,insbesondere von Klimakompressor (AC), Heizung (PTC) und weiterer 12-VoltBordnetz-Verbrauchern (12V) empfangen und im Gegenzug Leistungsvorga-ben entsenden. Mittels des Energiekoordinators als zentrales Modul kann so-mit eine Betriebsstrategievorgabe für das Gesamtfahrzeug realisiert werden. DieEingangsgrößen Wählhebelposition, Fahr- und Bremspedal sowie Lenkradwin-

kel werden aus diesem Grund zentral vom Energiemanagement erfasst und andas Antriebsmanagement übergeben. Weitere Schnittstellen bestehen zum Prä-

diktionsmodul und der Reichweitenermittlung. Hierüber werden sowohl aktu-ell zur Verfügung stehende Leistungen an das Prädiktionsmodul, als auch diehieraus resultierende Reichweite übermittelt. Die Information der aktuellen Re-streichweite dient dem Energiekoordinator als Steuergröße der Betriebsstrategie.Dementsprechend werden die Leistungsvorgaben für das Antriebssystem unddie Komfortnebenverbaucher in Abhängigkeit der aktuellen Reichweite einge-stellt. Eine detaillierte Beschreibung erfolgt in Abschnitt 5.1.Das Prädiktionsmodul empfängt vom Navigationssystem Streckendaten (Ge-schwindigkeitslimits, Höhenprofil, Kurvenkrümmungen) und erstellt hieraus ei-ne Leistungsprädiktion des Antriebssystems. Zusätzlich werden ebenfalls prä-diktiv Nebenverbraucherlasten für die gesamte Fahrstrecke abgeschätzt. DieReichweitenberechnung ermittelt dann auf Basis des prädiktiven Leistungsbe-darfs und des Energieinhalts der Traktionsbatterie die aktuelle Reichweite.Mittels der drei funktionalen Hauptmodule und den untergeordneten modularaufgebauten Einzelfunktionalitäten ist es somit möglich, eine energieoptimaleund situativ angepasste Betriebsstrategie für das Gesamtfahrzeug zu entwickelnund vorzugeben. Die Umsetzung dieser Einzelfunktionalitäten wird im Folgen-den in Kapitel 5 erläutert.

80

5. Umsetzung der Funktionalitäteninnerhalb der Funktionsarchitektur

Im Folgenden soll die funktionale Umsetzung der drei Hauptmodule des Energie-und Antriebsmanagements sowie der Reichweitenermittlung, wie in Abbildung4.3 dargestellt, detailliert erläutert werden. Ziel dieser Funktionen ist die Vorga-be einer ganzheitlichen Betriebsstrategie zur Beeinflussung der Aspekte Reich-weite, Dynamik sowie thermischer Komfort.

5.1. Funktionen des Energiemanagements

Das Energiemanagement wird aufgrund der Bewertung in Abschnitt 4.4 als In-stanz mit zentraler Optimierungs- und Informationsebene (zz) gemäß Abbil-dung 4.3 zur Steuerung und Vorgabe der Energieflüsse des Gesamtfahrzeugsimplementiert, um Betriebsstrategie-Maßnahmen auszuführen.Die Wahrnehmbarkeit ist bei der Steuerung und Degradierung spezifischer Ver-braucher insbesondere bei Komfortverbrauchern zu Gunsten einer Reichweiten-steigerung essenziell. Um dies für einen Algorithmus berücksichtigen zu kön-nen, werden alle Verbraucher in Prioritätsklassen (PK) eingeteilt. Exemplarischwird gemäß Tabelle 5.1 eine Unterteilung in insgesamt 10 Klassen vorgenom-men. Die Klassifizierung der Verbraucher nach Prioritäten gewährleistet einegute Skalierbarkeit und Übertragbarkeit, da eine Einteilung hersteller- und fahr-zeugsegmentspezifisch individuell vorgenommen werden kann. EntsprechendeParameter sind somit im Sinne der Applikation als parametrierbare Größen vor-zuhalten. Prinzipiell wird eine Unterteilung in Komfort- und sicherheitsrelevan-te Verbraucher vorgenommen, wobei Verbraucher, welche sowohl Sicherheits-

81

5. Umsetzung der Funktionalitäten innerhalb der Funktionsarchitektur

Tab. 5.1.: Prioritätsklassen der elektrischen Verbraucher aus Sicht des Energiemanagements

PK Beschreibung

Klasse 1 Komfortverbraucher, dauerhafte Abschaltung beeinflusst

nicht die Kundenzufriedenheit

Klasse 2 Komfortverbraucher, dauerhafte Abschaltung nimmt der

Fahrer zur Erreichung seines Wunschziels hin

Klasse 3 Komfortverbraucher, temporäre Abschaltung nimmt der Fah-

rer zur Erreichung seines Wunschziels hin

Klasse 4 Komfortverbraucher, dauerhafte Leistungsreduzierung beein-

flusst nicht die Kundenzufriedenheit

Klasse 5 Komfortverbraucher, dauerhafte Leistungsreduzierung wird

zur Erreichung des Wunschziels toleriert

Klasse 6 Komfortverbraucher, temporäre Leistungsreduzierung wird

zur Erreichung des Wunschziels toleriert

Klasse 7 Komfortverbraucher, temporäre Leistungsreduzierung kann

unter Beachtung des Bauteilschutzes vorgenommen werden

Klasse 8 Sicherheitsrelevanter Verbraucher, dauerhafte Leistungsre-

duzierung kann aus sicherheitstechnischer Sicht vorgenom-

men werden

Klasse 9 Sicherheitsrelevanter Verbraucher, temporäre Leistungsredu-

zierung kann aus sicherheitstechnischer Sicht vorgenommen

werden

Klasse 10 Sicherheitsrelevanter Verbraucher, keine Leistungsreduzie-

rung zulässig

82

als auch Komfortfunktionalitäten ausführen, der Gruppe der sicherheitsrelevan-ten Verbraucher zugeordnet werden.


Die Prioritätenvergabe wird nach folgenden Aspekten durchgeführt:

• Funktionale Sicherheit• Bauteilschutz• Wahrnehmbarkeit bezüglich Dynamik und thermischem Komfort

Hierdurch kann situativ, streckenabhängig und adaptiv ein energetischer Zu-stand des Gesamtfahrzeugs zur Erfüllung einer geforderten Reichweite in Formeines vom Fahrer vorgegebenen Zielorts (in Zielführung) bzw. eines allgemeinreichweitenmaximierenden Betriebs (ohne Zielführung) erreicht werden.Es findet somit eine Unterscheidung in eine Betriebsstrategie in Zielführungund eine Betriebsstrategie ohne Zielführung statt. Liegt eine konkrete Ziel-führung vor, können Streckeninformationen (Geschwindigkeitslimits, Kurven-krümmung, Höhenprofil) prädiktiv zur Betriebsstrategievorgabe bis zum ge-wünschten Zielort genutzt werden.Abbildung 5.1 zeigt den Ablaufplan des Moduls Energiekoordinator zur Unter-scheidung dieser beiden Fälle. Die Einteilung der Verbraucher nach Prioritäts-klassen ist hierbei als applizierbare Datenbank hinterlegt und beschreibt jedenVerbraucher durch seine Prioritätskennzahl (PK) gemäß Tabelle 5.1. Diese dientsowohl der Betriebsstrategie in Zielführung als auch der Betriebsstrategie ohneZielführung als Eingangsgröße. Über die weiteren Eingangsgrößen Reichweite

und Entfernung bis Ziel kann im Modul Betriebsstrategie in Zielführung ein Ab-gleich zur Erreichbarkeit des gewünschten Ziels durchgeführt werden, wonachsich dann die Betriebsstrategie ausrichtet. Hierbei liegt die Annahme zu Grun-de, dass am Zielort die Batterie geladen werden kann. Im Modul Betriebsstra-

tegie ohne Zielführung hingegen richtet sich die Ausführung der Betriebsstra-tegie nach der Größe SoC, um einen allgemein reichweitenverlängernden Be-trieb umzusetzen. Die Information zur Entfernung bis zum nächsten Ladeortsteht hierbei nicht zur Verfügung. Darüber hinaus dient die Temperatur T alsweitere Eingangsgröße zur Ausführung der Betriebsstrategie. Die detaillierteBeschreibung zur Umsetzung der Betriebsstrategie in den Modulen Betriebss-

83


trategie ohne Zielführung und Betriebsstrategie in Zielführung erfolgt in denAbschnitten 5.1.1 und 5.1.2. Ausgangsgröße ist jeweils die pro Verbraucher ma-ximal einzustellende Leistung P max, welche demModul Leistungskoordination

übergeben wird. Hier laufen die Leistungsanforderung eines jeden Verbrauchersund die Leistungsfreigabe P max durch das Energiemanagement zusammen.Die Leistungsanforderung der jeweiligen Verbraucher gewährleistet zunächstdie Qualitätsmerkmale Dynamik und Komfort in vollem Umfang zu Lasten desQualitätsmerkmals Reichweite. Die Leistungsobergrenze P max dient gegebe-nenfalls dazu, die Leistungsflüsse der Verbraucher temporär und situativ in ih-rem Absolutbetrag zu deckeln, um dadurch das Qualitätsmerkmal Reichweitezu steigern. Es wird also durch das Energiemanagement eine Balance zwischenden drei konkurrierenden Qualitätsmerkmalen hergestellt. Daher gibt das Ener-giemanagement in Form von maximalen Leistungsgrenzen durch die Größe P

max für jeden Verbraucher eine im Absolutwert einzuhaltende Obergrenze vor.Liegt hingegen die Leistungsanforderung des jeweiligen Verbrauchers unterhalbder vom Energiemanagement definierten Obergrenze, wird der Leistungsanfor-derung des Verbrauchers in vollem Umfang frei gegeben. Somit wird in diesemFall das Qualitätsmerkmal Dynamik bzw. Komfort nicht reduziert. Über denbeschriebenen Mechanismus zur Deckelung der maximalen Verbraucherleis-tungen können alle Leistungsflüsse im Gesamtfahrzeug gesteuert werden, umeinen reichweitenverlängernden Betrieb zu gewährleisten.

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Abb. 5.1.: Ablaufplan des Energiekoordinators

5.1.1. Betriebsstrategie ohne Zielführung

Die Koordinierung der Energieflüsse wird in Abhängigkeit der Prioritätskenn-zahl durchgeführt und kann ohne konkrete Zielführung zu einem allgemeinreichweitenverlängernden Betrieb führen. Die PK dient dem Energiekoordina-

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tungsfreigabe des Moduls Energiekoordinator definiert vorgegeben werden.Da in Abschnitt 3.2.3 eine starke Abhängigkeit der Reichweite in Bezug auf dieAußentemperatur aufgezeigt werden konnte, wird die Umgebungstemperatur Tals weitere Dimension dieser Kennfelder hinzugefügt. Zusätzlich könnte auchder Energieinhalt der Batterie in Form des SoC als dritte Eingangsgröße zurvariablen Gestaltung des Verbraucherverhaltens im Fahrtverlauf dienen. Dieskann jedoch zu einem für den Fahrer nicht reproduzierbaren Systemverhaltenim Fahrbetrieb führen. Daher wird diese Möglichkeit im Rahmen der folgen-den Grundlagenuntersuchungen in Kapitel 7 nicht weiter verfolgt, da ein SoC-abhängiges Verhalten lediglich als Notfunktion bei sehr geringem Batterieinhaltsinnvoll erscheint. Abbildung 5.2 zeigt exemplarisch eine mögliche Variante derBedatung (ohne den Einfluss des SoC).

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Abb. 5.2.: Applikativ festlegbares Kennfeld zur Vorgabe des Verbraucherverhaltens

Eine reichweitensteigernde und für den Fahrer trotzdem angenehme Ausprä-gung der Antriebs-, Klimatisierungs- und Komfortsysteme (Sitzheizung, Spie-gelheizung etc.) ist Aufgabe der Applikation. Diese kann in Abhängigkeit des

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tor zur Bestimmung der maximal zulässigen Leistung eines jeden Verbrauchers.Durch applizierbare Kennfelder kann so ein entsprechendes Verhalten zur Leis-


Kennfelder zur Festlegung von definierten Komfort- und Dynamikgrenzen mitHilfe einer multikriteriellen Optimierung widmet sich das Kapitel 7.

5.1.2. Betriebsstrategie in Zielführung

Liegt eine konkrete Zielführung vor, ist die Steuergröße zur Festlegung der Leis-tungsflüsse die Reichweite bzw. das Delta aus Entfernung bis Ziel und der aktu-ellen Restreichweite. Kann das Ziel unter Annahme der aktuellen Energieflüssenicht erreicht werden, so wird eine bedarfsgerechte Degradierung von Verbrau-chern vorgenommen. Hierfür muss zunächst eine Reihenfolge zur Degradierunggemäß der festgelegten Prioritätskennzahlen der einzelnen Verbraucher ermit-telt werden. Verbraucher mit der niedrigsten Priorität werden zuerst degradiert.Es handelt sich um ein gestuftes Konzept. Nach Ermittlung der Reihenfolgewerden zunächst wieder alle Verbraucher mit der höchsten Priorität, in diesemFall der Prioritätskennzahl 10, belegt und gemäß der ermittelten Reihenfolgewird abgefragt, ob eine Degradierung von Verbrauchern zur Zielerreichung nö-tig ist. Die Zielerreichung wird somit im iterativen Verfahren durch Herabstu-fung der Prioritätskennzahlen durchgeführt. Die festgelegte Prioritätskennzahldient dabei als untere Grenze (Min PK), welche im iterativen Verfahren nichtweiter herabgestuft werden darf. Wird die Prioritätskennzahl als unterer Grenz-wert erreicht, wird der in der Reihenfolge nächst folgende Verbraucher im ana-logen Verfahren degradiert.Nachdem durch den Algorithmus eine Prioritätskennzahl verändert wurde, wirdeine Neuberechnung der Reichweite angestoßen. Es wird dann überprüft, ob dasZiel nun erreichbar ist oder eine weitere Iteration durchgeführt werden muss. Esfindet somit ein serieller Berechnungsablauf der Module Energiekoordinator undPrädiktionsmodul statt.Umgekehrt kann während der Fahrt ein Verbraucher in seinem Leistungsbedarferhöht werden, wenn festgestellt wird, dass das Ziel erreichbar ist und noch

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Fahrzeugsegments und der herstellerspezifischen Ausrichtung hinsichtlich Kom-fort und Dynamik unterschiedlich ausgeprägt sein. Der Parametrierung dieser


Betriebsstrategie während des Fahrbetriebs. Ein Schwellenwert zur Umsetzungeiner Hysterese kann hierbei applikativ vorgesehen werden. Abbildung 5.3 stelltdas beschriebene Verfahren als Ablaufplan schematisch für einen Rechenschrittdar. Das dargestellte Verfahren wird im Betrieb iterativ durchlaufen.

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Abb. 5.3.: Ablaufplan der Betriebsstrategie in Zielführung (dargestellt für einen Rechenschritt)

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Energie am Zielort vorhanden wäre, z.B. wenn während der Fahrt ein Verbrau-cher vom Fahrer deaktiviert wird. Dies ermöglicht eine Adaptionsfähigkeit der


5.1.3. Funktion zur Reduzierung der Batterieverluste

Gemäß Abschnitt 2.1.1 treten im Fahrbetrieb strom- und temperaturabhängi-ge Batterieverluste auf, welche durch den Innenwiderstand der Batterie hervor-gerufen werden. Da diese überproportional mit dem Batteriestrom ansteigen,kann eine Reduzierung von Leistungsspitzen diese Verluste verringern. Dieskann erreicht werden, indem in Rekuperationsphasen leistungsintensive Ne-benverbraucher, insbesondere das Klimatisierungssystem, mit mehr Leistungversorgt werden. Dieser Leistungsüberschuss muss dann nicht von der Batte-rie aufgenommen werden, sondern wird während der Rekuperation direkt überden Gleichstromzwischenkreis an den Verbraucher abgeführt. In darauf folgen-den motorischen Phasen kann der entsprechende Verbraucher kurzzeitig mit ei-ner geringeren Leistung versorgt werden, bei gleichbleibendem Komfortniveau(siehe Abschnitt 3.2.2). Somit werden auftretende Leistungsspitzen gleichfallsim motorischen sowie generatorischen Betrieb abgesenkt und Ein- bzw. Aus-speiseverluste an der Batterie reduziert.Dieses Verhalten kann mittels des Energiekoordinators in einfacher Weise er-reicht werden. Hierzu wird die Prioritätskennzahl von entsprechenden Verbrau-chern des Klimatisierungssystems in Abhängigkeit von Rekuperations- und dar-auf folgenden Antriebsphasen dynamisch verändert. Abbildung 5.4 stellt sche-matisch die Funktionsweise des Algorithmus als Ablaufdiagramm dar.Über eine Abfrage der Antriebsleistung kann ermittelt werden, ob eine motori-sche oder generatorische Phase vorliegt. Wird gerade rekuperiert, wird die Zeitdieser Phase gespeichert (t Reku) sowie die Prioritätskennzahl des Klimatisie-rungssystems erhöht, um die Leistungsgrenze anzuheben. In der darauf folgen-den motorischen Phase wird analog die Prioritätskennzahl über diesen Zeitraumverringert. Dauert das motorische Manöver länger als das zuvor absolvierte ge-neratorische, wird die Prioritätskennzahl wieder auf den hinterlegten Wert PK

gesetzt. Somit werden die Leistungsgrenzen dynamisch angepasst und Batterie-verluste durch die Nutzung der zurückgespeisten Energie insgesamt verringert.

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Abb. 5.4.: Funktionsprinzip zur Reduzierung von Batterieverlusten mittels deszentralen Energiemanagements (dargestellt für einen Rechenschritt)

5.2. Funktionen des Antriebsmanagements

Aufgabe des Antriebsmanagements ist die Übersetzung des Fahrerwunschesin eine Lastvorgabe des Antriebssystems. Dies wird in Form einer definiertenFahrstrategie umgesetzt. Die Fahrstrategie soll hierbei einen möglichst effizien-ten Betrieb des Antriebssystems gewährleisten. Eine weitere wichtige Aufgabeist die Sicherstellung von Fahrbarkeitsansprüchen. Im Folgenden werden dieFunktionalitäten und die Struktur des Antriebsmanagements erläutert.

90


5.2.1. Fahrstrategie

Innerhalb des Antriebsmanagements ist gemäß Abbildung 4.3 ein Zustandsau-tomat implementiert, welcher eine definierte Fahrstrategie in Form von diskre-ten Betriebsmodi vorgibt. Es wird zwischen den Modi

• Parken

• Stehen

• Kriechen

• Segeln/Schub

• Fahren

• Rekuperation

unterschieden. Eine entsprechende Logik zur Betriebsmodusauswahl ist mitHilfe eines Zustandsautomaten gemäß Abbildung 5.5 implementiert. Hierbeimeinen die &&-Symbole eine „und“-Verknüpfung.

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Abb. 5.5.: Ablaufplan des Zustandsautomaten zur Umsetzung der Fahrstrategie

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Die Logikfunktion wird in Abhängigkeit von Fahr- und Bremspedal sowie derWählhebel-Position ausgeführt. Zusätzlich dient die FahrzeuggeschwindigkeitVFzg als Signal zur Plausibilisierung dieser Logikfunktionen.

5.2.2. Betriebsmodusabhängige Drehmomentenvorgabe

In Abhängigkeit der beschriebenen Betriebsmodi werden die Vorgaben für dasAntriebssystem in Form einer drehmomentenbasierten Laststeuerung durch einFahrerwunschmoment ausgeführt, welches anschließend auf die elektrischenMaschinen MEM1 und MEM2 aufgeteilt und die Kupplungsansteuerung K ko-ordiniert werden muss. Die drehmomentenbasierte Antriebssteuerung orientiertsich somit an der bei konventionellen und hybriden Fahrzeugen etablierten Füh-rungsgröße des Fahrerwunschmoments Mdes, wie in [45] dargestellt.Abbildung 5.6 zeigt schematisch die Struktur der Antriebssteuerung. Die ein-zelnen Module werden in Abhängigkeit des aktuellen Betriebsmodus gemäßAbschnitt 5.2.1 aufgerufen und führen dann eine modusabhängige Fahrerwun-schmomentenvorgabe aus. Die folgende Darstellung erfolgt für eine idealisierteBetrachtung in der Ebene.

Parken und StehenIn den Fahrmodi Parken und Stehen wird das FahrerwunschmomentMdes = 0 ausgegeben.

FahrenDurch Betätigen des Fahrpedals liegt ein positiver Drehmomentenwunsch vor.Das FahrerwunschmomentMdes wird mittels eines Fahrpedalkennfelds aus demFahrpedalsignal ermittelt und entsprechend der Triebstrang-Topologie weiterkoordiniert. In motorischen Phasen (positives Fahrerwunschmoment, Mdes >0) soll ein möglichst effizienter Betrieb eingestellt werden. Hierzu dient beiAllrad-Topologien ein Optimierer im Modul Momentenkoordination,siehe Abschnitt 5.2.3.

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Abb. 5.6.: Struktur der drehmomentenbasierten Antriebssteuerung

RekuperationDurch Betätigen des Bremspedals liegt ein negativer Drehmomentenwunschvor. Das negative Fahrerwunschmoment Mdes wird mit Hilfe des Bremspedal-signals und einem Bremspedalkennfeld ermittelt. Die Aufteilung des negativenFahrerwunschmoments zur Vorgabe einer definierten Bremskraftverteilung er-folgt im Modul Bremskraftverteilung, siehe Abschnitt 5.2.3.

Segeln/Schub/KriechenSind gleichzeitig das Fahr- und das Bremspedal nicht betätigt, gibt diese Funk-tion ein Fahrerwunschmoment Mdes in Abhängigkeit der aktuellen Längsge-schwindigkeit vor. Analog heutiger Automatikgetriebe kann hierbei aus demStand ein positives Drehmoment zum Anfahren vorgegeben werden (Kriech-moment). Dies ermöglicht ein besseres Rangieren und erhöht die Fahrbarkeitin niedrigen Geschwindigkeitsbereichen. Während der Fahrt hingegen kann einSchubmoment generiert werden, um eine leichte Rekuperation einzustellen und

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dem Fahrer ein vom Verbrennungsmotor gewohntes, leichtes Schubmoment zuermöglichen. Konfigurierbar kann dieses Schubmoment im Fahrbetrieb jedochauch zu Null bedatet werden. Beim Segeln rollt das Fahrzeug frei aus und wirdlediglich durch die Fahrwiderstände verzögert. Dies kann bei vorausschauenderFahrweise zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs führen.Zur Umsetzung dieses Verhaltens ist eine geschwindigkeitsabhängige Kennliniehinterlegt. Abbildung 5.7 zeigt diese frei applizierbare Kennlinie.

Abb. 5.7.: Kennlinie zur Drehmomentenvorgabe im Fahrmodus Segeln/Schub/Kriechen

Bis zur Geschwindigkeit VZug wird ein konstantes positives DrehmomentMZug

vorgegeben. Dieses kann in Abhängigkeit der aktuellen Steigung beeinflusstwerden. Somit kann auch eine Hill-Hold1-Funktion umgesetzt werden. Im Ge-schwindigkeitsbereich zwischen VZug und VSchub wird das Drehmoment linear

1 Funktion zur Rollsicherung am Berg; normalerweise durch einen Bremseneingriff realisiert

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auf das negative FahrerwunschmomentMSchub überblendet. Dieses kann jedochauch applikativ zu Null bedatet werden, um den BetriebsmodusSegeln einzustellen.

5.2.3. Drehmomentenkoordination und -steuerung

Das Fahrerwunschmoment muss in Abhängigkeit des aktuellen Fahrmodus zurSollmomentenvorgabe auf Vorder- und Hinterachse aufgeteilt werden. Hier-zu wird im Modul Momentenkoordination in motorischen Phasen eine verlust-leistungsoptimale Allradverteilung realisiert. Des Weiteren wird eine definierteBremskraftverteilung in generatorischen Phasen umgesetzt.

Optimierer zur Allradverteilung in motorischen PhasenBei Fahrzeugen mit Mehrmotorenkonzept und achsindividuellem Antrieb (Top

IV) kann nach Abschnitt 3.2.2 eine entsprechende Allradverteilung Verbrauch-spotentiale aufweisen. Zur Gewährleistung dieser Anforderung wird ein online-fähiger Optimierer implementiert, welcher die Sollmomente der elektrischenMaschinen für Vorder- und Hinterachse sowie die Kupplungsstellung unter demAspekt der Energieverbrauchsminimierung aus dem Fahrerwunschmoment er-mittelt. Bei der folgenden Betrachtung wird davon ausgegangen, dass keine An-forderungen bezüglich fahrdynamischer und sicherheitsrelevanter Aspekte zurFahrzeugstabilität und Lenkbarkeit vorliegen. Somit kann eine optimierte Ver-teilung der Drehmomente rein aus energetischen Gesichtspunkten erfolgen.Im Folgenden soll die gesamte Wirkungsgradkette bis zum Rad betrachtet wer-den. Als Steuergröße dient daher die Verlustleistung des gesamten Antriebs-systems, bestehend aus elektrischen Maschinen, Getriebe und Differential so-wie den Rädern. Jede Komponente wird durch ein abgelegtes Verlustleistungs-kennfeld beschrieben. Die Verlustleistung gilt es gesamthaft zu minimieren.Die Optimierung wird analytisch auf Basis von applizierbaren Verlustleistungs-kennfeldern der einzelnen Komponenten (elektrische Maschinen, Getriebe undDifferential, Reifen) im aktuellen Betriebspunkt durchgeführt. Neben dieser

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analytischen Betriebsstrategie kann auch eine heuristische Strategie auf Basiseiner festen Drehmomentenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse vor-gegeben werden. Diese soll als Referenz zur Beurteilung des Optimierungs-verfahrens dienen.Die analytische Zielfunktion zur Minimierung des Energieverbrauchs kann mit-tels der Verlustleistung des Antriebssystems Pv beschrieben werden, welche ei-ne Funktion der Soll-Drehmomente MEM 1 und MEM 2 der beiden elektrischenMaschinen darstellt. Die Gesamtverlustleistung setzt sich aus den Verlustleis-tungen der elektrischen Maschine an Vorder- Pv EM1 und Hinterachse Pv EM2,der achsindividuellen Getriebe (Getriebe und Achsdifferential) Pv GB1,2 und derReifen pro Achse Pv W1,2 nach Gleichung [5.1] zusammen:

min: f (MEM 1,MEM 2) = ∑Pv EM+∑Pv GB+∑Pv W [5.1]

Als Nebenbedingung (NB) muss nach Gleichung [5.2] das geforderteWunschmo-ment Mdes durch das Summendrehmoment der beiden elektrischen MaschinenMEM 1 und MEM 2 aufgebracht werden.

NB: Mdes =MEM 1+MEM 2 [5.2]

Das Wunschmoment Mdes kann hierbei als gegeben betrachtet werden, wobeidie Kombination vonMEM 1 undMEM 2 gesucht ist, bei der f (MEM 1,MEM 2) =

Pv minimal wird. Zur Ermittlung einer Extremalstelle unter Berücksichtigungder Nebenbedingung kann nach [26] und [62] das Verfahren von Lagrange An-wendung finden. Hierzu wird die Lagrangesche Hilfsfunktion L nachGleichung [5.3] gebildet,

L(MEM 1,MEM 2,λL) = f (MEM 1,MEM 2)+λLg(MEM 1,MEM 2) [5.3]

wobei λL der Lagrange-Multiplikator und g(MEM 1,MEM 2) die Funktion zurNebenbedingung mit g(MEM 1,MEM 2) =MEM 1+MEM 2−Mdes darstellen.Man sucht nun die Kombinationen MEM 1 und MEM 2, für die die partiellen

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Ableitungen LMEM 1, LMEM 2 und LλL gemäß der Gleichungen [5.4]-[5.6] durchLösen des linearen Gleichungssystems null werden.

LMEM 1 =∂L

∂MEM 1= 0 [5.4]

LMEM 2 =∂L

∂MEM 2= 0 [5.5]

LλL =∂L∂λL

= g(MEM 1,MEM 2) = 0 [5.6]

Durch Einsetzen der ermittelten Stellen in die Zielfunktion wird das Minimumüber den Funktionswert identifiziert.Zudem wird über die beschriebene Funktion zur Allradverteilung die Kupp-lungsansteuerung K realisiert. Wenn das Sollmoment MEM 1 der Vorderachseungleich Null ist, wird die Kupplung geschlossen, K = 0. Die Kupplung wirdhierbei für die Optimierung als ideal verlustfrei angenommen und bauartbeding-te Synchronisationsvorgänge sowie Fahrbarkeitsrestriktionen werden vernach-lässigt, um zunächst das absolute Potential hinsichtlich des Energieverbrauchsquantifizieren zu können. Der dargestellte Optimierungsalgorithmus kann auchauf radindividuelle Antriebskonzepte mit mehr als einer Maschine pro Achseangewendet werden. Hierbei setzen sich die für jeweils eine Achse formuliertenVerluste additiv aus den am Leistungsfluss beteiligten Komponenten einer jedenAchse zusammen. Die resultierenden Sollmomente müssen dann jedoch auf dieantreibenden Maschinen zu gleichen Teilen aufgeteilt werden, um ungewollteGiermomente zu vermeiden.

Bremskraftverteilung (bkv)Aus Gründen der fahrdynamischen Stabilität, Robustheit sowie Einfachheit wirdeine feste Bremskraftverteilung eingestellt, siehe Abschnitt 3.2.2, auch wennhierbei die Güte der Abbremsung verringert wird. Für eine stabile Bremsung

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unter Ausnutzung der Rutschgrenze an der Vorderachse und einer stabilen Hin-terachse gilt nach [31] für die Bremskraftverteilung bkv nach Gleichung [5.7]

bkv=(sh+0.8 hs)(sv−0.8 hs)

[5.7]

Mit:sh: Abstand der horizontalen Schwerpunktslage zur Hinterachsesv: Abstand der horizontalen Schwerpunktslage zur Vorderachsehs: Vertikale Schwerpunktslage

Übersteigt das vorgegebene Bremsmoment das maximal mögliche Drehmo-ment der elektrischen Maschinen oder kann die Batterie aufgrund thermischerEinflüsse oder hohem Ladezustand keine Energie aufnehmen, wird mechanischüber das konventionelle Bremssystem zugebremst. Die Kupplung an der Vor-derachse ist in Rekuperationsphasen immer geschlossen, K = 0.

5.3. Funktionen der Reichweitenermittlung

Aufgabe der Reichweitenermittlung ist es, eine präzise Reichweite des Fahr-zeugs zu prognostizieren, um dem Energiemanagement eine Steuergröße hoherGüte zur Verfügung zu stellen. Hierfür ist die genaue Kenntnis über Fahrzeug,Fahrer, Strecke sowie Umgebung notwendig. Mittels dieser Informationen kannder benötigte Leistungsbedarf für Antrieb und Nebenverbraucher hinreichendgenau prädiziert werden. Die Prognose des Leistungsbedarfs stellt somit die we-sentliche Herausforderung dar. Mittels dieses Leistungsbedarfs kann dann einepräzise Restreichweite unter Berücksichtigung des aktuellen Energieinhalts derBatterie ermittelt werden.

98


5.3.1. Berechnung der Reichweite

Die benötigten Größen zur Berechnung der Reichweite sind Energieinhalt derBatterie, Energieverbrauch des Antriebssystems bant , der Klimatisierung bacund des Niedervolt-Bordnetzes bbn, wobei es sich beim Energieverbrauch hier-bei um einen Streckenverbrauch in der Einheit Whkm handelt. Abbildung 5.8 zeigtdas Funktionsschema des implementierten Algorithmus.

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Abb. 5.8.: Ablaufplan der Reichweitenberechnung

Liegt keine Zielführung vor, muss der Energieverbrauch des Antriebssystemsmittels Verbrauchsdaten aus der Historie abgeschätzt werden. Diese Daten wer-den entsprechend über die bisher zurückgelegteWegstrecke imModul bant;Vmittel

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ermittelt, um diese als Schätzung für den Verbrauch pro Strecke der noch zu-rückzulegenden Teilstrecke zu verwenden. In diesem Modul wird sowohl derEnergieverbrauch als auch die dazugehörige DurchschnittsgeschwindigkeitVmittel berechnet.Liegt hingegen eine Zielführung vor, kann der Antriebsverbrauch bant auf Basisder prädizierten Radleistung Pprd und der zurückzulegenden Strecke s gemäßGleichung [5.8] mit Hilfe von Streckendaten prädiktiv abgeschätzt werden, sie-he Abschnitt 5.3.2.

bant =∫ tend0 Pprd dt

s[5.8]

Die Energieverbräuche der Nebenverbraucher (bac, bbn) werden aus einem Leis-tungsbedarf und einer mittleren Geschwindigkeit Vmittel nach Gleichung [5.9]errechnet. Die Abschätzung des Energiebedarfs zur Innenraumklimatisierungwird im Modul bac auf Basis einer außentemperaturabhängigen Leistung Pacdurchgeführt. Da die Sonneneinstrahlung nicht in jedem Fahrzeug sensiert wird,somit auch nicht als Eingangsgröße zur Verfügung steht, wird hierbei eine inAbhängigkeit der Temperatur mittlere Sonneneinstrahlung angenommen. DieDurchschnittsgeschwindigkeit Vmittel wird hierzu im Modul bant;Vmittel ermit-telt.

bac =PacVmittel

[5.9]

Die Reichweite RW bestimmt sich nun nach Gleichung [5.10] aus dem aktuellnutzbaren Energieinhalt der Traktionsbatterie in Form des relativen SOC, demmaximal nutzbaren Energieinhalt Emax und dem Energieverbrauch des Gesamt-fahrzeugs, welcher sich aus den ermittelten Einzelverbräuchen zusammensetzt.

RW =Emax SOC

bant+bac+bbn[5.10]

100


5.3.2. Prädiktion der Antriebsleistung

Mit Hilfe von Streckendaten soll in Zielführung die Antriebsleistung für die zubefahrende Strecke und die Durchschnittsgeschwindigkeit Vmittel prd im Modulbant prd;Vmittel prd prädiziert werden. Hierbei stehen Informationen über gesetz-liche Geschwindigkeitslimits Vlim, das topographische Höhenprofil h und Kur-venkrümmungen κ zur Verfügung. Die Berechnung des Leistungsbedarfs Pprdwird physikalisch auf Basis der Zugkraftgleichung [5.11]

Pprd = Fzug prdVprd

η

=

(mfzg

(ax prd+g froll+gsin(β )

)+12

ρcwAV 2prd

)Vprd

η[5.11]

und eines mittleren Triebstrangwirkungsgrades η durchgeführt. Bei der Abbil-dung des Radwiderstands werden der Vorspurwiderstand sowie Lagerreibungund Restbremsmomente nicht berücksichtigt, da sie nach [63] in erster Nähe-rung gegenüber dem Rollwiderstand als Haupteinflussgröße vernachlässigbarsind.Die für Gleichung [5.11] zu bestimmenden Größen sind der Geschwindigkeits-verlauf Vprd, die hieraus resultierende Beschleunigung ax prd und der Verlaufdes Steigungswinkels β . Bei Gefällestrecken und Verzögerungen ergibt sichsomit nach Gleichung [5.11] eine negative Leistung, welche als Rekuperations-leistung angenommen werden kann und somit den Energiebedarf reduziert.

Ermittlung von VprdDas zu prädizierende Geschwindigkeitsprofil wird aus den gesetzlichen Ge-schwindigkeitslimits abgeleitet. Dieses liegt als wegabhängiges Profil vor. Eshandelt sich zunächst aufgrund des abschnittsweisen Charakters um ein unsteti-ges Profil. Auf Basis von Kurvenkrümmungen und einer für den Fahrer akzep-

101


tablen Querbeschleunigung ay und der Kurvenkrümmung κ können jeweiligeKurvengeschwindigkeiten Vk gemäß Gleichung [5.12] ermittelt werden.

Vk =√ayκ

[5.12]

Diese werden den gesetzlichen Geschwindigkeitslimits überlagert und in dasGeschwindigkeitsprofil eingetragen.An Übergängen von zwei aufeinanderfolgenden Geschwindigkeitslimits bzw.Übergängen zu Kurvengrenzgeschwindigkeiten wird mittels einer charakteris-tischen mittleren Beschleunigung ax bzw. Verzögerung bx ein linearer Über-gang vom einen auf das andere Geschwindigkeitslimit bzw. zur Kurvengrenz-geschwindigkeit erzeugt.Als letzter Schritt wird in Phasen konstanter Geschwindigkeitslimits eine cha-rakteristische Schwankung aufmoduliert. Diese wird mittels einer geschwindig-keitsabhängigen Frequenz fV und Amplitude yV beschrieben.Die hinterlegten Frequenzen und Amplituden zur Modulation der Geschwindig-keitsschwankungen sowie die mittleren Beschleunigungen und Verzögerungenentstammen einer Datenbank. Diese charakteristischen Werte für yV sowie fVsowie ax, bx wurden im realen Straßenverkehr aus über 170 Messfahrten er-mittelt und zu statistischen Werten aggregiert. Die Größen yV , fV können hier-bei mit Hilfe einer FFT2-Analyse aus den messtechnisch erfassten Fahrzeugge-schwindigkeiten als dominierende Werte einer überlagerten Schwingung ermit-telt werden.Abbildung 5.9 zeigt qualitativ das oben beschriebene Verfahren zur Prädiktiondes Geschwindigkeitsverlaufs mit Hilfe von Streckeninformationen und charak-teristischen Größen.

2 Fast Fourier Transformation

102


Abb. 5.9.: Prädiktion des Geschwindigkeitsverlaufs zur Ermittlung des voraussichtlichenEnergiebedarfs bis zum Zielort

Ermittlung von ax prdAus dem prädizierten Geschwindigkeitsprofil Vprd wird mittels Differenzierennach Gleichung [5.13] abschnittsweise das prädizierte Beschleunigungsprofilerzeugt. Hierfür wird das wegbasierte Geschwindigkeitsprofil zuvor in ein zeit-basiertes überführt. Die Abschnitte können analog dem Geschwindigkeitsver-lauf aneinander gefügt werden.

ax prd =dVprddt

[5.13]

Ermittlung von βMittels der wegabhängigen Information über den Höhenverlauf h(x) kann derSteigungswinkel β nach Gleichung [5.14] ermittelt werden. Wobei dieser so-wohl positiver als auch im Falle von Gefällestrecken negative Werteannehmen kann.

β = arctan(

ΔhΔx

)[5.14]

103


5.3.3. Prädiktion der Klimatisierungsleistungen

Der Leistungsbedarf des Klimatisierungssystems kann, wie in Abschnitt 3.2.3dargestellt, auf Basis der Außentemperatur für den stationären Zustand analy-tisch abgeschätzt werden. Da jedoch auch instationäre Vorgänge zum erstma-ligen Aufheizen bzw. Abkühlen der Fahrzeugkabine energetisch relevant sind,wird zur präzisen Prognose ein neuronales Netz eingesetzt, welches die aktuel-len Umgebungsbedingungen zur Prädiktion des Energieverbrauchs berücksich-tigen kann, um direkt zu Fahrtbeginn eine verlässliche Reichweitenberechnungdurchführen zu können. Eine detaillierte Beschreibung und Ausführung folgtim Abschnitt 7.2.Während des Fahrbetriebs kann dann eine Ermittlung des Energieverbrauchsauf Basis von aktuellen Daten durchgeführt werden, um die Adaptionsfähigkeitsicherzustellen. Die Berechnung des Klimatisierungsverbrauchs wird imModulbac gemäß Abbildung 5.8 durchgeführt.

104

6. Virtuelle Gesamtfahrzeugumgebung

Mit Hilfe einer virtuellen Gesamtfahrzeugumgebung sollen zum einen die inKapitel 3 dargelegten Untersuchungen zum Antriebskonzept durchgeführt wer-den und zum anderen die in Kapitel 5 beschriebene Funktionsarchitektur simu-lativ untersucht werden, um einzelne Betriebsstrategie-Maßnahmen zu bewer-ten und deren Potentiale quantifizieren zu können. In diesem Kontext wird inKapitel 7 eine Methode zur Betriebsstrategieoptimierung und zur Entschärfungdes Spannungsfelds bestehend aus Reichweiten-, Dynamik- sowie Komfortan-forderungen vorgestellt. Es wird ein Fahrzeugmodell benötigt, welches alle re-levanten Energieflüsse im Fahrbetrieb gesamthaft abbildet und zusätzlich einerealitätsnahe Bewertung der Fahrzeugdynamik sowie des thermischen Komfortsin der Fahrzeugkabine gewährleistet.

Eingangs wird hierzu ein modular aufgebautes Fahrzeugmodell vorgestellt, wel-ches die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt. Im Anschluss wird die Ab-leitung eines Referenzfahrzeugs erläutert und die Dimensionierung der Teilsys-teme ausgeführt. Es folgt eine Validierung des Referenzmodells mittels Mess-daten eines realen Versuchsfahrzeugs. Hieran schließt sich die Darstellung einerSiL1-Umgebung an, welche eine Kopplung des Gesamtfahrzeugmodells mit derFunktionsarchitektur aufzeigt, um diese virtuell erproben und in ihrer Funkti-onsweise analysieren zu können.

1 Software in the Loop

105


6.1. Gesamtfahrzeugmodell

Das Gesamtfahrzeug gliedert sich in die folgenden Teilmodelle:

• Antriebssystem• Innenraum und Klimatisierung• Niedervolt-Bordnetz

6.1.1. Antriebssystem

Das Antriebssystem wird mit Hilfe des Simulationswerkzeugs AVL Cruise c©

abgebildet. Es handelt sich hierbei um eine reine Längsdynamik-Simulation.Die Modellbildung ist modular durchzuführen, so dass die Komponenten deselektrischen Antriebssystems separat abgebildet werden können. Um die ge-samte Wirkungsgradkette der jeweiligen Topologie und den Einfluss auf denEnergieverbrauch darzustellen, wird jede Komponente durch ein Verlustleis-tungskennfeld beschrieben. Ebenso wird eine Verbindung der Komponenten be-züglich der mechanischen und elektrischen Energieflüsse innerhalb des elektri-schen Antriebssystems hergestellt. Hierbei werden entsprechende physikalischeGesetzmäßigkeiten insbesondere für elektrische Maschinen, Traktionsbatteriesowie Getriebe, wie in Abschnitt 2.1 dargestellt, berücksichtigt.Die Fahrwiderstände werden in Form von Luft-, Beschleunigungs- und Rollwi-derstand sowie zyklusabhängig auch durch den Steigungswiderstand abgebil-det. Hierdurch ist es möglich, eine Quantifizierung des Energieverbrauchs unterVorgabe repräsentativer Fahrzyklen durchzuführen.Innerhalb der Simulationsumgebung AVL Cruise c© steht zusätzlich ein Fahrer-modell zur Verfügung, welches auf Basis einer zyklusabhängigen Geschwin-digkeitsvorgabe die Stellgrößen des Fahr- und Bremspedals regelt. Somit istneben der physikalischen Abbildung des Antriebssystems und der Abbildungder Fahrwiderstände auch der Fahrer selbst in AVL Cruise c© enthalten.

106


6.1.2. Innenraum und Klimatisierung

Bei jedem physikalischen Modell gilt es, die realen Verhältnisse möglichst ge-nau abzubilden. Es müssen die relevanten Einflussfaktoren aufgenommen undextrahiert werden, gleichzeitig aber Komplexität und Umfang auf das Wesent-liche reduziert werden. Hinsichtlich der Modellierung des Fahrzeuginnenraumssind verschiedene Ansätze bekannt. Diese unterscheiden sich vor allem in derModellierungstiefe und Simulationslaufzeit. Es kann eine Einteilung in empiri-sche (black box) [103], 1-Zonen [47], Mehr-Zonen [64] sowie numerische drei-dimensionale CFD2-Ansätze [20] bis hin zu gekoppelten System-Simulationen[80] als Kombinationen der genannten Möglichkeiten mit entsprechenden Vor-und Nachteilen getroffen werden [96].Im Rahmen dieser Arbeit wird ein eindimensionales 2-Zonen-Innenraummodellimplementiert, welches sowohl die Bewertung des thermischen Komforts in derFahrzeugkabine als auch die Quantifizierung des Energieverbrauchs des Klima-tisierungssystems erlaubt. Mit 2-Zonen-Modell ist die separate Abbildung desKopf- und Fussraums als entsprechende Luftvolumina gemeint.Das Modell beinhaltet neben der Abbildung relevanter thermodynamischer Zu-sammenhänge und bauteilbedingter Wärmeübertragungsmechanismen auch dieModellierung einer vereinfachten Klimaregelung. Dies gewährleistet die Dar-stellung realitätsnaher Temperaturverläufe in der Fahrzeugkabine sowie dyna-mischer Energieflüsse im Fahrbetrieb. Zudem werden imModell alle relevantenBauteiltemperaturen der Karosserie bestimmt, um konvektiveWärmeübergängeund Einflüsse durch Wärmestrahlung lokal in guter Näherung abzubilden undzugleich eine mittlere Strahlungstemperatur zur Bestimmung des PMV-Indexgemäß Gleichung [2.30] zur Verfügung stellen zu können.Die Umsetzung erfolgt in der Umgebung Matlab/Simulink c©. Mit Hilfe die-ses Modells ist es möglich, nicht nur statische, thermisch eingeschwungeneZustände, sondern auch instationäre Aufheiz- und Abkühlvorgänge abzubilden

2 Computer Fluid Dynamics

107


und zu untersuchen, welche für den thermischen Komfort und den Energiever-brauch gleichermaßen von großer Bedeutung sind. Hierin besteht der wesentli-che Mehrwert zum rein analytischen Ansatz der Voruntersuchungennach Abschnitt 3.2.3.

ModellbildungDas Modell bilanziert nach Abbildung 6.1 separat für jedes Karosserieelementi (Verglasungen, Dach, Seitenelemente, Unterboden) die auftretenden Wärme-ströme für Strahlung Qstrahl,i unter Vorgabe der Umgebungstemperatur T , Ab-sorption durch Sonneneinstrahlung Qabs,i sowie den materialspezifischen Wär-medurchgang Qdurch,i gemäß der Gleichungen [6.1]-[6.4].

Qges,i = Qstrahl,i+ Qabs,i+ Qdurch,i [6.1]

Mit:

Qstrahl,i = εσAi(T 4bt,i−T 4

)[6.2]

Qabs,i = αabsAiqsonne [6.3]

Qdurch,i = kAiΔT =Ai

1αi,i +

δiλi +

1αa,i

ΔT [6.4]

Nach Gleichung [6.4] ist die freie Konvektion als weiterer Wärmeübertragungs-mechanismus ebenfalls in der Abbildung des Wärmedurchgangs enthalten.Durch die Bilanzierung der Wärmeströme können die einzelnen Bauteiltempe-raturen Tbt,i als kalorischeMitteltemperatur mit Hilfe der Bauteilmassembt,i undder spezifischen Wärmekapazität cp bt,i nach Gleichung [6.5] ermittelt werden.Die instationäre Wärmeleitung kann hierdurch in eine gewöhnliche Differenti-algleichung 1. Ordnung überführt werden [17].

ΔTbt,i =t∫0

Qges,imbt,icp bt,i

dt [6.5]

Für Emmisions- und Absorptionskoeffizient ε bzw. αabs als wesentlichen Ein-flussparameter bezüglich der Wärmestrahlung nach Gleichung [6.2] sowie der

108


Absorption von Sonnenstrahlung nach Gleichung [6.3] werden Werte für in derAutomobilindustrie übliche Lacke der Farbe Schwarz angenommen. Geschich-tete Komponenten, im Speziellen das Dach, Seiten und der Unterboden, könnenin ihrem wärmeübertragenden Verhalten abgebildet werden. Hierbei wirken iso-lierende Luftschichten zwischen Außen- und Innenhülle. Diese werden mittelseines weiteren konvektiven Wärmeübergangs zwischen Außen- und Innenhülleund mittels Wärmedurchgang nach Gleichung [6.4] berücksichtigt. DerWärme-übertragungsvorgang wird als mehrschichtige ebene Platte nach [58] betrachtet.Bei der Modellierung der Fahrzeugkabine nach Abbildung 6.1 werden insbe-sondere aus Gründen der Rechenzeit folgende Annahmen bzw. Vereinfachun-gen getroffen:

• Im Fahrzeuginnenraum wird der Wärmeaustausch zwischen Bauteilenund der Luft ausschließlich als freie Konvektion abgebildet, da diese derHauptaustauschmechanismus darstellt

• Die Klimatisierung als erzwungene Konvektion steht ausschließlich mitdem Kopfraum im Austausch

• Kopf- und Fußraum sind über freie Konvektion gekoppelt• Das Interieur wird als ein aggregierter Masseknoten abgebildet• Das Interieur ist über freie Konvektion mit dem Fußraum gekoppelt• Das Interieur absorbiert den Anteil der transmittierten Sonneneinstrah-lung Qtrans (siehe Gleichung [6.6])

Durch die Verglasung tritt zudem ein Großteil der Sonneneinstrahlungsinten-sität qsonne in Form von Transmission in Abhängigkeit des Einfallswinkels derSonne relativ zur Scheibe αs über die entsprechenden projizierten Verglasungs-flächen Apro j,k der Anzahl ns in den Fahrzeuginnenraum nach Gleichung [6.6]ein und wird vom Interieur absorbiert.

Qtrans =ns∑k=1Apro j,kτkqsonne [6.6]

109


Die projizierten Flächen werden nach Gleichung [6.7] bestimmt.

Apro j,k = Ak cos(αs). [6.7]

Nach Abbildung 6.1 werden als relevante Karosseriebauteile die Wärmeströmefür Dach und Dachhimmel, Seiten und Seitenverkleidungen, Boden und Unter-bodenverkleidung UBV, sowie Front-, Seiten- und Heckscheibe aufgestellt undentsprechend implementiert.

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Abb. 6.1.: Bilanzierung der Wärmeströme am 2-Zonen Innenraummodell nach [13]

Abbildung der KlimaregelungDie Klimaregelung wird im Modul AC nach Abbildung 6.1 auf Basis eines Vo-lumenstromreglers der Luft mzumittels eines PID-Reglers realisiert. Regelgrößeist hierbei die außentemperaturabhängige Zieltemperatur TZiel nach Abbildung2.5. Dieser Regelung ist eine Steuerung für die Ausblas- und Verdampfertem-peraturen (TAusblas, TVerdampfer) unterlagert. Diese werden ebenfalls in Abhän-gigkeit der Außentemperatur TUmgebung als Kennlinien vorgegeben. Die An-

110


sauglufttemperatur TAnsaug kann durch die Stellung der Umluftklappe verändertwerden. Auch hierfür ist eine Funktion in Abhängigkeit der Außentemperaturhinterlegt. Die modelltechnische Umsetzung ist in Abbildung 6.2 dargestellt.

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Abb. 6.2.: Abbildung der Klimaregelung und der Berechnung des Leistungsbedarfsim Modul AC

Der luftseitige Leistungsbedarf Qklima wird mittels des Luftvolumenstroms mzu

und der spezifischen Enthalpie h nach Gleichung [6.8] ermittelt.

Qklima = mzuh [6.8]

Hierbei wird neben dem Leistungsbedarf zum Kühlen und Heizen (Qklimakuehl,Qklimaheiz) des Innenraumvolumens auch der Energiebedarf zur Luftentfeuch-

111


tung berücksichtigt. Hierfür werden die entsprechenden spezifischen Enthal-phien h an Verdampfer und Heizungswärmetauscher mit Hilfe eines hinterleg-ten Mollier hx-Diagramms (h1+ xx) berechnet.Die elektrischen Leistungen können für den elektrischen Klimakompressor Pekk

mit Hilfe eines COP3-Kennfeldes und für die PTC-Heizung Pptc mittels ei-nes Wirkungsgradkennfeldes gemäß den Gleichungen [6.9] und [6.10] ermitteltwerden.

Pekk = Qklimakuehl1

COP[6.9]

Pptc = Qklimaheiz1

ηptc[6.10]

Durch das beschriebenen 2-Zonen-Innenraummodell mit einer Aufteilung derLuftvolumina in Kopf- und Fussraum ist es möglich, sowohl den Energiebedarfdes Klimatisierungssystems, als auch den thermischen Komfort in der Fahr-zeugkabine unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen (Außentem-peratur, Luftfeuchte sowie Sonneneinstrahlung) realitätsnah abzubilden.

6.1.3. Niedervolt-Bordnetz

Um neben den Hochvolt-Verbrauchern respektive dem Antriebs- und Klimati-sierungssystem auch weitere Niedervolt-Verbraucher abbilden zu können, wur-den Bordnetz-Messungen an einem Versuchsfahrzeug durchgeführt. Die Mes-sungen werden entsprechend hinsichtlich des zeitbasierten Leistungsverlaufseiner jeden Komponente analysiert, um das Verbraucherverhalten empirisch inder Simulation zu berücksichtigen. Es werden die folgenden Verbraucher alszeitbasiertes Leistungsverhalten in die Simulation überführt:

3 Coefficient of Performance: Verhältnis der erzeugten Kälteleistung zur eingesetzten el. Leistung

112


• Sitzheizung (PSitzHzg)• Sitzlüftung (PSitzLueft)• Lenkradheizung (PLenkHzg)• Scheibenheizung Heck (PScheibenHzgHeck)• Scheibenheizung Front (PScheibenHzgFront)

ImModell kann somit virtuell ein Niedervolt-Komfortverbraucher über ein Status-Bit aktiviert werden. Dessen Leistungsbedarf wird dann nach Abbildung 6.3 amDC/DC-Wandler zusätzlich abgefordert. Neben den aktivierbaren Verbrauchernwird auch eine Bordnetz-Grundlast in Abhängigkeit der Außentemperatur T ab-gebildet. Die Messungen sind der Abbildung C.1 des Anhangs C zu entnehmen.

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Abb. 6.3.: Modellierung des Nierdervolt-Bordnetzes

113


6.2. Ableitung eines Referenzfahrzeugs

Die Teilmodelle für Antriebssystem, Innenraum und Klimatisierung sowieNiedervolt-Bordnetz werden gemäß Abbildung 6.4 zu einem Gesamtfahrzeug-modell verknüpft.

Abb. 6.4.: Aufbau des Gesamtfahrzeugmodells

Die Hochvolt-Traktionsbatterie ist im Antriebssystem enthalten. Die Strömedes Klimatisierungssystems und des Niedervolt-Bordnetzes werden an das An-triebsstrangmodell übergeben, um als zusätzlicher Strombedarf an den Batterie-klemmen abgefordert werden zu können. Somit können ganzheitliche energe-tische Untersuchungen unter Vorgabe des Fahr-Zyklus, der Umgebungsbedin-gungen und der Einstellungen jeweiliger Verbraucher durchgeführt werden.

6.2.1. Dimensionierung und Ausführung des Antriebssystems

Im Folgenden soll die Ableitung eines Referenzfahrzeugs dargestellt werden.Dieses Referenzfahrzeug wird im weiteren Verlauf in Kapitel 7 zur Analyse derBetriebsstrategie Anwendung finden.In Kapitel 3 konnte mit Hilfe der entwickelten Methodik zur Topologiebewer-tung gezeigt werden, dass eine achsindividuelle Topologie mit je einer perma-

114

6.2. Ableitung eines Referenzfahrzeugs

nenterregten Synchronmaschine pro Achse und einer Kupplung an der Vorder-achse (Top IV) das verbrauchsgünstigste Antriebskonzept darstellt. Daher wer-den die folgenden Untersuchungen auf Basis dieser Topologie bewertet. DesWeiteren konnte in Abschnitt 3.1.3 dargelegt werden, dass sich aufgrund derfahrzeugsegmentabhängigen Anforderungen diese Topologie gerade bei perfor-manteren Sportwagen besonders eignet. Daher wird das Fahrzeugmodell ent-sprechend eines Sportwagens parametriert, um die folgenden Untersuchungenan dessen Beispiel durchzuführen. Tabelle 6.1 zeigt die Parametrierung dessportwagentypischen Antriebsstrangmodells.

Tab. 6.1.: Parametrierung des Fahrzeugmodells

Parameter Wert Einheit

Leergewicht 1677 [kg]

Rollwiderstandsbeiwert 0.011 [-]

Luftwiderstandsbeiwert 0.32 [-]

Querschnittsfläche 1.99 [m2]

Dyn. Reifenhalbmesser 0.3 [m]

El. Leistung Batterie 190 [kW]

El. Leistung pro Maschine 90 [kW]

Anzahl an el. Maschinen 2 [-]

Antriebsart 4WD (TopIV) [-]

6.2.2. Dimensionierung des Klimasystems

Wie bereits in Abschnitt 2.2.1 erörtert, ist das thermische Komfortempfindenstark abhängig von der aktuellen Innenraumtemperatur und den umgebendenStrahlungstemperaturen der umschließenden Bauteile. Nach DIN 1946 [2] wer-den Richtwerte sowohl für den Winter- als auch Sommerbetrieb zur Einstellungder Innenraumtemperatur dargestellt: Im Winterbetrieb, bei einer Außentempe-ratur von −20◦C, sollte nach 30 Minuten eine mittlere Innenraumtemperatur

115


von 15◦C erreicht werden. Im Sommerbetrieb sollte bei einem konditioniertenFahrzeug bei einer Sonnenintensität von 1000 Watt pro Quadratmeter und einerAußentemperatur von 40◦C nach 30 Minuten eine Temperatur im Kopfraumvon höchstens 25◦C herrschen.Zur Gewährleistung dieser Anforderungen müssen der elektrische Klimakom-pressor und die PTC-Heizung hinsichtlich ihres Leistungsvermögens entspre-chend dimensioniert werden. Die Dimensionierung hat somit direkten Einflussauf den thermischen Komfort, aber auch auf den resultierenden Energiever-brauch respektive die Reichweite. Tabelle 6.2 zeigt die Parametrierung des In-nenraummodells zur Erfüllung der in DIN 1946 [2] gestellten Anforderungen.

Tab. 6.2.: Parametrierung des Innenraummodells


Volumen Innenraum 1.5 [m3]

Masse Interieur 150 [kg]

El. Leistung Kompressor 5000 [W]

El. Leistung PTC-Heizung 8000 [W]

6.3. Modellvalidierung

Eine Validierung ist im allgemeinen Sinne nach DIN EN IS0 8402 [4] das „[...]Bestätigen aufgrund einer Untersuchung und durch Bereitstellung eines Nach-weises, dass die besonderen Forderungen für einen speziellen, beabsichtigtenGebrauch erfüllt worden sind.“ Die Modellvalidierung des Antriebsstrang- undInnenraummodells soll nach dargestellter Norm vollzogen werden. Es wird da-her im Folgenden ein Abgleich der Modelle respektive der relevanten Modell-größen mit entsprechenden Messdaten eines Versuchsfahrzeugs, welches sichan das virtuelle Referenzfahrzeug anlehnt, durchgeführt.

116


Aufgrund der sehr hohen Anzahl an zu vergleichenden Stützstellen (>10.000,siehe Abbildungen 6.5 und 6.6) kann zur Quantifizierung der Modellgüte dasBestimmtheitsmaß R2 als statistische Bewertungsgröße herangezogen werden.Der Wert des Bestimmtheitsmaßes nach Gleichung [6.11] entspricht dem Ver-hältnis von erklärter Varianz zu beobachteter Varianz. Der Wertebereich vonR2 liegt im Intervall [0 : 1]. Indikatorwerte mit R2 ≥ 0.9 zeugen von einer sehrhohen Korrelation der zu vergleichenden Datenreihen �X und�Y .

R2 = 1−

nd∑i=1

(Xi−Yi)2

nd∑i=1

(Yi−Y

)2 =nd∑i=1

(Xi−Y

)2nd∑i=1

(Yi−Y

)2 [6.11]

Mit:�X : Datenreihe aus Modell�Y : Datenreihe aus MessungY : Mittelwert aus�Ynd: Länge der Datenreihe

(∣∣∣�X∣∣∣bzw. ∣∣∣�Y ∣∣∣)

6.3.1. Modellvalidierung des Antriebsstrangmodells

Das Antriebsstrangmodell wird sowohl hinsichtlich des energetischen Verhal-tens, als auch der Abbildung der Längsdynamik untersucht. Der Abgleich mitMessdaten eines demModell entsprechenden Versuchsfahrzeugs erfolgt imNEFZ-Zyklus, da dieser messtechnisch auf dem Rollenprüfstand reproduzierbar ab-solviert werden kann. Abbildung 6.5(a) zeigt zur Beurteilung des energetischenVerhaltens die Batterieleistung. Die Längsbeschleunigung nach Abbildung 6.5(b)dient hingegen der Bewertung der Längsdynamik.Sowohl der simulierte Leistungs- als auch der Beschleunigungsverlauf sind na-hezu identisch zur Referenzmessung. Im Beschleunigungsverlauf sind bei denAnfahrvorgängen teilweise kurzzeitige Beschleunigungsspitzen zu erkennen,welche das Modell nicht aufweist, da das Fahrermodell in der Simulation im

117


0 200 400 600 800 1000 1200−50

0

50

Zeit [s]

Leis

tung

[kW

]SimulationMessung

(a) Abgleich der Batterieleistung

0 200 400 600 800 1000 1200−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

Zeit [s]

Bes

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ung

[m/s

2 ]

SimulationMessung

(b) Abgleich der Längsbeschleunigung

Abb. 6.5.: Validierung des Antriebssystems im NEFZ

Vergleich zur Referenzmessung immer ideal und exakt reproduzierbar der Soll-vorgabe nachkommt. In der Referenzmessung hingegen folgt ein realer Fahrerder Sollvorgabe mittels Fahrpedaleingabe, woraus sich die zu erkennenden Be-

118


schleunigungsspitzen ergeben können. Im Überland-Teil des NEFZ (ab Sekun-de 800) zeigt die Messung leichte Abweichungen mit schwingendem Charakter.Dies kann auf das regelnde Verhalten des realen Fahrers mit dem Fahrpedal zu-rück geführt werden, welches sich sowohl auf die Beschleunigung als auch dieLeistung auswirkt.

Beim Vergleich der Batterieleistung des Antriebsstrangmodells und der Mes-sung ergibt sich ein Bestimmtheitsmaß von R2= 0.99. BeimAbgleich der Längs-beschleunigung kann ein Bestimmtheitsmaß von R2= 0.93 erzielt werden. Auf-grund der sehr hohen Anzahl an vergleichbaren Stützstellen zwischen Simulati-on und Messung wird auf die Angabe des Signifikanzniveaus mittelsF-Test verzichtet.

6.3.2. Modellvalidierung des Innenraummodells

Da nach DIN 1946 gemäß Abschnitt 6.2 für den Kühl- und Heizbetrieb Komfort-empfehlungen gegeben sind, werden analog der Norm die Kopf- und Fusstem-peratur im Kühlbetrieb bei+40◦C, sowie im Heizbetrieb bei−20◦C betrachtet.Zusätzlich wird die passive Aufheizung der Fahrzeugkabine unter Sonnenein-strahlung mit 1000Wm2 bei deaktiviertem Klimasystem bewertet, welche zur Er-mittlung der Starttemperaturen im Sommerbetrieb relevant ist. Abbildung 6.5zeigt die ermittelten Verläufe der Modellgrößen und die Verläufe von einer ausdem Klima-Windkanal entstammenden Messreihe. Das als Referenz dienendeVersuchsfahrzeug entspricht hinsichtlich Parametrierung dem 2-Zonen-Innen-raummodell. Analog derModellvalidierung des Antriebsstrangmodells wird dasBestimmtheitsmaß als skalare Bemessungsgröße der Modellgüte betrachtet. DieBewertung ist in Tabelle 6.3 dargestellt. Auch für das 2-Zonen-Innenraummodellkann eine hohe Korrelation zu den Referenzmessungen mit R2 ≥ 0.9 konstatiertwerden. Aufgrund der sehr hohen Anzahl an vergleichbaren Stützstellen zwi-schen Simulation und Messung wird auch an dieser Stelle auf die Angabe desSignifikanzniveaus mittels F-Test verzichtet.

119


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 350020

30

40

50

60

70

Zeit [s]

Tem

pera

tur [

°C]

Tkopf SimulationTkopf MessungTfuss SimulationTfuss Messung

(a) Passive Aufheizung bei 40 ◦C

0 500 1000 1500 2000 2500 300020

30

40

50

60

70

Zeit [s]

Tem

pera

tur [

°C]


(b) Aktive Abkühlung bei 40 ◦C

0 500 1000 1500 2000 2500 3000−30

−20

−10

0

10

20

30

40

Zeit [s]

Tem

pera

tur [

°C]


(c) Aktive Aufheizung bei −20◦C

Abb. 6.6.: Validierung des Innenraummodells

Tab. 6.3.: Bestimmtheitsmaß zur Bewertung der Modellgüte des Innenraummodells

Fall Größe R2

Passive Aufheizung Tkopf 0.99

Tfuss 0.98

Aktive Abkühlung Tkopf 0.96

Tfuss 0.98

Aktive Aufheizung Tkopf 0.92

Tfuss 0.94

6.4. Virtuelle Software-in-the-Loop-Testumgebung

Durch Kopplung des validierten Fahrzeugmodells mit den Schnittstellen zurFunktionsarchitektur ist es möglich, definierte Zyklen unter Vorgabe der Um-gebungsbedingungen virtuell zu absolvieren und die Funktionsarchitektur in-

120

6.5. Fahrzyklen

the-loop4 zu erproben. Abbildung 6.7 zeigt die Verknüpfung von Gesamtfahr-zeugmodell und Funktionsarchitektur.

Abb. 6.7.: Aufbau der Simulationsumgebung als geschlossener Regelkreis

Hierbei werden betriebsstrategierelevante Soll-Größen von der Funktionsarchi-tektur dem Gesamtfahrzeugmodell vorgegeben. Das Gesamtfahrzeug übermit-telt hierzu aktuelle Ist-Größen des Fahr- und Fahrzeugzustandes.

6.5. Fahrzyklen

Fahrzyklen dienen zur reproduzierbaren Quantifizierung des Kraftstoff- undEnergiebedarfs bei Kraftfahrzeugen. In Abhängigkeit der jeweiligen Zertifi-zierungsbehörde und des länderspezifischen Typisierungsverfahrens haben sichunterschiedliche Zyklen etabliert. Diese sind durch ein zeitabhängiges Soll-Geschwindigkeitsprofil definiert.Nach [71] können die Zyklen durch eine Vielzahl an Kriterien charakterisiertund anhand dieser Unterscheidungsmerkmale in die vier Kategorien Stadt-,Land-, Autobahn- und Mischzyklus unterteilt werden. Hierzu gibt Neudorfer

4 Geschlossener Regelkreis zwischen Fahrer-Fahrzeugmodell und Funktionsarchitektur

121

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Abb. 6.8.: Qualitative Darstellung der typisch auftretenden Betriebspunkte in Abhängigkeit derKategorie des Fahrzyklus, in Anlehnung an [71]


nach [71] eine qualitative und idealisierte (an der Geschwindigkeitsachse ge-spiegelte) Einteilung gemäß Abbildung 6.8 an. Tatsächlich könnte sich zuguns-ten negativer Drehmomente eine leichte Assymetrie ergeben, da das Bremsenoftmals mit höheren Verzögerungsbeträgen stattfindet im Vergleich zum Be-schleunigen.

Im Rahmen dieser Arbeit werden für weitere Untersuchungen insgesamt achtZyklen heran gezogen. Da kein konkretes Mobilitätsverhalten für das elektri-sche Referenzfahrzeug nach Abschnitt 6.2 zugrunde gelegt werden kann, wirdmit der Auswahl der acht Zyklen versucht, ein möglichst breites Einsatzspek-trum abzubilden. Tabelle 6.4 zeigt die ausgewählten Zyklen und deren Charak-terisierung mittels ausgesuchter Kriterien nach [71].

122

6.5. Fahrzyklen

Tab. 6.4.: Charakterisierung der zu betrachtenden Fahrzyklen anhand ausgewählter Kiterien

Zyklus Typ V [ kmh ] a+x[ms2 ] a−x[ms2 ] Vmax[ kmh ] axmax [ms2 ] axmin [ms2 ]

NEFZ Gemischt 33 0.5 -0.8 120 1.2 -1.4

FTP75 Gemischt 34 0.5 -0.6 91 1.6 -1.5

Artemis Urban Stadt 18 0.7 -0.8 57 2.8 -3.1

Verteilerrunde Stadt 27 0.3 -0.6 95 4.2 -4.1

Weissachrunde Überland 62 0.5 -0.5 130 1.8 -2.6

Stuttgartrunde Gemischt 64 0.5 -0.5 131 4.5 -4.7

Dauerlaufrunde Gemischt 71 0.5 -0.5 187 3.8 -4.2

BAB Autobahn 104 1.7 -2.1 145 2.8 -3.7

nigung a+x sowie Verzögerung a−x als auch deren Maximalwerte Vmax, axmax,axmin. Für den Energiebedarf eines Elektrofahrzeugs ist die Lage der Häufig-keitsverteilungen der Lastpunkte (Drehmoment-Drehzahl-Kombination) im fahr-zeugspezifischen Wirkungsgradkennfeld des elektrischen Antriebssystems re-levant [71]. Bei den Zyklen des NEFZ, FTP75 und Artemis Urban handelt essich um bekannte und genormte Zyklen. Bei der Verteilerrunde,Weissachrunde,Stuttgartrunde und Dauerlaufrunde handelt es sich um aus Messdaten von Real-fahrten erzeugte Profile. Der BAB-Zyklus beschreibt eine synthetisch generierteAutobahnfahrt. Die entsprechenden Geschwindigkeitsprofile aller acht Zyklensind der Abbildung C.2 des Anhangs C zu entnehmen.

123

Dargestellt sind die Mittelwerte sowohl für die Geschwindigkeit V , Beschleu-

7. Simulationsgestützte Betriebsstrategieoptimierung

Bei der Entwicklung technischer Systeme müssen im Rahmen des Produkt-entwicklungsprozesses meist mehrere Qualitätsmerkmale gleichzeitig optimiertwerden. Die einzelnen Zielgrößen zur Beschreibung dieser Qualitätsmerkmaleweisen hierbei oftmals gegenläufige Optimierungsziele und -tendenzen auf, wo-durch die Optimierung zur Darstellung eines Kompromisses bei der Wahl derSystemparameter wird.Zur mathematischen Beschreibung kann eine ein- oder multidimensionale Ziel-funktion formuliert werden. Diese reduziert hierbei das Systemverhalten unddessen systemische Korrelationen in Bezug auf die kontrollierbaren Eingangs-variablen und die Ausgangsgrößen als die zu beschreibenden Qualitätsmerk-male des technischen Systems. Bei der Behandlung solcher Problemstellungenkann das Systemverhalten als unbekannt (black box), teilweise bekannt (greybox) oder bereits bekannt und vollkommen einsichtig (white box)beschrieben werden.

7.1. Methode zur Betriebsstrategieoptimierung

In den Kapiteln 4 und 5 wurde eine Funktionsarchitektur vorgestellt, welchemittels eines zentralen Energiemanagements in Bezug auf den Energiefluss durchgeeignete Betriebsstrategie-Maßnahmen Priorisierungen einzelner Verbrauchervornehmen kann, um eine bedarfsgerechte Steigerung der Reichweite herbei zuführen. Dies kann im Speziellen bedeuten, dass Verbraucher wie das Antriebs-oder auch das Klimatisierungssystem in ihren Leistungen reduziert werden. Ei-ne Degradierung dieser Systemleistungen hat direkten Einfluss auf den Energie-verbrauch respektive die Reichweite, jedoch auch gleichzeitig auf die Dynamik-

125


und Komfortverhältnisse des Fahrzeugs. Hierbei müssen die Erwartungen desFahrers im Rahmen angemessen zu definierender Dynamik- und Komfortgren-zen erfüllt werden, um die Kundenzufriedenheit zu gewährleisten.Im Folgenden soll ein mathematisches Optimierungsverfahren vorgestellt wer-den, mit dessen Hilfe entsprechende Applikationsgrößen der Funktionsarchi-tektur virtuell ermittelt werden können.

Das energetische Verhalten eines Elektrofahrzeugs kann mittels der in Kapitel 6vorgestellten virtuellen Gesamtfahrzeugumgebung unter Berücksichtigung allerrelevanter Verbraucher für das in Abschnitt 6.2 definierte Referenzfahrzeug hin-reichend abgebildet werden. Ferner kann mittels des Längsdynamikmodells dasDynamikverhalten und durch Verwendung des 2-Zonen-Innenraummodells derthermische Komfort in der Fahrzeugkabine simulativ untersucht werden. Auf-grund der hohen Anzahl an systembeeinflussender Eingangsparameter und ent-sprechender Simulationslaufzeiten, werden systemische Korrelationen im Ge-samtfahrzeugkontext mit Hilfe von Regressionsanalysen und durch Anwendungeiner statistischen Versuchsplanung (DoE1) abgeleitet. Anschließend werdendie so reduzierten Metamodelle einem mathematischen Optimierungsprozesszugeführt, um eine geeignete Wahl der Eingangsparameter zu finden, für diesich wiederum optimale Werte der Zielgrößen ergeben. Ziel hierbei ist, die Qua-litätsmerkmale Reichweite, Dynamik sowie thermischer Komfort durch geeig-nete Betriebsstrategie-Maßnahmen im bestehenden Spannungsfeld optimierenzu können. Zu diesem Zweck soll die folgende Methode Anwendung finden:

1. Objektivierung der Problemstellung durch Formulierung der Qualitäts-merkmale mittels geeigneter Zielgrößen

2. Auswahl relevanter Eingangsparameter (Faktoren)3. Versuchsplanung und -durchführung mittels Gesamtfahrzeugumgebung(DoE)

1 Design of Experiments

126

7.2. Anwendung der Methode

4. Beschreibung des Systemverhaltens durch die abgeleiteten Zielgrößenmittels Regressionsfunktionen (Modellbildung)

5. Normierung der Zielgrößen im Intervall [0 : 1]6. Bilden einer Zielfunktion unter Verwendung der normierten Zielgrößenzur Formulierung des Optimierungsproblems (Modellanalyse)

7. Suche des Optimums (mathematische Reduzierung des Zielkonflikts imKontext eines bestmöglichen Kompromisses)


Die drei Qualitätsmerkmale Reichweite, Dynamik sowie thermischer Komfortwerden als zu beschreibende Zielgrößen festgelegt. Sie können durch die darge-stellte Funktionsarchitektur mittels Betriebsstrategie-Maßnahmen mit Hilfe desModuls Energiekoordinator entsprechend beeinflusst werden. Die Untersuchungdieser Zielgrößen erfolgt virtuell in den in Abschnitt 6.5 definierten Fahrzyklen.Diese werden virtuell als reines Längsdynamik-Manöver absolviert. Die Beur-teilung der Querdynamik und Beeinflussungen der Betriebsstrategie hinsicht-lich fahrdynamischer Aspekte wird bei den folgenden Untersuchungen nichtbetrachtet. Der Fokus liegt ausschließlich auf energetischen Betrachtungen undden Auswirkungen der Betriebsstrategie-Maßnahmen auf das Längsdynamik-verhalten des Fahrzeugs und den thermischen Komfort in der Fahrzeugkabine.

7.2.1. Objektivierung der Qualitätsmerkmale

Die Objektivierung der oben genannten Qualitätsmerkmale wird durch die imFolgenden definierten Zielgrößen vollzogen.

127


Zielgröße ReichweiteDie Reichweite eines Elektrofahrzeugs wird proportional über dessen Energie-verbrauch beeinflusst. Daher kann zur Bewertung gleichbedeutend der Energie-verbrauch verwendet werden. Dieser setzt sich im Wesentlichen aus den An-teilen Energieverbrauch des Antriebssystems bant sowie Energieverbrauch desKlimatisierungssystems bac zum Kühlen und Heizen zusammen. Bordnetzver-braucher werden für diese Betrachtung vernachlässigt. Zur Bewertung wird derüber den Zyklus gemittelte Gesamtenergieverbrauch bzyk nach Gleichung [7.1]verwendet, welcher nun unabhängig von der Batteriekapazität ist. Da der Ener-gieverbrauch eine auf die zurückgelegte Wegstrecke s bezogene Größe ist, isteine Vergleichbarkeit unterschiedlicher Zyklen sichergestellt.

bzyk = bant+bac =

t∫0Pant dt

s+

t∫0Pac dt

s[7.1]

Zielgröße DynamikDas Attribut Dynamik kann nach [74] durch die vier Größen Fahrzeuggeschwin-digkeit Vf zg, Längs- und Querbeschleunigung ax,ay sowie Motordrehzahl nvkmausgedrückt werden. Da im Folgenden rein längsdynamische Manöver betrach-tet werden, scheidet die Querbeschleunigung als Bewertungsgröße aus. Da desWeiteren ein Fahrzeug ohne schaltbares Getriebe betrachtet wird, kann auch dieMotordrehzahl aufgrund der Proportionalität zur Geschwindigkeit vernachläs-sigt werden.Die menschliche Sinnesmodalität kann nach [67] die Geschwindigkeit ledig-lich mit Hilfe visueller und akustischer Reize erfahrungsbasiert abschätzen. DieLängsbeschleunigung hingegen kann kinästhetisch über das Vestibularorgan imOhr und haptisch über die Körpereigenbewegung an Sitz und Gurt sensiert wer-den. Aus diesem Grund dient zur Beurteilung von Agilität und Anfahrvorgän-gen rein die Längsbeschleunigung als wesentliche Beurteilungsgröße [86], [8].Daher soll auch im Folgenden ausschließlich die Fahrzeug-Längsbeschleuni-

128


gung zur Bewertung des Qualitätsmerkmals Dynamik dienen. Da im Rahmendieser Untersuchungen insbesondere der Einfluss der Betriebsstrategieeingriffein Form einer Degradierung des Antriebssystems (Leistung und/oder Drehmo-ment) auf den Energieverbrauch und das damit verbundene Dynamikverhaltendes Fahrzeugs von Interesse ist, wird eine für alle Stützstellen im Zyklus ku-mulierte und gemittelte Abweichung der Fahrzeug-Längsbeschleunigung Δaxzwischen Soll-Beschleunigung in Form der im Zyklus auftretenden Beschleu-nigung bei voll verfügbarer Systemleistung ax solli und der Ist-Beschleunigungbei degradiertem Antriebssystem ax isti formuliert.Abbildung 7.1 stellt exemplarisch die Verläufe von Geschwindigkeit (Abbil-dung 7.1(a)) und Längsbeschleunigung (Abbildung 7.1(b)) vergleichend dar. Esist erkennbar, dass eine Degradierung des Antriebssystems starken Einfluss aufdie Längsbeschleunigung sowie die Geschwindigkeit besitzt. Der Unterschiedbesteht darin, dass die Soll-Längsbeschleunigung bei Degradierung in ihremAbsolutwert nicht erreicht wird, wohingegen die Soll-Geschwindigkeit nach ei-nem gewissen Verzug eingehalten werden kann. Auch aus diesem Grund er-scheint die Längsbeschleunigung als alleiniger Indikator zur Beschreibung desQualitätsmerkmals Dynamik als ausreichend.Die Beschleunigung ax solli bei nicht degradiertem System dient somit in jedemPunkt des Zyklus als Referenz. Eine Betragsbildung soll die Mittelung zu Nullbei unterschiedlichen Vorzeichen verhindern. Die Zielgröße kann somit ledig-lich positiveWerte annehmen. UmUntersuchungen in unterschiedlichen Zyklenmiteinander vergleichbar zu halten, wird mittels der Anzahl der im Zyklus auf-tretenden Stützstellen bzw. der in der Simulation verwendeten Rechenschrittenst normiert. Somit stellt sich die gemittelte Zielgröße Δax zur Bewertung derDynamik gemäß Gleichung [7.2] dar.

Δax =

nst∑i=1

|ax solli−ax isti|

nst[7.2]

129


0 2000 4000 6000 8000 100000

50

100

150

200

Weg [m]

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

ohne Degradierungmit Degradierung

(a) Fahrzeuggeschwindigkeit

0 2000 4000 6000 8000 10000−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Weg [m]

Bes

chle

unig

ung

[m/s

2 ]

ohne Degradierungmit Degradierung

(b) Längsbeschleunigung

Abb. 7.1.: Auswirkung der Degradierung des Antriebssystems in einemexemplarischen Fahrmanöver

130


Zur Bewertung der Degradierung des Antriebssystems, wie oben dargestellt,muss die Zyklenvorgabe wegbasiert erfolgen, lediglich in Standphasen wird aufeine zeitbasierte Zyklusvorgabe gewechselt. Diese Funktionalität ist in der vir-tuellen Gesamtfahrzeugumgebung gemäß Kapitel 6 vorgehalten.

Zielgröße KomfortDer thermische Komfort in der Fahrzeugkabine kann nach Abschnitt 2.2.1 überden PMV -Index als objektive Größe auf einer Skala zwischen -3 und +3 be-wertet werden. Zur Evaluierung wird daher ein gemittelter PMV -Index über dergesamten Fahrt gemäß Gleichung [7.3] gebildet. Eine Referenz analog der Ziel-größe zur Bewertung der Dynamik ist aufgrund der vorhandenen Skala nicht nö-tig. Des Weiteren weist der PMV -Index über den Zyklus gesehen keine schnel-len Änderungen im Vergleich zur Längsbeschleunigung auf. Die Betragsbil-dung soll eine Mittelung zu Null bei unterschiedlichem Vorzeichen verhindern,da hierdurch eventuell falsche Einschätzungen des Komforts entstehen könnten.Die Zielgröße kann somit nur positive Werte im Wertebereich [0 : 3] annehmen.Die Mittelung zur Vergleichbarkeit erfolgt über der Anzahl der im Zyklus be-trachteten Stützstellen bzw. Rechenschritte nst .

PMV =

nst∑i=1

|PMVi|

nst[7.3]

7.2.2. Einflussparameter

Die jeweiligen Zielgrößen besitzen eine Vielzahl an relevanten Eingangsgrößenbzw. Faktoren. Tabelle 7.1 stellt diese zusammenfassend dar. Die Ermittlungvon annehmbaren Leistungsgrenzen zur Entschärfung des Zielkonflikts zwi-schen Reichweite, Dynamik sowie Komfort steht bei den folgenden Untersu-chungen im Fokus.

131


Tab. 7.1.: Zu untersuchende Faktoren zur Beschreibung der Zielgrößen

Zielgröße Rubrik Faktor min max Einheit

bant , ΔaxZyklus

NEFZ

FTP75

Artemis Urban

Verteilerrunde

Weissachrunde

BAB

Stuttgartrunde

Dauerlaufrunde

BetriebsstrategieM max 15 100 [%]

P max 20 100 [%]

bac, PMV

Betriebsstrategie P ac max 0 100 [%]

Umgebungsbedingungen

Außentemperatur -20 +40 [ ◦C]

Sonnenintensität 0 1000 [ Wm2 ]

Luftfeuchte 0 100 [%]

Abstraktion ZyklusFahrtzeit 5 120 [min]

V mittel 15 130 [kmh

]

Fahrzeugverwendung Standzeit 0 12 [h]

Zur Abbildung der Metamodelle des Antriebssystems bant und Δaxwerden hier-zu die in Abschnitt 6.5 aufgeführten Fahrzyklen Anwendung finden, welchesich in ihrer Dynamikausprägung und Kategorie (Stadt, Land, Autobahn, ge-mischt) wesentlich unterscheiden. Wie bereits in Abschnitt 6.5 dargestellt, wirddurch diese Auswahl an unterschiedlichen Zyklen versucht, ein breites Nutzer-verhalten abzudecken. Durch die Funktionsarchitektur besteht die Möglichkeit,mittels Betriebsstrategie-Maßnahmen das Antriebssystem über eineMomenten-und/oder Leistungsreduzierung durch entsprechende Variation der Maximal-grenzen Mmax sowie Pmax zu beeinflussen. Das Antriebssystem wird in diesenacht Zyklen untersucht.Neben dieser Möglichkeit soll zudem die Auswirkung einer Leistungsreduzie-rung des Klimatisierungssystems durch Variation der Leistungsgrenze Pac max

132


in Bezug auf die Zielgrößen bac und PMV untersucht werden. Der Energie-verbrauch des Klimatisierungssystems, aber auch der thermische Komfort sindneben der maximalen Systemleistung stark von den Umgebungsbedingungenabhängig. Daher werden die drei Faktoren Außentemperatur, Sonnenintensitätund Luftfeuchte variiert. Darüber hinaus wird der Einfluss der Standzeit un-tersucht. Es wird betrachtet, wie lange das Fahrzeug den Umgebungsbedin-gungen vor Fahrtbeginn ausgesetzt war oder ob es beispielsweise in der Ga-rage stand und somit als vorkonditioniert (Standzeit = 0) angenommen werdenkann. Die Durchschnittsgeschwindigkeit V mittel und die Fahrzeit werden eben-falls als Faktoren für bac und PMV variiert. Die maximale Fahrzeit wird hier-bei auf 120 Minuten festgesetzt. Für die Abbildung der Metamodelle bac undPMV wird somit der Fahrzyklus durch die Faktoren Durchschnittsgeschwin-digkeit sowie Fahrzeit abstrahiert. Hierdurch können granulare Faktorstufen inBezug auf die Faktoren gebildet werden. Für anschließende gesamthafte Un-tersuchungen des Antriebs- und Klimatisierungssystems in entsprechenden Zy-klen, wie in Abschnitt 7.3 durchgeführt, besteht eine Verknüpfung zu den defi-nierten Zyklen über die Vorgabe der Durchschnittsgeschwindigkeit und Fahrt-zeit des Zyklus. Eine nachgelagerte Optimierung und Validierung erfolgt in denacht dargelegten Zyklen. Da die untersuchten Zyklen eine definierte Fahrtzeitbzw. Fahrtlänge aufweisen, können diese ggf. mehrfach hintereinander durch-fahren werden, bis die gewünschte Fahrtzeit (bis zu 120 Minuten) erreicht ist.Es erfolgt jedoch im Kontext der nachgelagerten Optimierung und Validie-rung in Abschnitt 7.3 keine Variation der Geschwindigkeitsprofile aufgrund derdefinierten Zyklusvorgaben.Die Signifikanz der oben aufgeführten Faktoren zur Beschreibung der Zielgrö-ßen wurde im Vorfeld durch screening-Versuche2 verifiziert.

2 Vorversuche zur Identifikation von signifikanten Faktoren und Wechselwirkungen

133


7.2.3. Statistische Versuchsplanung

Da die Parametervariation zur Ableitung von Metamodellen aufgrund der An-zahl der zu variierenden Faktoren und Faktorstufen zu umfangreichen Simula-tionsumfängen führt, wird die Versuchsplanung und -durchführung durch An-wendung der Methode der statistischen Versuchsplanung mit der kommerzi-ellen Software Jmp c© der Firma SAS unterstützt. Vorteile der statistischen Ver-suchsplanung sind methodisches Vorgehen, Reduzierung der Versuchsumfänge,Identifikation von relevanten Systemparametern und Wechselwirkungen sowiestatistische Absicherung der Ergebnisse.Die Modellbildung der beiden Zielgrößen bant , Δax zur Bewertung des An-triebssystems sowie bac, PMV zur Bewertung des Klimatisierungssystems kannjeweils durch einen gemeinsamen Versuchsplan durchgeführt werden, da dieFaktoren gemäß Tabelle 7.1 hierfür identisch sind.

Tab. 7.2.: Übersicht der eingesetzten Versuchspläne

Zielgröße Typ Grad der Grad der Anzahl

Faktoren Wechselwirkungen Versuche

bant ,Δax raumfüllend 4 2 96

bac, PMV raumfüllend 4 2 1128

Die Versuchspläne werden als raumfüllendes Design (space-filling) ausgeführt.Hierbei wird der Faktorraum gleichmäßig durch eine enge und gleichmäßigeVerteilung der Faktorstufen abgedeckt. Die Ecken des Faktorraums werden zu-sätzlich berücksichtigt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige und zuverlässigeModellgüte über den gesamten Faktorraum und an dessen Rändern. Die An-zahl an benötigter Einzelversuche wird neben der Art des Versuchsplans auchdurch den abzubildenden Grad jedes Faktors und dessen Wechselwirkungen inBezug auf das zu beschreibende mathematische Modell vorgegeben. Die Fakto-ren nach Tabelle 7.1 werden hierbei über den gesamten Faktorraum variiert und

134


miteinander kombiniert. Für diese Anwendungen stellen raumfüllende Versuch-spläne die beste Wahl dar [85], da der Versuchsraum voll umfänglich abgedecktwird, jedoch trotzdem der Umfang an benötigter Einzelversuche im Vergleichzu einem vollfaktoriellen Versuchsplan reduziert ist. Da die Versuchspläne reinvirtuell abgearbeitet werden, stellt die verhältnismäßig hohe Anzahl benötig-ter Einzelversuche kein Hindernis dar. Aus diesem Grund bleibt diese Art vonVersuchsplänen üblicherweise den CAE3-Studien vorbehalten. Zur Ausführungder Versuchspläne nach Tabelle 7.2 wurde eine automatisierte Versuchssteue-rung implementiert.

7.2.4. Regressionsanalysen zur mathematischenBeschreibung der Zielgrößen

Die Regressionsanalyse wird nach erfolgter Versuchsdurchführung individuellfür jede Zielgröße durchgeführt, um eine bestmögliche Modellgüte zu erlangen.Hierbei findet zunächst eine lineare Regressionsanalyse mittels der Methode derkleinsten Fehlerquadrate Anwendung. Die Beschreibung erfolgt hierbei als Po-lynom. Aufgabe der Regressionsanalyse ist die Ermittlung der Regressionsko-effizienten, sodass das resultierende Metamodell der Zielgröße y eine möglichsthohe Güte erhält.Zur statistischen Untersuchung werden die einzelnen Faktoren mittels der Irr-tumswahrscheinlichkeit in Form des p-Werts auf Signifikanz geprüft. Der p-Wert kann als statistischer Gradmesser der Signifikanz eines Faktors verstandenwerden. Dabei bedeutet: p<0.05: signifikant; p<0.01: sehr signifikant; p<0.001:höchst signifikant. Zur Bestimmung des p-Werts wird der empirische t-Wert be-nötigt, weshalb dieser der Vollständigkeit halber mit angegeben ist. Die Modell-güte des Metamodells kann durch das Bestimmtheitsmaß R2 nach Gleichung[6.11] ausgedrückt werden.

3 Computer Aided Engineering

135


Regressionsfunktion für bantTabelle 7.3 stellt die Ergebnisse der linearen Regressionsanalyse des Metamo-dells für bant dar.

Tab. 7.3.: Statistische Auswertung der linearen Regressionsanalyse für bant

Faktor t-Wert p-Wert

Pmax 17.3 0.0001

Zyklus 339.5 0.0001

Zyklus · Pmax 6.7 0.0001

Zyklus · Mmax 3.0 0.0075

Mmax 7.0 0.01

Pmax ·Mmax 3.1 0.085

Modell Wert

R2 0.97

Die Signifikanzprüfung wird nach oben dargestellter Definition über den p-Wertgeführt. Die Beschreibung der Regressionsfunktion kann nach Tabelle 7.3 ohneeine quadratische oder höhere Ordnung der Faktoren mit hinreichender Modell-güte mit R2 = 0.97 erreicht werden. Die Leistungsgrenze Pmax, der jeweiligeFahrzyklus und die Wechselwirkung aus diesen beiden Faktoren weisen gemäßdes p-Werts höchste Signifikanz auf. Der Faktor Zyklus steht hierbei übergrei-fend für alle acht untersuchte Zyklen. Da es sich bei diesem Faktor um eine ka-tegoriale und nicht stetige Größe handelt, wird für jeden Fahrzyklus ein separa-ter Regressionskoeffizient zur Beschreibung der Regressionsfunktion benötigt.Dieser besitzt dann auch jeweils einen separaten Signifikanzwert, welcher sichvom übergreifenden p-Wert nach Tabelle 7.3 für Zyklus unterscheiden kann.Dieser besagt lediglich, dass die Größe Zyklus, unabhängig welcher der achtUntersuchten, höchst signifikant ist. Die unterschiedlichen Signifikanzniveausergeben sich bei Betrachtung innerhalb eines jeweiligen Zyklus für die Fakto-

136


ren Pmax und Mmax und die entsprechenden Wechselwirkungen. In Abhängig-keit des Fahrzyklus und der darin auftretenden Lastpunkte führt die untersuchteDegradierung zu unterschiedlichen Auswirkungen.Dies wird durch einzelne p-Werte jeweils für NEFZ, FTP75, Artemis Urban,Verteilerrunde,Weissachrunde, BAB, Stuttgartrunde und Dauerlaufrunde sowiedie jeweiligen Wechselwirkungen mit Pmax und Mmax ausgedrückt. Diese kön-nen der Tabelle D.1 des Anhangs D entnommen werden.

Regressionsfunktion für ΔaxAnalog kann auch die Zielgröße Δax zur Beschreibung der Dynamik mittelseiner linearen Regression abgebildet werden. Tabelle 7.4 stellt die Ergebnissezur Beschreibung des Metamodells für Δax dar.

Tab. 7.4.: Statistische Auswertung der linearen Regressionsanalyse für Δax

Faktor t-Wert p-Wert

Mmax · Mmax 74.1 0.0001

Mmax · Mmax · Mmax 149.7 0.0001

Zyklus 14.3 0.0001

Zyklus · Pmax 6.1 0.0001

Zyklus · Mmax 5.3 0.0001

Pmax 14.1 0.0003

Pmax · Mmax 3.6 0.06

Modell Wert

R2 0.96

Es kann für die Regressionsfunkion für Δax eine Modellgüte mit R2 = 0.96erzielt werden. Im Vergleich zu bant weist diese für Δax eine höchst signifikan-te quadratische und kubische Abhängigkeit des zulässigen Maximalmoments

137


Mmax auf. Zudem sind auch der Fahrzyklus und dessen Wechselwirkungen inBezug auf Δax gemäß des p-Werts nach Tabelle 7.4 höchst signifikant. Analogdes vorherigen Abschnitts steht der Faktor Zyklus übergreifend für alle acht un-tersuchte Zyklen. Daher ergeben sich auch hier innerhalb eines jeweiligen Zy-klus unterschiedliche Signifikanzniveaus für Mmax und Pmax als Wechselwir-kung mit dem jeweiligen Fahrzyklus. Auch der jeweilige Zyklus besitzt nachTabelle D in Bezug auf die zu beschreibende Zielgröße ein unterschiedlichesSignifikanzniveau. Dies ist so zu interpretieren, dass in dynamischeren Zyklenentsprechend bei Degradierung durch die größeren Lastanforderungen bedingtdurch die Zyklusvorgabe eine größere Dynamikeinbuße auftreten kann. Daherbesitzen die dynamischeren Zyklen wie BAB, Dauerlaufrunde, Stuttgartrunde

niedrigere p-Werte im Vergleich zu beispielsweise Artemis Urban oder Verteile-

runde. Die Signifikanzniveaus können der Tabelle D.2 des Anhangs D entnom-men werden.

Diskussion der Betriebsstrategie-Maßnahmen hinsichtlichdes AntriebssystemsUm das Qualitätsmerkmal Reichweite im Kontext der Zielgröße bant zu beein-flussen, können seitens der Betriebsstrategie sowohl das AntriebsmomentMmax,als auch die -leistung Pmax reduziert werden. Dies kann wiederum zu einer Be-einflussung des Qualitätsmerkmals Dynamik Δax führen. Die Auswirkungensind hierbei stark vom untersuchten Zyklus abhängig. Dies wird durch die starkvariierenden Signifikanzwerte für die Faktoren Zyklus, Zyklus · Pmax sowie Zy-

klus · Mmax gemäß der Tabellen D.1 und D.2 belegt. Eine nähere Analyse sollim Folgenden zunächst exemplarisch anhand der Stuttgartrunde, aufgrund desAbdeckens eines breiten Lastbereichs, diskutiert werden. Abbildung 7.2 zeigthierzu die mittels Regressionsanalyse abgeleiteten Metamodelle bant und Δaxunter Variation der Momenten- und Leistungsreduzierung. Die Abbildung der

138

Metamodelle erfolgt hierbei mit Hilfe der Regressionsfunktionen nach Tabelle7.3 und Tabelle 7.4.


0 20 4060 80 100

2040

6080

10096

97

98

99

100

Mmax [%]Pmax [%]

ban

t[%

]

(a) Einfluss auf Reichweite

0 20 40 60 80 100

0

50

1000

50

100

Mmax [%]Pmax [%]

[%]

Δax

(b) Einfluss auf Dynamik

Abb. 7.2.: Einfluss der Betriebsstrategie-Maßnahmen hinsichtlich des Antriebssystemsin der Stuttgartrunde

Bei Pmax = 100% und Mmax = 100% ist das Antriebssystem undegradiert, die-ser Punkt bildet die Referenz ab. Somit beträgt hier der Verbrauch bant = 100%.Die Dynamikeinbuße Δax hingegen ist 0. Je stärker dann degradiert wird, umsogrößer wird die Dynamikeinbuße, wobei jeweils der Wert bei Pmax = 20% undMmax = 15% als Untergrenze der untersuchten Degradierung für Δax zu 100%gesetzt wird. Die hier auftretende relative Dynamikeinbuße fällt am größten aus.Wie bereits durch die Regressionsanalyse nach Tabelle 7.3 gezeigt wurde, kannder Einfluss von Mmax und Pmax nach Abbildung 7.2(a) linear in Bezug aufden Energieverbrauch angenommen werden. In der Stuttgartrunde, aber auch inden übrigen dynamischeren Zyklen, kann ein Verbrauchsvorteil bei Momenten-und Leistungsreduzierung konstatiert werden. Für die Stuttgartrunde beträgtdas maximale Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf bis zu 3%. Dieauftretenden Lastpunkte sind teilweise in hohen wirkungsgradungünstigen Teil-und Volllastbereichen zu finden, wie Abbildung 7.3(a) für dieStuttgartrunde belegt.Diese Lastpunkte werden durch eine Degradierung in niedrigere und somit wir-kungsgradgünstigere Bereiche verschoben. Insbesondere für den BAB-Zyklusund die Dauerlaufrunde wirkt sich eine Reduzierung der Leistung Pmax auf den

139

Energieverbrauch aus, da sich der Großteil der Lastpunkte bei hohen Drehzah-len bzw. Geschwindigkeiten befindet. Dies belegen die Signifikanzwerte nach


(a) Stuttgartrunde (b) NEFZ

Abb. 7.3.: Häufigkeitsverteilung der Lastpunkte in Bezug auf den Energieverbrauch

Der NEFZ weist aufgrund seiner geringen Lastanforderung abweichende Ge-gebenheiten auf, welche nun gesondert diskutiert werden sollen. Auffällig istnach Abbildung 7.4, dass eine gleichzeitige und zu starke Reduzierung des An-triebsmoments und der -leistung nach Abbildung 7.4(a) entgegen aller ande-

140

Tabelle D.1 für die beiden genannten Zyklen. Eine Darstellung der Lastpunktein den übrigen untersuchten Zyklen findet sich im Anhang in Abbildung E.Bezüglich der Dynamik Δax überwiegt der überproportionale Einfluss des ma-ximal zulässigen Moments Mmax, wie bereits durch Tabelle 7.4 dargelegt wer-den konnte. In der Stuttgartrunde nach Abbildung 7.2(b), aber auch bei denübrigen dynamischeren Zyklen, kann eine Dynamikeinbuße über das gesam-te Drehmomenten- und Leistungsspektrum festgestellt werden. Daher fallengerade für den BAB-Zyklus und die Dauerlaufrunde die Signifikanzwerte derWechselwirkungen Zyklus·Pmax sowie Zyklus·Mmax gering aus. Nach Abbil-dung 7.2(b) kann ab einem Drehmoment von rund 40% ein überproportionalerAnstieg der Dynamikeinbuße festgestellt werden. Die Stuttgartrunde weist vorallem bezüglich der Wechselwirkung Zyklus · Mmax eine hohe Signifikanz auf,da im Zyklus Anfahrvorgänge mit einer hohenMomentenanforderung auftreten,wie Abbildung 7.3(a) zeigt.


020

4060

80100

2040

6080

10098

100

102

104

106

Mmax [%]Pmax [%]

ban

t[%

]


0 20 40 60 80 100

0

50

1000

50

100

Mmax [%]Pmax [%]

[%]

Δax

(b) Einfluss auf Dynamik

Abb. 7.4.: Einfluss der Betriebsstrategie-Maßnahmen hinsichtlich des Antriebssystemsim NEFZ-Zyklus

Eine Dynamikeinbuße ist im NEFZ nach Abbildung 7.4(b) erst ab einem zuläs-sigen Maximalmoment von rund 30% festzustellen, da in diesem Zyklus keinehöheren Momentenanforderungen auftreten. Eine Leistungsreduzierung durchPmax wirkt sich nur marginal aus, da eine Leistungsreduzierung aufgrund derE-Maschinen Charakteristik erst ab der Nenndrehzahl Auswirkungen besitzt.Der Großteil der Lastpunkte befindet sich jedoch zyklusbedingt in niedrige-ren Drehzahlbereichen. Daher fällt der Signifikanzwert für die WechselwirkungZyklus·Pmax für den NEFZ auch höher aus. Auffällig ist jedoch, dass die Dyna-mikeinbuße mit zunehmender Leistung bei geringen maximalen Drehmomen-ten zunimmt. Dies kann aus einem physikalischen Zusammenhang nicht erklärtwerden, sondern ist auf die Abbildung der Regressionsfunktion zurück zu füh-ren. Insgesamt kann festgestellt werden, dass das Verbrauchspotential resultie-rend aus der Degradierung des Antriebssystems relativ gering ausfällt, mit den

141

ren betrachteten Zyklen bei Pmax = 20% und Mmax = 15% zu einem erhöh-ten Energieverbrauch führt. Dies kann durch die geringe Lastanforderung desZyklus begründet werden. Die Lastpunkte sind über den Zyklus in niedrigenTeillastbereichen verteilt, wie Abbildung 7.3(b) zeigt. Durch eine sehr starkeDegradierung des Antriebssystems werden die Lastpunkte in noch schlechte-re Wirkungsgradbereiche verschoben. Dies führt zu einem Mehrverbrauch vonmaximal 2% (siehe Abbildung 7.4(a)).


Dynamikanforderungen der Zyklen jedoch ansteigt. Dies belegen auch die ent-sprechenden Signifikanzwerte. Eine sehr starke Degradierung kann sich jedochauch in weniger dynamischen Zyklen negativ auf den Verbrauch auswirken,wie für den NEFZ dargestellt wurde. Die aus einer Degradierung resultierendeDynamikeinbuße fällt bezogen auf das einhergehende Einsparpotential in Be-zug auf den Energiebedarf überproportional aus. Gerade in Zyklen mit häufigenAnfahrvorgängen, wie für die Stuttgartrunde dargestellt, zeigt sich insbeson-dere eine hohe Signifikanz bezüglich der Momentenreduzierung mittels Mmax.In Zyklen, in denen vermehrt Lastpunkte bei hohen Drehzahlen auftreten, bei-spielsweise bei Autobahnfahrten, zeigt sich hingegen eine erhöhte Signifikanzbezüglich einer Leistungsreduzierung (BAB,Dauerlaufrunde). Eine Evaluierungdieser Annahmen wird in Kapitel 8 durchgeführt.

Modellbildung für bac und PMVAuch für die Zielgrößen bac und PMV zur Bewertung des Klimatisierungs-systems wurde zunächst eine lineare Regressionsanalyse angewendet. Hierbeikonnte jedoch aufgrund der komplexen Zusammenhänge und der großen An-zahl an Faktoren durch die lineare Regressionsanalyse eine Modellgüte vonR2 = 0.8 nicht übertroffen werden. Aus diesem Grund wird, wie in [46] dar-gestellt, das komplexe Systemverhalten mittels künstlich neuronaler Netze ab-gebildet, um auch diese Metamodelle einer anschließenden Optimierung zu-führen zu können. Durch die Verwendung künstlich neuronaler Netze geht dieAnschaulichkeit des Metamodells und die Aussage über die statistischen Si-gnifikanzen der Faktoren im Vergleich zur polynomialen Darstellung verloren.Daher wurde die Signifikanz der verwendeten Faktoren bezüglich der Meta-modelle für bac und PMV im Vorfeld durch screening-Versuche verifiziert. Diemathematische Formulierbarkeit bleibt jedoch auch für ein künstlich neuronalerNetz erhalten. Somit kann auch ein Metamodell, welches mit einem künstlichneuronaler Netz abgebildet wird, im anschließenden Optimierungsprozess ver-wendet werden. Die Modellgüte und die Flexibilität kann durch Anwendung

142


eines neuronalen Netzes erheblich gesteigert werden, weshalb die Abbildungder Zielgrößen bac und PMV durch ein künstlich neuronales Netz erfolgt. Ab-bildung 7.5 zeigt den schematischen Aufbau eines künstlich neuronalen Netzesmit einer Zwischenschicht.

+++ +

++

�

�

�

�

Abb. 7.5.: Prinzipieller Aufbau der eingesetzten künstlich neuronalen Netze

Mathematisch kann dieses Netz nach [30] im vorliegenden Fall für eine einzigeZielgröße y und somit ny = 1 durch Gleichung [7.4] formuliert werden.

yk (x) =m

∑i=1

n

∑j=1

ny

∑k=1Fi, j gi, j g j,k x j [7.4]

Mit:y: Zielgrößex: FaktorF : Sigmoide Aktivierungsfunktion des Neuronsg: Gewichtungsfaktor der Verbindung zum Neuron

143


Die Verbindungen zu den Neuronen sind hierbei jeweils über eine Gewichtung gverknüpft und das jeweilige Neuron besitzt zudem eine sigmoide Aktivierungs-funktion F .Die neuronalen Netze zur Beschreibung der Zielgrößen bac und PMV werdengemäß Abbildung 7.5 und nach Tabelle 7.5 ausgeführt. Für die Wahl der Anzahlan Neuronen nk der Zwischenschicht kann nach [60] zunächst die Faustformelnach Gleichung [7.5]

nk =√nynx [7.5]

mit der Anzahl der Faktoren nx und Anzahl an Zielgrößen ny verwendet wer-den. Nach Bedarf kann anschließend die Anzahl der Neuronen iterativ erhöhtwerden, um die Modellgüte weiter zu steigern. Eine zu große Anzahl an Neuro-nen birgt jedoch die Gefahr von Overfitting. Die spezifische Ausführung nachTabelle 7.5 hat sich in einem iterativen Prozess als die beste Wahl ergeben.

Tab. 7.5.: Übersicht der eingesetzten künstlich neuronalen Netze

Zielgröße Anzahl Schichten Anzahl Neuronen Modellgüte

Zwischenschicht

PMV 3 7 R2=0.93

bac 3 21 R2=0.96

Diskussion der Betriebsstrategie-Maßnahmen hinsichtlichdes KlimasystemsDurch eine Degradierung des Klimatisierungssystems mittels der maximal zu-lässigen Leistung Pac max kann die Reichweite des Fahrzeugs beeinflusst wer-den. Zugleich hat dies jedoch auch Auswirkungen auf den thermischen Komfortin der Fahrzeugkabine. Abbildung 7.6 stellt die Verhältnisse exemplarisch fürdie Stuttgartrunde als reales Fahrprofil dar. Der Energieverbrauch des Klimati-sierungssystems bac ist hierbei prozentual bezogen auf den Gesamtenergiever-bauch im Zyklus dargestellt.

144


0

50

100

−200

20400

20

40

60

Pac max [%]T [°C]

[%]

bac


0 20 4060 80 100

−200

2040

0

1

2

3

Pac max [%]T [°C]

PM

V[−

]

(b) Einfluss auf thermischen Komfort

Abb. 7.6.: Einfluss der Betriebsstrategie-Maßnahmen hinsichtlich des Klimatisierungssystemsfür die Stuttgartrunde

Hinsichtlich des Energieverbrauchs ist nach Abbildung 7.6(a) eine starke Ab-hängigkeit von der Außentemperatur T ersichtlich. Bei hohen Temperaturenstellt sich ein überproportionales Verhalten aufgrund von gleichzeitig hoherSonneneinstrahlung ein. Auch die maximal zulässige Leistung Pac max weisteinen in weiten Bereichen nicht linearen Einfluss auf. Bei mittleren Tempera-turen stellt sich jedoch ein konstanter Bereich ein, da nicht mehr Leistung zurDarstellung des einzuregelnden Komforts benötigt wird.Hinsichtlich des thermischen Komforts sind nach Abbildung 7.6(b) die Einflüs-se in Bezug auf die Temperatur stark nicht linear. Bei mittleren Temperaturenist der PMV-Index aufgrund des guten thermischen Komforts nahe 0. Bei ho-hen und tiefen Temperaturen nimmt der Komfort in der Fahrzeugkabine ab, dadas Fahrzeug zu Fahrtbeginn zunächst auf Zieltemperatur konditioniert werdenmuss. Infolge dessen steigt der PMV-Index. Da bei der Berechnung von PMVder Betrag gebildet wird, steigt dieser sowohl zu hohen als auch zu tiefen Tem-peraturen an. Die Abhängigkeit des Komforts in Bezug auf Pac max verhält sichhingegen recht linear.Die für die Stuttgartrunde exemplarisch dargestellten Abhängigkeiten stellensich in allen acht Zyklen analog dar. Die Absolutwerte für bac steigen mit sin-kender Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahr-Zyklus.

145


7.2.5. Definition der Zielfunktion

Die Zielfunktion zur Bewertung des Zielkonflikts der Qualitätsmerkmale Reich-weite, Dynamik sowie thermischer Komfort kann nun mathematisch als skalareBewertungsfunktion durch Kopplung der Regressionsfunktionen der einzelnenZielgrößen bzyk, Δax und PMV formuliert werden. Zu diesem Zweck wird ei-gens für multikriterielle Optimierungsprobleme vom National Institute of Stan-dars [5] die Anwendung einer Wünschbarkeitsfunktion vorgeschlagen, welcheerstmals von [40] vorgestellt wurde.Zunächst werden hierbei die Zielgrößen ymittels Rampenfunktionen gemäß ge-wünschtem Optimierungsziel im Intervall [0 : 1] zu einem normierten Qualitäts-merkmal q skaliert. Im vorliegenden Fall sollen alle drei Zielgrößen bzyk, Δaxund PMV minimiert werden. [22] schlägt hierfür eine bereichsweise definierteFunktion gemäß Gleichung [7.6] vor.

q(y) =

⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎩1, wenn y< ymin(ymax−yymax−ymin

)k, wenn ymin ≤ y≤ ymax

0, wenn y> ymax

[7.6]

Der Wert 0 drückt bei der Definition des Qualitätsmerkmals q ein inakzeptables,1 ein voll zufriedenstellendes Ergebnis aus. Die Rampenfunktion dient jedochnicht nur der Normierung. Sie kann auch zur Gewichtung der Qualitätsmerkma-le untereinander verschiedene Abbildungsformen (linear, degressiv, progressiv)in Abhängigkeit des Exponenten k annehmen. Für detaillierte Ausführungen seiauf [91] verwiesen. Im Folgenden wird zunächst für alle drei Zielgrößen einelineare Gewichtung mit k = 1 gewählt. Abbildung 7.7 stellt die Normierungs-funktion für die Minimierungsaufgabe dar, welche für alle drei Zielgrößen vor-liegt.

146

�

�

��

��

�

Abb. 7.7.: Qualitative Darstellung der Funktion zur Normierung der Qualitätsmerkmale

Die Kopplung zur Wünschbarkeitsfunktion W wird durch Multiplikation dernormierten Zielgrößen nach Gleichung [7.7] vollzogen.

W =

(nq

∏i=1qi

) 1nq

=(qbzyk ·qΔax ·qPMV

)13 [7.7]

Mit:W : Wünschbarkeitsfunktionq: Normiertes Qualitätsmerkmalnq: Anzahl der Qualitätsmerkmale

Auch die Wünschbarkeitsfunktion selbst nimmt somit Werte im Intervall [0 : 1]an. Das globale Optimum der Wünschbarkeitsfunktion beschreibt nun objektivden bestmöglichen Kompromiss im Sinne einer gleichzeitig zufriedenstellendenErfüllung aller Qualitätsmerkmale der Zielfunktion.


147


7.3. Ergebnisse der Optimierung zur Entschärfungdes Zielkonflikts

Gesucht werden die Werte der GrößenMmax, Pmax, Pac max, welche das globaleOptimum der WünschbarkeitsfunktionW in Abhängigkeit des Zyklus, der Um-gebungsbedingungen sowie der Fahrzeugverwendung beschreiben. Diese Wertekönnen für das Energiemanagement als annehmbare Dynamik- und Komfort-grenzen angesehen werden. Zu diesem Zweck kann eine Optimierung respek-tive Suche nach dem globalen Optimum für jeden Zyklus unter Variation derUmgebungsbedingungen und der Fahrzeugverwendung durchgeführt werden.Abbildung 7.8 zeigt zur Erläuterung des Vorgehens die ZielfunktionW separatjeweils in Abhängigkeit der Größen Mmax, Pmax des Antriebssystems und derdas Klimatisierungssystem beeinflussenden Größen Außentemperatur T undPac max exemplarisch für die Stuttgartrunde als reales Fahrprofil. Die Optimasind durch + gekennzeichnet und stellen die gesuchten Dynamik- und Kom-fortgrenzen für den Fahrzyklus und das jeweilige Temperaturcluster dar.

0 20 4060 80 100

2040

6080

1000.45

0.5

0.55

0.6

Mmax [%]Pmax [%]

[−]

W

(a) Antriebssystem

0

50

100

−200

20400

0.5

1

Pac max [%]T [°C]

[−]

W

(b) Klimatisierungssystem

Abb. 7.8.: Zielfunktion zur Ermittlung der Dynamik- und Komfortgrenzen am Beispielder Stuttgartrunde

Tabelle 7.6 stellt die mittels Optimierung gewonnenen Ergebnisse für die Grö-ßenMmax und Pmax für die acht untersuchten Zyklen dar.In weniger dynamischen Zyklen wie dem FTP75 oder derWeissachrunde kanneine starke Degradierung des Drehmoments und der Leistung vorgenommen

148

7.3. Ergebnisse der Optimierung zur Entschärfung des Zielkonflikts

Tab. 7.6.: Dynamikgrenzen als Ergebnis der Optimierung

Zyklus Mmax [%] Pmax [%]

NEFZ 100 100

FTP75 29 48

Artemis Urban 100 44

Verteilerrunde 79 42

Weissachrunde 38 22

Stuttgartrunde 100 67

Dauerlaufrunde 57 89

BAB 52 94

gemittelt - als Applikationsvorgabe 68 74

Abbildung 7.9 stellt die Komfortgrenzen für das Klimatisierungssystem als Er-gebnis der Optimierung für Pac max in Abhängigkeit der Außentemperatur ge-

149

werden, ohne die Zielgröße Dynamik zu sehr zu beeinträchtigen. In Zyklenmit höheren Geschwindigkeiten wie dem BAB oder der Dauerlaufrunde hin-gegen sollte die Leistung nicht zu sehr degradiert werden, das Drehmomenthingegen kann in diesen Zyklen stärker reduziert werden. Dies liegt auch ander Drehmomenten-Drehzahlcharakteristik der E-Maschine, da diese bei hohenDrehzahlen im Feldschwächbereich nicht mehr das maximale Drehmoment zurVerfügung hat, somit Lastpunkte mit maximalem Drehmoment selten auftreten.In Zyklen mit vielen dynamischeren Anfahrvorgängen wie dem Artemis Urban

oder der Stuttgartrunde hingegen sollte aufgrund der starken Überproportiona-lität des Drehmoments in Bezug auf die Zielgröße Dynamik für eine optimaleAuslegung keine Drehmomentenreduzierung vorgenommen werden.Im NEFZ sollte hingegen wie bereits in Abschnitt 7.2.4 diskutiert, keine Degra-dierungen des Antriebssystems vorgenommen werden, da hierdurch ein Mehr-verbrauch entsteht.


mittelt über alle acht Zyklen dar. Hierbei kann für eine optimale Auslegung beiextrem niedrigen als auch hohen Temperaturen eine Leistungsreduzierung bisungefähr 60% der Maximalleistung vorgenommen werden. Im Re-Heat Betriebkann sogar bis auf eine Maximalleistung von 20% reduziert werden. Für dieGrößenMmax und Pmax werden für folgende Untersuchungen im Kontext einerValidierung dem Energiemanagement die gemitteltenWerte nach Tabelle 7.6 alsDynamikgrenzen im Kontext einer Grundapplikation vorgegeben. Für Pac max

erfolgt dies analog gemäß der Kennlinie der Abbildung 7.9. Hierüber könnendie Kennfelder zur Festlegung der Dynamik- und Komfortgrenzen nach Ab-bildung 5.2 für die Verwendung innerhalb des Energiemanagements applikativbedatet werden.

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100100

Temperatur [°C]

Leis

tung

[%]

Pac max

Re−HeatHeizen Kühlen

Abb. 7.9.: Komfortgrenzen als Ergebnis der Optimierung

150

8. Validierung und Bewertung derBetriebsstrategie-Maßnahmen

Nachdem im vorherigen Kapitel 7 eine Methode zur Entschärfung des Ziel-konflikts aus Reichweiten-, Dynamik- sowie Komfortwünschen dargelegt wur-de, sollen im Folgenden die Funktionen im Sinne einzelner Betriebsstrategie-Maßnahmen validiert und evaluiert werden.Als wesentliche Funktionen zur Reduzierung des Energieverbrauchs respekti-ve zur Steigerung der Reichweite konnten gemäß Abbildung 3.9 die folgendenFunktionen Identifiziert werden, welche im weiteren Verlauf separatanalysiert werden:

• Degradierung des Antriebssystems• Degradierung des Klimatisierungssystems• Reduzierung von Batterieverlusten durchlastsynchrone Verbrauchersteuerung

• Verlustleistungsminimierte Allradverteilung

8.1. Degradierung des Antriebssystems

Im Folgenden werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Degradierung desAntriebssystem diskutiert.

8.1.1. Begrenzung von Drehmoment und Leistung

Die Auswirkungen einer Degradierung des Antriebssystems durch Begrenzungdes maximalen Drehmoments und der Leistung, wie in Abschnitt 7.3 dargelegt,

151

8. Validierung und Bewertung der Betriebsstrategie-Maßnahmen

sind in Bezug auf den Energieverbrauch und die einhergehende Dynamikeinbu-ße stark vom jeweiligen Fahrzyklus abhängig. Abbildung 8.1 stellt die erzieltenErgebnisse für alle acht Zyklen unter Annahme der in Abschnitt 7.3 gemit-telten Dynamikgrenzen dar. Positive Werte bedeuten in diesem Fall, dass einVerbesserungspotential erzielt werden konnte. Dementsprechend zeugen nega-tive Werte von einer Verschlechterung. Die Dynamikeinbuße Δax wird hierbeiprozentual, jeweils bezogen auf eine maximale Degradierung, dargestellt. So-mit wird der Wert für Δax mit Pmax = 20% und Mmax = 20% als maximal imZyklus auftretende Dynamikeinbuße auf 100% gesetzt.

−10−9−8−7−6−5−4−3−2−1

012

NEFZ

FTP7

5St

uttg

artru

nde

Wei

ssac

hrun

deVe

rteile

rrund

eDa

uerla

ufru

nde

Arte

mis

Urba

n

BAB

[%]

EnergieverbrauchspotentialDynamikeinbuße Δ ax

Abb. 8.1.: Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf und Dynamikeinbuße beiBegrenzung des Drehmoments und der Leistung

Im NEFZ-Zyklus zeigen sich keine Auswirkungen einer Degradierung, da dieLastanforderungen des Zyklus geringer sind als die vorgegebenen Drehmoment-und Leistungsgrenzen des Antriebssystems. Prinzipiell läßt sich jedoch feststel-len, dass das Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf mit der Dynami-kanforderung des Zyklus ansteigt. Nicht proportional dazu verhält sich die re-sultierende Dynamikeinbuße. Gerade bei der Verteiler- und der Dauerlaufrunde

treten signifikante Dynamikeinbußen auf, da in diesen Zyklen verhältnismäßig

152

8.1. Degradierung des Antriebssystems

hohe Drehmomentenanforderungen in Form von Anfahrvorgängen auftreten.Das maximale Drehmoment besitzt nach Tabelle 7.4 einen überproportionalenEinfluss auf die Zielgröße Dynamik.Insgesamt fällt das Potential zur Degradierung des Antriebssystems bezüglichdes Energieverbrauchs mit maximal knapp 2% gering aus. Dies kann dadurchbegründet werden, dass aufgrund der Wegvorgabe des Fahrzyklus die Fahr-widerstände nicht wesentlich reduziert werden. Bei einer Degradierung durchBegrenzung des maximalen Drehmoments und der Leistung werden zwar dieBeschleunigungen reduziert, sie müssen jedoch aufgrund der Wegvorgabe füreinen längeren Zeitraum aufgebracht werden. Somit wirkt sich dies auf denEnergieverbrauch lediglich durch geänderte Lastpunkte und damit verbunde-ne Wirkungsgrade aus. Auch die resultierenden Dynamikeinbußen sind starkzyklusabhängig, fallen jedoch meist überproportional zum erzielten Einsparpo-tential in Bezug auf den Energiebedarf aus.

8.1.2. Begrenzung der Maximalgeschwindigkeit

Zur Reduzierung der Fahrwiderstände soll im Folgenden eine Begrenzung dermaximalen Geschwindigkeit untersucht werden. Da sich diese lediglich bei Zy-klen mit höheren Geschwindigkeitsanteilen auswirkt, werden hierfür der BAB-Zyklus, Dauerlauf- sowie die Stuttgartrunde zur Evaluierung betrachtet. Ab-bildung 8.2 zeigt die Sensitivität einer Begrenzung der maximal zulässigenHöchstgeschwindigkeit in Bezug auf den Energieverbrauch des Antriebssys-tems. Das erzielbare Einsparpotential in Bezug auf den Energieverbrauch istabhängig von der Häufigkeit der entsprechenden Geschwindigkeitsanteile imFahrzyklus. Da imBAB-Zyklus fast ausschließlich Geschwindigkeitsanteile über80kmh auftreten, fällt das Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf indiesem Zyklus am größten aus. Prinzipiell ist für alle drei Zyklen ein überpro-portionaler Einfluss erkennbar, welcher auf die quadratische Abhängigkeit derGeschwindigkeit in Bezug auf den Luftwiderstand zurück zu führen ist. Somitkann durch eine Begrenzung der maximalen Geschwindigkeit der Fahrwider-

153


stand insbesondere bei Autobahnfahrten wesentlich reduziert werden. In Bezugauf die Längsbeschleunigung und die nach Gleichung 7.2 definierte objekti-vierte Bewertungsgröße zur Dynamikbewertung hat eine Geschwindigkeitsbe-grenzung keine Auswirkungen. Da, wie bereits in Abschnitt 7.2.1 erörtert, dieLängsgeschwindigkeit von der menschlichen Sinneswahrnehmung nicht direkterfasst werden kann, ist eine geringere subjektive Wahrnehmung anzunehmeninsbesondere im Vergleich zu einer Drehmomentenbegrenzung.

80 100 120 140 160 1800

5

10

15

20

25

30

35

40

Begrenzung Vmax [km/h]

Red

uzie

rung

Ene

rgie

verb

rauc

h A

ntrie

bssy

stem

[%]

BABDauerlaufrundeStuttgartrunde

Abb. 8.2.: Reduzierung des Energiebedarfs durch Begrenzung der Maximalgeschwindigkeit

8.2. Degradierung des Klimatisierungssystems

Durch eine Degradierung des Klimatisierungssystems mittels Reduzierung dermaximalen Aufnahmeleistung kann in Abhängigkeit der Umgebungsbedingun-gen ein Reichweitenpotential erzielt werden.

154


8.2.1. Lineare Gewichtung der Zielgrößen

Zur Evaluierung dieser Maßnahme werden die Zyklen solange wiederholendabsolviert, bis die Batterie leer ist. Das Fahrzeug wird zunächst zu Fahrtbeginnals nicht vorkonditioniert und mit voll geladener Batterie betrachtet. Es wirdzuvor für sechs Stunden den Umgebungsbedingungen ausgesetzt.Abbildung 8.3 zeigt die Ergebnisse exemplarisch für die Stuttgartrunde für dengesamten untersuchten Temperaturbereich. Dargestellt ist sowohl die Reich-weite bei nicht degradiertem, als auch bei degradiertem System. Die Quali-tätsmerkmale Reichweite und thermischer Komfort sind hierbei zunächst imRahmen des Optimierungsprozesses gleichwertig jeweils mit k = 1 zueinandergewichtet. Die hierbei einzuhaltenden Komfortgrenzen werden gemäß Abbil-dung 7.9 berücksichtigt. 100% Reichweite entsprechen dem Energieverbrauchdes Antriebssystems.Das Reichweitenpotential variiert nach Abbildung 8.3(a) in Abhängigkeit derUmgebungsbedingungen. Auffällig ist, dass das Reichweitenpotential im Heiz-betrieb höher ausfällt als im Kühlbetrieb bei hohen Außentemperaturen. DasKomfortmodell berücksichtigt hierbei die direkte Sonneneinstrahlung und dieStrahlungstemperaturen der umliegenden Bauteile (Scheiben, Dachhimmel etc.).Daher reagiert das Komfortmodell im Kühlbetrieb bei hoher Sonneneinstrah-lung sensitiv auf eine Systemdegradierung der Innenraumklimatisierung, dar-gestellt in Abbildung 8.3(b). Da die Luftfeuchte das Komfortmodell wenigerstark beeinflusst, kann durch eine Degradierung im Temperaturbereich des Re-Heat-Betriebs das größte Potential bei minimaler Komforteinbuße erzielt wer-den. Hierbei wird die Luft zunächst zur Entfeuchtung abgekühlt, um sie an-schließend wieder zu erhitzen, wobei hierbei aufgrund der Leistungsreduzie-rung nicht mehr die Zieltemperatur erreicht wird.Abbildung 8.4 zeigt zusammenfassend für alle acht Zyklen den prozentualenReichweitengewinn und die Komforteinbuße in Form des Unterschieds im PMV-Index sowie der mittleren Abweichung zur Zieltemperatur nach Abbildung 2.5,

155


welche die Regelgröße der Klimatisierung darstellt. Die Größen sind jeweils fürdie Randbereiche der Temperatur im Heiz- und Kühlfall sowie für den Re-Heat-Betrieb dargestellt.Die Reichweitenpotentiale nach Abbildung 8.4(a) fallen in den Zyklen mit ge-ringer Durchschnittsgeschwindigkeit größer aus, da der Anteil der Klimatisie-rung am Gesamtenergieverbrauch größer ist. Die resultierende Komforteinbu-ße nach Abbildung 8.4(b) steigt jedoch mit der Durchschnittsgeschwindigkeit,da die konvektiven Wärmeübergänge an der Karosserie aufgrund der größe-ren Anströmgeschwindigkeiten erhöht werden. Dies führt am Innenraummo-dell im Heiz- sowie im stationären Kühlbetrieb zu einer erhöhten Wärmeab-bzw. zufuhr, wodurch sich eine größere Abweichung zur Zieltemperatur ergibt.Dies wiederum wirkt sich dann negativ auf den thermischen Komfort in Formdes PMV-Index aus. Für den Kühl- und Heizfall stellt sich die Komforteinbu-ße annähernd gleich dar. Dies zeigen sowohl der Unterschied des PMV-Indexzwischen degradiertem und nicht degradiertem System, als auch die mittlerenAbweichungen zur Zieltemperatur nach Abbildung 8.4(c). Diese Abweichun-gen liegen für alle betrachteten Zyklen und Umgebungsbedingungen unterhalbvon ±4◦C.

156


−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100100

T [°C]

Rei

chw

eite

[%]

keine DegradierungDegradierung mit linearer Gewichtung

Re−Heat KühlenHeizen

(a) Reichweitenpotential

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

T [°C]

PM

V [−

]

keine DegradierungDegradierung mit linearer Gewichtung

Re−Heat KühlenHeizen

(b) Einbuße des thermischen Komforts

Abb. 8.3.: Auswirkungen der Degradierung des Klimasystems am Beispiel der Stuttgartrunde

(bei linearer Gewichtung der Zielgrößen)

157


0

5

10

15

NEFZ

FTP7

5Ar

tem

is Ur

ban

Verte

iler

Wei

ssac

h

BAB

Stut

tgar

tDa

uerla

uf

Δ R

eich

wei

te [%

] Heizen bei −20°CRe−Heat bei +10°CKühlen bei +40°C


00.10.20.30.40.50.60.7

NEFZ

FTP7

5Ar

tem

is Ur

ban

Verte

iler

Wei

ssac

h

BAB

Stut

tgar

tDa

uerla

uf

|ΔP

MV

| [−

]

Heizen bei −20°CRe−Heat bei +10°CKühlen bei +40°C

(b) Komforteinbuße

−4−3−2−1

01234

NEFZ

FTP7

5Ar

tem

is Ur

ban

Verte

iler

Wei

ssac

h

BAB

Stut

tgar

tDa

uerla

uf

Δ Zi

elte

mpe

ratu

r [°C

]

Heizen bei −20°CRe−Heat bei +10°CKühlen bei +40°C

(c) Mittlere Abweichung zur Zieltemperatur

Abb. 8.4.: Auswirkungen der Degradierung des Klimatisierungssystems für alleuntersuchten Zyklen

158


8.2.2. Sensitivitätsanalyse durch unterschiedlicheGewichtung der Zielgrößen

Da gezeigt werden konnte, dass der Energieverbrauch des Klimatisierungssys-tems und der thermische Komfort in Abhängigkeit der Fahrzyklen und Umge-bungsbedingungen eine große Spreizung aufweisen, kann durch eine Gewich-tung der Zielgrößen die Betriebsstrategie unterschiedlich ausgeprägt werden.Hierfür können, wie in Abschnitt 7.2.5 dargelegt wurde, die Zielgrößen mittelsder Abbildungsform der Normierungsfunktion unterschiedlich gewichtet wer-den. Abbildung 8.5 zeigt eine Sensitivitätsanalyse mit unterschiedlichen Aus-prägungsvarianten für eine komfortbetonte sowie eine reichweitenbetonte Be-triebsstrategie im Vergleich zu einer linearen Gewichtung der Zielgrößen sowiedem undegradierten System analog der Abbildung 8.3. Es wurden für die Nor-mierungsfunktionen exemplarisch die Exponenten k nach Gleichung 7.7 gemäßTabelle 8.1 gewählt.

Tab. 8.1.: Wahl der Exponenten zur Gewichtung der Zielgrößen

Ausprägung k für qPMV k für qbackomfortbetont 2 0.5

linear 1 1

reichweitenbetont 0.5 2

Bei der vorliegenden Sensitivitätsanalyse wurden die Zielgrößen für Reichwei-te und thermischen Komfort unterschiedlich gewichtet. Analog könnte auch ei-ne unterschiedliche Gewichtung bezüglich der Zielgröße Dynamik vorgenom-men werden. Es konnte jedoch nach Abbildung 8.1 gezeigt werden, dass dasReichweitenpotential in allen untersuchten Fahrzyklen sehr gering ausfällt. Da-her bietet eine unterschiedliche Ausprägung bezüglich des Attributs Dynamikaus energetischen Gesichtspunkten für die Betriebsstrategie keinen Mehrwert.Die Sensitivitätsanalyse nach Abbildung 8.5 dient nicht nur zur Darstellungunterschiedlicher Ausprägungsvarianten der Betriebsstrategie, sondern belegt

159


insbesondere die Robustheit des durchgeführten Optimierungsverfahrens nachAbschnitt 7.2.

−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T [°c]

Rei

chw

eite

[%]

keine DegradierungGewichtung KomfortGewichtung linearGewichtung Reichweite

Heizen Re−Heat Kühlen


−20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

T [°c]

PM

V [−

]

keine DegradierungGewichtung KomfortGewichtung linearGewichtung Reichweite

Heizen Re−Heat Kühlen

(b) Einbuße des thermischen Komforts

Abb. 8.5.: Ausprägungsvarianten der Betriebsstrategie durch unterschiedliche Gewichtung derZielgrößen Reichweite und thermischer Komfort am Beispiel der Stuttgartrunde

160


8.2.3. Untersuchungen zur Vorkonditionierung des Innenraums

Bei den bisherigen Untersuchungen wurde das Fahrzeug zu Fahrtbeginn als un-konditioniert betrachtet. Des Weiteren wurden die Zyklen zur Evaluierung so-lange wiederholend absolviert, bis der Energieinhalt der Batterie aufgebrauchtwar. Im Folgenden soll nun das Potential einer Vorkonditionierung der Fahr-zeugkabine evaluiert werden. Hierzu wird der Fahrzeuginnenraum vor Fahrtbe-ginn durch das Klimatisierungssystem bereits auf Zieltemperatur konditioniert.Der benötigte Energiebedarf wird dem Netz und nicht der Batterie entnommen,wodurch der Energiebedarf des Klimatisierungssystems während der Fahrt re-duziert werden kann.Das Potential einer Vorkonditionierung in Bezug auf eine Energieverbrauchsre-duzierung ist neben den Umgebungsbedingungen stark vom individuellen Mo-bilitätsverhalten abhängig. Im Wesentlichen sind hierbei die EinflussfaktorenFahrzeit sowie durchschnittliche Geschwindigkeit relevant. Abbild 8.6 zeigt fürdie acht Zyklen das Einsparpotential in Bezug auf den Energieverbrauch be-dingt durch eine Vorkonditionierung des Innenraums. Die Zyklen werden hierzulediglich einmal absolviert. Das Einsparpotential in Bezug auf den Energiebe-darf sinkt zum einen mit steigender Fahrzeit, da der Anteil des dynamischenAbkühl- bzw. Aufheizvorgangs beim unkonditionierten Fahrzeug mit steigen-der Fahrzeit kleiner wird. Zum anderen sinkt das Einsparpotential in Bezugauf den Energiebedarf mit steigender Durchschnittsgeschwindigkeit, da der An-teil des Energieverbrauchs der Klimatisierung am Gesamtenergieverbrauch mitsteigender Durchschnittsgeschwindigkeit kleiner wird. Bei kurzen Fahrten mitgeringer Durchschnittsgeschwindigkeit kann ein maximales Potential in Bezugauf den Energiebedarf von rund 40% im Heizbetrieb und 30% im Kühlbetrieberzielt werden. Die prinzipiellen Verhältnisse stellen sich für Heiz- und Kühl-betrieb ähnlich dar.Durch die Vorkonditionierung kann neben der Reduzierung des Energiever-brauchs insbesondere auch der thermische Komfort in der Fahrzeugkabine er-

161


heblich gesteigert werden. Abbildung 8.7 stellt die Komfortsteigerung im Ver-gleich zu einer Fahrt mit unkonditioniertem Fahrzeug dar. Insbesondere in Be-zug auf die Fahrtzeit kann ein signifikanter Einfluss bezüglich des thermischenKomforts erzielt werden, da bereits zu Fahrtbeginn die Fahrzeugkabine aufZieltemperatur konditioniert ist. Ein Einfluss der Durchschnittsgeschwindigkeitkann in Bezug auf den Komfort nicht festgestellt werden.

162


5 25 50 75 105

545

85130

0

10

20

30

40

Vmittel [km/h]Fahrzeit [min]

Red

uzie

rung

Ene

rgie

verb

rauc

h G

esam

tfahr

zeug

[%]

Artemis Urban

Verteiler

Dauerlauf

NEFZFTP75

StuttgartBAB

Weissach

(a) Heizbetrieb bei T =−20◦C

5 25 50 75 105

545

85130

0

10

20

30

40


Red

uzie

rung

Ene

rgie

verb

rauc

h G

esam

tfahr

zeug

[%]

DauerlaufVerteiler

Artemis Urban

NEFZFTP75

WeissachBAB

Stuttgart

(b) Kühlbetrieb bei T =+40◦C und 700 Wm2 Sonneneinstrahlung

Abb. 8.6.: Reduzierung des Energieverbrauchs durch Vorkonditionierung des Innenraums

163


5 25 50 75 105

545

85130

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3


Δ P

MV

[−]

BABArtemis Urban

NEFZ

FTP75Weissach

Stuttgart

Verteiler Dauerlauf

(a) Heizbetrieb bei T =−20◦C

5 25 50 75 1055 45 85 130

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3


Δ P

MV

[−]

BABArtemis UrbanNEFZ

FTP75Weissach

Stuttgart

Verteiler Dauerlauf

(b) Kühlbetrieb bei T =+40◦C und 700 Wm2 Sonneneinstrahlung

Abb. 8.7.: Komfortsteigerung durch Vorkonditionierung des Innenraums

164

8.3. Reduzierung der Batterieverluste


Wie bereits in Abschnitt 3.2.2 dargelegt, sollen durch die Umsetzung einer last-synchronen Verbrauchersteuerung des Klimatisierungssystems Leistungsspit-zen und hieraus resultierende Batterieverluste reduziert werden. Das Prinzipberuht auf einer Leistungsanhebung der Innenraumklimatisierung während Re-kuperationsphasen. Hierdurch wird die zurückgewonnene Bremsenergie direktim Gleichstromzwischenkreis an die Nebenverbraucher abgeführt, ohne diesein der Batterie mit entsprechenden Ein- und Ausspeiseverlusten zwischenspei-chern zu müssen. In darauf folgenden motorischen Phasen kann die Leistung zurInnenraumklimatisierung reduziert werden. Dies gewährleistet einen annäherndkonstanten thermischen Komfort bei gleichzeitiger Reduzierung von Leistungs-spitzen und auftretenden Batterieverlusten.Abbildung 8.8 zeigt hierzu exemplarisch die sich einstellenden Leistungsver-läufe im ECE-Teilzyklus des NEFZ im winterlichen Heizbetrieb bei 0◦C imVergleich zu einer kontinuierlichen Nebenverbrauchersteuerung. Ersichtlich ist,dass erst eine Leistungsanhebung in Rekuperationsphasen statt findet, wennauch genügend Leistung durch Rekuperation zur Deckung der Nebenverbrau-cherlast vorhanden ist. Daher wird in der ersten Rekuperationsphase die Leis-tung der PTC-Heizung nicht erhöht.Tabelle 8.2 stellt die Ergebnisse aller untersuchten Zyklen für eine exempla-rische Fahrt im Heizbetrieb bei 0◦C Außentemperatur zusammenfassend dar.Durch die dargestellte Funktion können die auftretenden Batterieverluste in er-heblichem Maße reduziert werden. Das sich ergebende Einsparpotential in Be-zug auf den Energiebedarf fällt insgesamt sehr gering aus, da die Batteriever-luste am Gesamtenergieverbrauch einen geringen Anteil ausmachen, wie be-reits durch die Energieflussanalyse in Abschnitt 3.2.1 gezeigt werden konnte.Aus energetischer Sicht steht der erhebliche funktionale Aufwand zur robustenund sicheren Umsetzung in keinem Verhältnis zu dem geringen Einsparpoten-

165


tial in Bezug auf den Energiebedarf. Auf die Batterielebensdauer wirkt sich dieerhebliche Reduzierung der Leistungsspitzen generell positiv aus.

Tab. 8.2.: Potentiale einer lastsynchronen Klimasteuerung im Vergleich zu einerkontinuierlichen Klimasteuerung

Zyklus ΔBatterieverluste [%] ΔEnergieverbrauch [%]

NEFZ -41.6 -0.3

FTP75 -35.8 -0.3

Artemis Urban -42.1 -0.5

Verteilerrunde -17.7 -0.2

Weissachrunde -19.8 -0.4

Stuttgartrunde -12.7 -0.2

Dauerlaufrunde -25.2 -0.2

BAB -12.1 -0.5

166


0 50 100 150 2000

10

20

30

40

50

Zeit [s]

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

(a) Geschwindigkeit

0 50 100 150 200−10

−5

0

5

10

15

20

25

Zeit [s]

Leis

tung

[kW

]

lastsynchronkontinuierlich

(b) Batterie

0 50 100 150 2000

1

2

3

4

5

6

7

Zeit [s]

Leis

tung

[kW

]

lastsynchronkontinuierlich

(c) PTC-Heizung

Abb. 8.8.: Validierung der lastsynchronen Klimasteuerung im ECE-Teilzyklus des NEFZ

167


8.4. Verlustleistungsminimierte Allradverteilung

Die in Abschnitt 5.2.2 dargestellte verlustleistungsminimierte Allradverteilungsoll mit Hilfe des Online-Optimierers für Top IV ein weiteres Verbrauchspo-tential erbringen. Abbildung 8.9 zeigt zunächst zur Validierung der Funktionfür den ECE-Teilzyklus des NEFZ die Kupplungsstellung und Momentenauf-teilung für Vorder- und Hinterachse.

0 50 100 150 2000

50

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

Zeit [s]0 50 100 150 2000

0.5

1

Kup

plun

gssi

gnal

[−]

GeschwindigkeitKupplungssignal

(a) Kupplungsstatus und Geschwindigkeit

0 50 100 150 200−60

−40

−20

0

20

40

60

Zeit [s]

Mom

ent [

Nm

]

EM VAEM HA

(b) Momente

Abb. 8.9.: Validierung der Funktion zur Allradverteilung im ECE-Teilzyklus des NEFZ

168


In den Beschleunigungsphasen bei höheren Leistungsanforderungen sind beideMaschinen am Leistungsfluss beteiligt. In den Konstantfahrphasen mit niedri-gen Lastanforderungen ist nach Abbildung 8.9(a) die Vorderachsmaschine me-chanisch abgekoppelt, um keine Leerlaufverluste zu generieren. Die Momen-tenanforderung wird von der Hinterachsmaschine erbracht, wieAbbildung 8.9(b) zeigt.Entscheidend für eine Steigerung der Effizienz und somit zur Energieverbrauchs-reduzierung ist die Verteilung der Lastpunkte im Kennfeld. Abbildung 8.10zeigt hierzu die motorischen Lastpunktverteilungen für entsprechende Allrad-verteilungen im NEFZ-Zyklus. Eine konstante 50:50-Momentenverteilung inmotorischen Phasen dient hierbei als Referenz.

(a) Vorderachse: 50:50-Verteilung (b) Hinterachse: 50:50-Verteilung

(c) Vorderachse: Optimale Verteilung (d) Hinterachse: Optimale Verteilung

Abb. 8.10.: Auftretende motorische Lastpunkte von Top IV bei entsprechender Allradverteilungim NEFZ

Bei optimierter Allradverteilung nach Abbildung 8.10(c) und 8.10(d) ist ersicht-lich, dass die Vorderachse nur bei höherem Leistungsbedarf, vorzugsweise bei

169


Beschleunigungsvorgängen, eingesetzt wird. In Konstantfahrphasen wird dieVorderachse abgekoppelt und der Leistungsbedarf rein über die Hinterachse ge-deckt. Somit kann die Hinterachsmaschine in wirkungsgradgünstigeren Berei-chen betrieben werden. Aufgrund des synthetischen Charakters des NEFZ undder geringen Kennfeld-Abdeckung wird in Abbildung 8.11 zusätzlich die Häu-figkeitsverteilung in der Stuttgartrunde heran gezogen, um die Funktion auchfür ein breiteres Spektrum an auftretenden Betriebspunkten für einen realenFahrzyklus zu validieren. Auch Abbildung 8.11 verdeutlicht die Wirkungsgrad-verbesserung insbesondere im unteren Teillastbereich. Die Abbildungen E.1und E.2 stellen im Anhang E die Ergebnisse der übrigen untersuchten Fahr-zyklen dar. Prinzipiell kann für alle Fahrzyklen gezeigt werden, dass durchdas Optimierungsverfahren die Vorderachse nicht mehr im unteren Teillastbe-reich betrieben wird. Hierdurch bedingt die Lastpunktanhebung der Hinterachseeine Wirkungsgradsteigerung.Abbildung 8.12 zeigt abschließend das Verbrauchspotential durch eine opti-mierte Allradverteilung im Vergleich zu einer festen 50:50-Verteilung für alleacht Zyklen. Es ist ersichtlich, dass durch die Funktion zur optimierten Allr-adverteilung in allen Zyklen ein merklicher Verbrauchsvorteil erzielt werdenkann. Je geringer die Lastanforderung des Zyklus, desto höher fällt das prozen-tuale Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf aus. Lediglich im Arte-

mis Urban fällt das Verbrauchspotential mit 1% im Vergleich gering aus. Dieskann durch den schmalen Betriebspunktebereich im Zyklus erklärt werden. DerOptimierer hat aufgrund dieser Zyklus-Charakteristik keine große Möglichkeit,die Lastpunkte in wirkungsgradgünstigere Punkte zu verteilen. Die Abbildun-gen E.1(c) und E.1(d) zeigen, dass die auftretenden Lastpunkte aufgrund derLast- und Geschwindigkeitsanforderung des Zyklus bereits in wirkungsgrad-günstigen Bereichen liegen. Die Aufteilung kommt hierbei einer reinen 50:50-Verteilung bereits sehr nahe. Kupplungsvorgänge werden für diese Untersu-chungen als ideal und verlustfrei angenommen und abgebildet.

170


(a) Vorderachse: 50:50-Verteilung (b) Hinterachse: 50:50-Verteilung

(c) Vorderachse: Optimale Verteilung (d) Hinterachse: Optimale Verteilung

Abb. 8.11.: Auftretende motorische Lastpunkte von Top IV bei entsprechender Allradverteilungin der Stuttgartrunde

0

1

2

3

4

5

6

Arte

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uerla

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Verte

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nde

Stut

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BAB

FTP7

5W

eiss

achr

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NEFZ

Red

uzie

rung

Ene

rgie

verb

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hA

ntrie

bssy

stem

[%]

Abb. 8.12.: Verbrauchsreduzierung durch verlustleistungsminimierte Allradverteilungfür Top IV

171


8.5. Prädiktive Betriebsstrategie durch Nutzung vonStrecken- und Umgebungsdaten

In Abschnitt 5.1.2 wurde die Funktion zur Vorgabe der Betriebsstrategie in Ziel-führung vorgestellt. Ziel dieser Funktion des Energiemanagements ist das Ein-regeln einer geforderten Reichweite, wenn ein konkretes Fahrziel in Form einerNavigationseingabe bekannt ist. Das Energiemanagement und die Reichweite-nermittlung interagieren zu diesem Zweck, um Streckeninformationen prädiktivzu nutzen und hierdurch die Reichweite des Fahrzeugs präzise zu prognostizie-ren. Liegt das Fahrziel mit den aktuellen Fahrzeugeinstellungen außerhalb derprognostizierten Reichweite, kann das Energiemanagement durch Betriebsstra-tegieeingriffe die Reichweite des Fahrzeugs bedarfsgerecht verlängern, bis dasZiel erreichbar wird.Dies soll am Beispiel der Weissachrunde in einem hypothetischen Wintersze-nario mit Heizbetrieb und aktivierter Sitz-, Lenkrad- sowie Scheibenheizungerläutert werden. Tabelle 8.3 stellt die Randbedingungen des Manövers und dieexemplarische Applikation des Energiemanagements dar.

Tab. 8.3.: Manöver zur Darstellung der Betriebsstrategie in Zielführung


Strecke bis Ziel 48 [km]

Start-SOC 40 [%]

Reichweite zu Fahrtbeginn ohne Eingriffe 44 [km]

Prioritätskennzahl der Sitzheizung 2 [-]

Prioritätskennzahl der Lenkradheizung 2 [-]

Prioritätskennzahl der Scheibenheizung 4 [-]

Prioritätskennzahl der Heizung Innenraum 5 [-]

172

8.5. Prädiktive Betriebsstrategie durch Nutzung von Strecken- und Umgebungsdaten

geladen ist und aufgrund von aktivierten Nebenverbrauchern ein hoher Ener-giebedarf besteht, kann das Ziel unter diesen Einstellungen nicht erreicht wer-den. Es wird zunächst eine Reichweite von 44 km prädiziert. Um die geforderteZielerreichung zu gewährleisten, führt das Energiemanagement nun auf Basisder applizierten Prioritätskennzahlen Degradierungen der jeweiligen Verbrau-cher durch. Abbildung 8.13 stellt die Leistungsflüsse zu Fahrtbeginn dar. Dadie Sitz- und Lenkradheizung am niedrigsten priorisiert sind (PK 2), werdendiese zuerst degradiert. Dies führt zu einem Reichweitengewinn, welcher nochnicht zur Zielerreichung ausreicht. Daher wird die mit PK 4 nächst höher prio-risierte Scheibenheizung degradiert. Es stellt sich ein Reichweitengewinn vonRund 1 km ein, der jedoch zur Zielerreichung nicht ausreicht. Daher wird dieHeizung zur Innenraumklimatisierung unter Beachtung der definierten Kom-fortgrenze solange degradiert, bis das Ziel innerhalb der prädizierten Reichwei-te liegt. Die seitens des Energiemanagements freigegebene Leistungsaufnahmeder Innenraum-Heizung beträgt rund 5500 W . Es kann somit gezeigt werden,dass durch die Nutzung von Streckendaten der Algorithmus des Energiema-nagements streckenspezifisch und adaptiv eine Wunschreichweite zur Zielerrei-chung einregeln kann. Der Ansatz ist in Bezug auf die Verbraucherpriorisierungund Komfortgrenzen frei applizierbar anzuwenden.Zur Reichweitenprognose werden Streckendaten in Form von Geschwindig-keitslimits, Höhenprofil sowie Kurvenkrümmungen genutzt, wie in Abschnitt5.3.2 erörtert wurde. Auch der Heizleistungsbedarf kann nach Abschnitt 5.3.3prädiktiv mit Hilfe eines neuronalen Netzes prädiziert werden. Abbildung 8.13zeigt die Güte des Algorithmus zur Reichweitenberechnung im Vergleich zueiner optimalen Prognose. Diese würde, als Winkelhalbierende dargestellt, progefahrenen Kilometer um einen Kilometer abnehmen. Der umgesetzte Algo-rithmus zeigt lediglich geringe Abweichungen auf.

173

Das Szenario sieht vor, dass eine Strecke von insgesamt 48 km befahren wer-den soll, siehe Abbildung 8.14. Da die Batterie jedoch zu Fahrtbeginn nicht voll


0

500Leistung: AnforderungLeistung: Freigabe

0

500

Leis

tung

[W]

0

500

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5Zeit [s]

RW

[km

]

Heizung Innenraum:

Scheibenheizung:

Lenkradheizung:

Sitzheizung:

Prädizierte Reichweite:

70008000

60005000

4847464544

49

43

Abb. 8.13.: Betriebsstrategieeingriffe des Energiekoordinators zur Gewährleistung derZielerreichung vor Fahrtbeginn

020406080

100120140

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5005

101520253035404550

Distanz [km]

RW

[km

]

Prädizierte ReichweiteOptimale Prognose

Abb. 8.14.: Reichweitenprognose während des Manövers

174

8.6. Zusammenfassung und Fazit der Betriebsstrategie


Die dargestellten energetischen Potentiale der einzelnen Maßnahmen sind zumeinen stark zyklusabhängig und zum anderen in Bezug auf ein quantifizierbaresGesamtpotential stark abhängig von den Umgebungsbedingungen. Zum Zweckeiner zusammenfassenden Übersicht soll der Beitrag der jeweiligen Maßnah-men am Gesamtpotential ausgewiesen werden. Des Weiteren soll das durch ei-ne gesamtheitliche Betriebsstrategie erzielbare Gesamtpotential als Summe derEinzelmaßnahmen quantifiziert werden. Als Bezugsgröße dient hierbei der überalle Temperaturbereiche gemittelte Energieverbrauch des Gesamtfahrzeugs. Ab-bildung 8.15 zeigt die Ergebnisse für die acht untersuchten Zyklen über alleTemperaturbereiche gemittelt (−20◦C bis +40◦C). In einzelnen Temperaturbe-reichen kann somit teilweise das Potential höher ausfallen, als in Abbildung 8.4dargestellt.

0

5

10

15

20

25

NEFZ

FTP7

5Ar

tem

is Ur

ban

Verte

ilerru

nde

Wei

ssac

hrun

deSt

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artru

nde

Daue

rlauf

rund

e

BAB

Red

uzie

rung

Ene

rgie

verb

rauc

h G

esam

tfahr

zeug

[%]

AllradverteilungDegradierung KlimaDegradierung AntriebLastsynchrone KlimasteuerungVmax Begrenzung 120km/h

7.0

0.3

6.7

0.60.3

8.3

1.6 0.5

5.1

0.40.7

4.30.6

4.8 5.3

1.70.5

1.3 0.2

2.83.6 3.1 2.1 3.7 3.4 2.3

7.6

0.20.5

10.8

0.6

1.1

5.7

0.2

Abb. 8.15.: Verbrauchspotentiale der einzelnen Betriebsstrategie-Maßnahmen über alleTemperaturbereiche gemittelt (−20◦C bis +40◦C)

Als wesentliche Betriebsstrategie-Maßnahme kann die Funktion zur Degradie-rung des Klimatisierungssystems zur bedarfsgerechten Reichweitensteigerung

175


bei gleichzeitiger Gewährleistung eines Mindestkomforts in der Fahrzeugkabi-ne beitragen. Im Mittel über alle Temperaturbereiche liegt das Einsparpotentialin Bezug auf den Energiebedarf zwischen 4% und 8%. Die sich hierbei ergeben-den Einschränkungen bezüglich des thermischen Komforts in Form des mittle-ren PMV-Index betragen maximal ΔPMV = 0.5, was einer maximalen Abwei-chung zur Zieltemperatur von 4◦C entspricht.Des Weiteren führt eine verlustleistungsoptimale Momentenverteilung in moto-rischen Phasen zu einer erheblichen Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchsund somit zur Steigerung der Reichweite. Gerade in Zyklen mit geringer Last-anforderung kann hierdurch eine Reduzierung des Energieverbrauchs des Ge-samtfahrzeugs von über 5% durch eine Steigerung der Effizienz des Antriebs-systems erzielt werden.In Zyklen mit hohen Geschwindigkeitsanteilen kann zusätzlich eine Begren-zung der Maximalgeschwindigkeit zur Reduzierung des Gesamt-Energiever-brauchs beitragen.Als weniger zielführend erweist sich die Funktion zur Degradierung des An-triebssystems durch Begrenzung von Drehmoment und Leistung. Die erzielba-ren Reichweitenpotentiale liegen in fast allen Zyklen unter 1% und fallen imVergleich zur damit einhergehenden Dynamikeinbuße sehr gering aus. Die Dy-namikeinbuße beträgt hierbei bis zu 10%. Somit entsteht für den Kunden einspürbares Defizit im Fahrverhalten, ohne eine merkliche Reichweitensteigerungzu erfahren. Aus diesem Grund wird die Betriebsstrategie-Maßnahme zur De-gradierung des Antriebssystems durch Begrenzung von Drehmoment und Leis-tung als nicht zielführend erachtet.Ein noch geringeres Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf wird durcheine lastsynchrone Klimaregelung erzielt. Die Batterieverluste können zwar inerheblichem Maße reduziert werden, sie besitzen jedoch an den Gesamtver-lusten gemessen einen sehr geringen Anteil. Der hohe funktionale Aufwandrechtfertigt das sehr geringe Reichweitenpotential aus energetischen Gesichts-punkten nicht, die Batterielebensdauer kann hingegen positiv beeinflusst wer-

176


den. Durch die Summe aller Betriebsstrategie-Maßnahmen kann, wie Abbil-dung 8.15 zusammenfassend zeigt, im Mittel über alle Temperaturbereiche einReichweitenpotential zwischen 9% und 20% unter Einhaltung von annehmba-ren Dynamik- und Komfortgrenzen erzielt werden.

177

9. Diskussion und Ausblick

Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der Konzeption, der funktionalenUmsetzung und Applikation sowie der virtuellen Bewertung geeigneter Betriebs-strategie-Maßnahmen für Elektrofahrzeuge zur Steigerung der Reichweite undzur Entschärfung des Zielkonflikts aus Reichweiten-, Dynamik- sowie Komfort-ansprüchen. Die Arbeit kann in diesem Kontext als eine ganzheitliche Methodezum anforderungsgerechten Entwurf des gesamten funktionalen Konzepts ei-nes Elektrofahrzeugs verstanden werden. Abbildung 9.1 stellt die entwickelteMethode als Handlungssystem eingebettet in den Produktentwicklungsprozesszwischen Zielsystem und final implementiertem Objektsystem zusammenfas-send dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden eingangs verschiedene Ausfüh-rungsformen von Antriebssystemen hinsichtlich ihrer Eignung in Abhängig-keit des Fahrzeugsegments evaluiert. Hierbei konnte ein achsindividueller An-trieb mit zwei permanterregten Synchronmaschinen und einer Kupplung alsdas energetisch beste Konzept identifiziert werden. Mit Hilfe von Energiefluss-analysen konnten darauf aufbauend reichweitensteigernde Funktionen im Sin-ne einer ganzheitlichen Betriebsstrategie abgeleitet werden. Diese wurden zumZweck der Architekturgestaltung modular strukturiert. Hierbei ergab sich eineUnterteilung in ein Antriebs- und Energiemanagement sowie eine Reichweiten-ermittlung. Hinsichtlich des umzusetzenden Energiemanagements wurden un-terschiedliche Ansätze in Abhängigkeit ihrer Eignung bezüglich der definiertenAnforderungen evaluiert. Es ergab sich ein Ansatz mit zentraler Optimierungs-und Informationsebene als das zielführendste Konzept. Der entwickelte Ansatzerlaubt eine freie Parametrierung zur Vorgabe der Eingriffstiefe der Betriebss-trategie. Dies ermöglicht die Priorisierung von Energieflüssen einzelner Ver-

179


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Abb. 9.1.: Ganzheitliche Methode zum anforderungsgerechten Entwurf desfunktionalen Konzepts für Elektrofahrzeuge

180

braucher zu Gunsten einer bedarfsgerechten Steigerung der Reichweite. Hier-bei gilt es den Zielkonflikt der übergeordneten Qualitätsmerkmale Reichwei-te, Dynamik sowie thermischer Komfort im Fahrbetrieb strecken- und umge-bungsspezifisch auszubalancieren. Eine geeignete Methode wurde hierzu ent-wickelt, welche entsprechende Dynamik- und Komfortgrenzen als Applikati-onsgrößen des Energiemanagements ermittelt. Zu diesem Zweck wurden phy-sikalisch geeignete Zielgrößen für die genannten Qualitätsmerkmale formuliertund mit Hilfe einer statistischen Versuchsplanung reduzierte Metamodelle zur


Beschreibung dieser Zielgrößen abgeleitet. Dies erlaubt die objektive Darstel-lung des Optimierungsproblems für mathematische Lösungsverfahren und er-möglicht hierdurch eine Kompromisslösung.Die aufgezeigten Betriebsstrategie-Maßnahmen wurden abschließend in insge-samt acht Zyklen unter Variation der Umgebungsbedingungen evaluiert. Hierbeikonnte gezeigt werden, dass für die gewählte Antriebstopologie eine verlustleis-tungsoptimierte Allradverteilung ein großes Einsparpotential in Bezug auf denEnergieverbrauch darbietet. Zur Umsetzung dieser wesentlichen Funktion sindjedoch im realen Fahrzeug in Bezug auf die Kupplungsansteuerung Restriktio-nen hinsichtlich Synchronisation und Fahrbarkeitsaspekten zu berücksichtigen,welche im Rahmen dieser Arbeit noch nicht betrachtet wurden.Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass das Klimatisierungssystem einenbedeutenden Stellhebel zur bedarfsgerechten Reichweitenerhöhung bietet. Hier-bei konnten mit Hilfe eines etablierten Komfortmodells durch DegradierungReichweitenpotentiale von bis zu 15% unter Einhaltung eines Mindestkomfortsausgewiesen werden. Diese sich auf Simulationsergebnisse stützenden Aussa-gen gilt es im realen Fahrzeug durch subjektiv-objektiv Korrelationsuntersu-chungen zu verifizieren. Durch die untersuchten Funktionen der lastsynchronenKlimasteuerung sowie der Degradierung des Antriebssystems konnten aus ener-getischen Gesichtspunkten keine merklichen Verbrauchspotentiale erzielt wer-den. Die Funktion der lastsynchronen Klimasteuerung sollte jedoch unter demAspekt der Batterielebensdauer detailliert betrachtet werden.Der umgesetzte Energiemanagement-Ansatz und der Optimierungsalgorithmuszur Entschärfung des Zielkonflikts unterstützen eine dynamische Ausprägungder Betriebsstrategie insbesondere hinsichtlich der Qualitätsmerkmale Reich-weite und thermischer Komfort. Es gilt eine geeignete Fahrer-Fahrzeug-Schnitt-stelle zu entwickeln und abschließend in Probandenstudien unter physiologi-schen sowie psychologischen Aspekten zu untersuchen. Hierbei ist vor allemdie Frage zu beantworten, ob sich der Fahrer zur Reduzierung des Energie-verbrauchs im Sinne einer prädiktiven Fahrstrategie in geeigneter Form anlei-

181


ten lassen kann. Ein weiteres Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarfkönnte durch eine teilautonome Fahrstrategie unter Berücksichtigung von prä-diktiven Streckeninformationen im Sinne einer erweiterten ACC-Funktion alsautonome Längsregelung für Elektrofahrzeuge erzielt werden. Der modulareCharakter der vorgestellten Funktionsarchitektur gewährleistet eine Integrationsolch neuer Funktionalitäten in hohem Maße.

182

A. Energieflussanalysen

36%

24%

1%

17%

14%

4%3%< 1% Energiebedarf RoWi


Abb. A.1.: Verluste des Antriebssystems für Top IV im FTP75

27%

38%

2%

13%

11%

4%3%3% Energiebedarf RoWi


Abb. A.2.: Verluste des Antriebssystems für Top IV in der Stuttgartrunde

183

A. Energieflussanalysen

−10 −5 0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Rei

chw

eite

[%]


Abb. A.3.: Reichweitenreduktion durch Nebenverbraucher bei stationäre Betrachtung imFTP75 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur für die Klimazone West-Europa

−10 −5 0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100


Rei

chw

eite

[%]


Abb. A.4.: Reichweitenreduktion durch Nebenverbraucher bei stationärer Betrachtung in derStuttgartrunde in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur für dieKlimazone West-Europa

184

B. Evaluierung der Energiemanagement-Ansätze

Tab. B.1.: Gewichtung der Anforderungskriterien zur Auswahl eines Energiemanagement-Ansatzes mittels paarweisem Vergleich

Kriterium Erw

eite

rbar

keit

Sta

bili

tät

Entw

ickl

ungsa

ufw

and

Modula

risier

bar

keit

Lat

enzv

erhal

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Bus-

Las

t

Adap

tionsf

ähig

keit

Konfigurier

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keit

Nac

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keit

Über

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hungsf

ähig

keit

Notlau

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haf

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Res

sourc

enbed

arf

Applik

atio

nsf

ähig

keit

Ska

lierb

arke

it

Inte

gra

tionsf

ähig

keit

Erweiterbarkeit - 2 0 1 1 1 1 1 2 1 1 0 1 2 1

Stabilität 2 - 1 2 1 1 1 1 2 1 2 1 1 2 1

Entwicklungsaufwand 4 3 - 3 2 3 3 3 3 2 3 2 3 3 3

Modularisierbarkeit 3 2 1 - 1 2 2 2 2 2 2 1 2 3 2

Latenzverhalten 3 3 2 3 - 1 2 2 3 1 2 1 3 3 1

Bus-Last 3 3 1 2 3 - 2 2 3 2 3 2 3 3 2

Adaptionsfähigkeit 3 3 1 2 2 2 - 2 2 1 2 1 2 3 2

Konfigurierbarkeit 3 3 1 2 2 2 2 - 2 1 3 1 2 3 2

Nachvollziehbarkeit 2 2 1 2 1 1 2 2 - 2 3 1 2 2 2

Überwachungsfähigkeit 3 3 2 2 3 2 3 3 2 - 2 2 2 3 3

Notlaufeigenschaften 3 2 1 2 2 1 2 1 2 2 - 1 2 2 2

Ressourcenbedarf 4 3 2 3 3 2 3 3 3 2 3 - 3 3 3

Applikationsfähigkeit 3 3 1 2 1 1 2 2 2 2 2 1 - 2 2

Skalierbarkeit 2 2 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1 2 - 1

Integrationsfähigkeit 3 3 1 2 3 2 2 2 2 1 2 1 2 3 -

Summe 40 37 16 29 26 22 28 27 31 21 32 16 30 37 27

Gewichtung x 0.1 1 0.9 0.4 0.7 0.6 0.5 0.7 0.6 0.7 0.5 0.8 0.4 0.7 0.9 0.6

185

C. Bordnetz-Messungen und Fahrzyklen

0 1 2 3 4 5 6x 104

0

50

100

150

200

250

300

350

Zeit [0.1 s]

Leis

tung

[W]

Stufe 2

Stufe 3

Stufe 1

(a) Sitzheizung

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3x 104

0

50

100

150

200

250

Zeit [100 ms]

Leis

tung

[W]

instationär

stationär

(b) Lenkradheizung

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 104

0

100

200

300

400

500

Zeit [100 ms]

Leis

tung

[W]

stationär

(c) Heckscheibenheizung

0 5000 10000 150000

100

200

300

400

500

600

Zeit [100 ms]

Leis

tung

[W] stationär

(d) Frontscheibenheizung

0 0.5 1 1.5 2x 104

0

100

200

300

400

500

Zeit [100 ms]

Leis

tung

[W]

Stufe 1Stufe 2 Stufe 3

Stufe 4

Stufe 5

Stufe 6

Stufe 7Stufe 8

(e) Lüftung

Abb. C.1.: Messung des Leistungsbedarfs ausgewählter Niedervolt-Verbraucher

187

C. Bordnetz-Messungen und Fahrzyklen

0 200 400 600 800 1000 12000

20

40

60

80

100

120

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(a) NEFZ

0 500 1000 1500 2000 25000

20

40

60

80

100

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(b) FTP75

0 200 400 600 800 10000

10

20

30

40

50

60

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(c) Artemis Urban

0 2000 4000 6000 8000 100000

20

40

60

80

100

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(d) Verteilerrunde

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

20

40

60

80

100

120

140

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(e) Weissachrunde

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

20

40

60

80

100

120

140

160

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(f) BAB

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

20

40

60

80

100

120

140

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(g) Stuttgartrunde Urban

0 2000 4000 6000 8000 100000

50

100

150

200

Zeit [s]

V [k

m/h

]

(h) Dauerlaufrunde

Abb. C.2.: Geschwindigkeitsprofile der betrachteten Fahrzyklen

188

D. Signifikanzprüfung

Tab. D.1.: Aussage zur Signifikanz für bant

Faktor p-Wert

Pmax 0.0001

Zyklus

NEFZ 0.0001

FTP75 0.0001

Artemis Urban 0.0001

Verteilerrunde 0.0001

Weissachrunde 0.0001

BAB 0.0001

Stuttgartrunde 0.0001

Dauerlaufrunde 0.0001

Zyklus·Pmax

NEFZ 0.0645

FTP75 0.0548

Artemis Urban 0.26



BAB 0.0001

Stuttgartrunde 0.34


Zyklus·Mmax

NEFZ 0.0265

FTP75 0.17



Weissachrunde 0.62

BAB 0.0005

Stuttgartrunde 0.98

Dauerlaufrunde 0.95

Mmax 0.01

Pmax ·Mmax 0.0845

189

D. Signifikanzprüfung

Tab. D.2.: Aussage zur Signifikanz für Δax

Faktor p-Wert

Mmax ·Mmax 0.0001

Mmax ·Mmax ·Mmax 0.0001

Zyklus

NEFZ 0.0001

FTP75 0.0001



Weissachrunde 0.04

BAB 0.0001


Dauerlaufrunde 0.01

Zyklus·Pmax

NEFZ 0.155

FTP75 0.0194


Verteilerrunde 0.17


BAB 0.0001

Stuttgartrunde 0.86


Zyklus·Mmax

NEFZ 0.0076

FTP75 0.0001



Weissachrunde 0.31

BAB 0.35



Pmax 0.0003

Pmax ·Mmax 0.06

190

E. Lastpunktverteilung in Abhängigkeit der Betriebsstrategie

(a) FTP75: VA (b) FTP75: HA

(c) Artemis Urban: VA (d) Artemis Urban: HA

(e) Verteilerrunde: VA (f) Verteilerrunde: HA

Abb. E.1.: Motorische Lastpunktverteilung bei optimierter Drehmomentenvorgabe, Teil 1

191

E. Lastpunktverteilung in Abhängigkeit der Betriebsstrategie

(a) Weissachrunde: VA (b) Weissachrunde: HA

(c) BAB: VA (d) BAB: HA

(e) Dauerlaufrunde: VA (f) Dauerlaufrunde: HA

Abb. E.2.: Motorische Lastpunktverteilung bei optimierter Drehmomentenvorgabe, Teil 2

192

F. Abkürzungsverzeichnis

2WD Two Wheel Drive4WD Four Wheel DriveAC Air ConditionACC Adaptive Cruise ControlACCi Adaptive Cruise Control InnoDriveADASIS Advanced Driver Assistance Systems Interface SpecificationASM AsynchronmaschineBAB BundesautobahnBKV BremskraftverteilungCAE Computer Aided EngineeringCAN Control Area NetworkCFD Computer Fluid DynamicsCoP Coefficient of PerformanceDiff DifferentialDoE Design of ExperimentsEM E-MaschineESP Elektronisches StabilitätsprogrammFEM Fenite Elemente MethodeFFT Fast Fouriere TransformationFESM Fremderregte SynchronmaschineFTP Fedreral Test ProcedureGB Gear BoxGRM Geschaltene ReluktanzmaschineHMI Human Machine Interface

193

F. Abkürzungsverzeichnis

LDW Lane Departure WarningLKA Lane Keeping AssistLuWi LuftwiderstandNB NebenbedingungNEFZ Neuer Europäischer FahrzyklusNVH Noise Vibration HarshnessPID Proportional Integral DifferentialPK PrioritätsklassePMV Predicted Mean VotePPD Predicted Percentage of DissatisfiedPSM Permanenterregte SynchronmaschinePTC Positive Temperature CoefficientRoWi RollwiderstandSiL Software in the LoopSoC State of ChargeTOP TopologieUBV Unterbodenverkleidung

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Christian KraftGezielte Variation und Analyse des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen mittels elektrischer Linearaktuatoren im Fahrwerksbereich. 2011ISBN 978-3-86644-607-6

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3. FachtagungHybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen. 17. Februar 2011, Karlsruhe. 2011ISBN 978-3-86644-599-4

Karlsruher Schriftenreihe Fahrzeugsystemtechnik(ISSN 1869-6058)

Herausgeber: FAST Institut für Fahrzeugsystemtechnik

Band 1

Band 2

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Band 4

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Band 7

Die Bände sind unter www.ksp.kit.edu als PDF frei verfügbar oder als Druckausgabe bestellbar.

Vladimir IlievSystemansatz zur anregungsunabhängigen Charakterisierungdes Schwingungskomforts eines Fahrzeugs. 2011ISBN 978-3-86644-681-6

Lars LewandowitzMarkenspezifische Auswahl, Parametrierung und Gestaltung der Produktgruppe Fahrerassistenzsysteme. Ein methodisches Rahmenwerk. 2011ISBN 978-3-86644-701-1

Phillip ThiebesHybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen. Grundlegende Erkenntnisse und Zusammenhänge, Vorstellung einer Methodik zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses und deren Validierung am Beispiel einer Forstmaschine. 2012ISBN 978-3-86644-808-7

Martin GießlerMechanismen der Kraftübertragung des Reifens auf Schnee und Eis. 2012ISBN 978-3-86644-806-3

Daniel PiesReifenungleichförmigkeitserregter Schwingungskomfort –Quantifizierung und Bewertung komfortrelevanter Fahr zeugschwingungen. 2012ISBN 978-3-86644-825-4

Daniel WeberUntersuchung des Potenzials einer Brems-Ausweich-Assistenz. 2012ISBN 978-3-86644-864-3

7. Kolloquium Mobilhydraulik. 27./28. September 2012 in Karlsruhe. 2012ISBN 978-3-86644-881-0

4. FachtagungHybridantriebe für mobile Arbeitsmaschinen 20. Februar 2013, Karlsruhe. 2013ISBN 978-3-86644-970-1

Band 8

Band 9

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Hans-Joachim UnrauDer Einfluss der Fahrbahnoberflächenkrümmung auf den Rollwiderstand, die Cornering Stiffness und die Aligning Stiffness von Pkw-Reifen. 2013ISBN 978-3-86644-983-1

Xi ZhangUntersuchung und Entwicklung verschiedener Spurführungsansätze für Offroad-Fahrzeuge mit Deichselverbindung. 2013ISBN 978-3-7315-0005-6

Stefanie GrolliusAnalyse des gekoppelten Systems Reifen-Hohlraum-Rad- Radführung im Rollzustand und Entwicklung eines Rollgeräuschmodells. 2013ISBN 978-3-7315-0029-2

Tobias RadkeEnergieoptimale Längsführung von Kraftfahrzeugendurch Einsatz vorausschauender Fahrstrategien. 2013ISBN 978-3-7315-0069-8

David GutjahrObjektive Bewertung querdynamischer Reifeneigenschaften im Gesamtfahrzeugversuch. 2014ISBN 978-3-7315-0153-4

Neli OvcharovaMethodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme. 2014ISBN 978-3-7315-0176-3

Marcus Geimer, Christian PohlandtGrundlagen mobiler Arbeitsmaschinen. 2014ISBN 978-3-7315-0188-6

Timo KautzmannDie mobile Arbeitsmaschine als komplexes System. 2014ISBN 978-3-7315-0187-9

Band 16

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Roman WeidemannAnalyse der mechanischen Randbedingungen zur Adaption der oszillierenden Hinterschneidtechnik an einen Mobilbagger. 2014ISBN 978-3-7315-0193-0

Yunfan WeiSpurführungsregelung eines aktiv gelenkten Radpaars für Straßenbahnen. 2014ISBN 978-3-7315-0232-6

David SchmitzEntwurf eines fehlertoleranten Lenkventils für Steer-by-Wire Anwendungen bei Traktoren. 2014ISBN 978-3-7315-0264-7

Christian SchwabBeitrag zu einer universellen Baggerschnittstelle zur Übertragung elektrischer und hydraulischer Leistung sowie elektronischer Signale für komplexe Anbaugeräte. 2014ISBN 978-3-7315-0281-4

Peter DenglerUntersuchung zum effizienten Betrieb von Hydraulikzylindern in Konstantdrucksystemen unter Verwendung einer Zwischendruckleitung. 2015ISBN 978-3-7315-0295-1

Manuel BösUntersuchung und Optimierung der Fahrkomfort- und Fahrdynamikeigenschaften von Radladern unter Berücksichtigung der prozessspezifischen Randbedingungen. 2015ISBN 978-3-7315-0310-1

5. FachtagungHybride und energieeffiziente Antriebe für mobile Arbeitsmaschinen 25. Februar 2015, Karlsruhe. 2015ISBN 978-3-7315-0323-1

Michael EckertEnergieoptimale Fahrdynamikregelung mehrmotoriger Elektrofahrzeuge. 2015ISBN 978-3-7315-0332-3

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Band 32 Martin Scherer Beitrag zur Effizienzsteigerung mobiler Arbeitsmaschinen. Entwicklung einer elektrohydraulischen Bedarfsstromsteuerung mit aufgeprägtem Volumenstrom. 2015 ISBN 978-3-7315-0339-2

Band 33 Rinaldo Arnold Automatische Abstimmung der Sekundärseite eines dreiphasigen

Systems zur berührungslosen induktiven Energieübertragung. 2015 ISBN 978-3-7315-0355-2

Band 34 Johannes Gültlinger Kraftübertragung und Fahrbahnverschleiß durch Spikereifen. 2015 ISBN 978-3-7315-0358-3

Band 35 Thorsten Dreher Energieeffizienz von Konstantdrucksystemen mit sekundärgeregelten Antrieben beim Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen. 2015 ISBN 978-3-7315-0377-4

Band 36 Steffen Kölling Konzeptionelle Untersuchung zur Neigekompensation von Stromabnehmern. 2015 ISBN 978-3-7315-0387-3

Band 37 Michael Fritz Entwicklungswerkzeuge für die Fahrzeugklimatisierung von Nutzfahrzeugen. 2015 ISBN 978-3-7315-0384-2

Band 38 Ralf Oberfell Stochastische Simulation von Energieflüssen im Nutzfahrzeug Ein einsatzorientiertes Bewertungs- und Optimierungsverfahren. 2015 ISBN 978-3-7315-0403-0

Band 39 Christoph Sturm Bewertung der Energieeffizienz von Antriebssystemen mobiler Arbeitsmaschinen am Beispiel Bagger. 2015 ISBN 978-3-7315-0404-7



Band 40 Florian Netter Komplexitätsadaption integrierter Gesamtfahrzeugsimulationen. 2015 ISBN 978-3-7315-0414-6

Band 41 Markus Springmann Auslegung eines asynchronen Langstatorlinearmotors

mit großem Luftspalt als Straßenbahnantrieb. 2015 ISBN 978-3-7315-0418-4

Band 42 Alexander Basler Eine modulare Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer

gesamtheitlichen Betriebsstrategie für Elektrofahrzeuge. 2015 ISBN 978-3-7315-0421-4



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ISSN 1869-6058ISBN 978-3-7315-0421-4

Elektrofahrzeuge besitzen aktuell aufgrund des geringen Energieinhalts der Hochvolt-Traktionsbatterie eine beschränkte Reichweite. Vor diesem Hinter-grund kann beim alltäglichen Fahrzeugeinsatz ein vielschichtiger Zielkonflikt aus Reichweiten-, Dynamik- und Komfortansprüchen entstehen. Durch eine modu-lare Funktionsarchitektur soll dieser Zielkonflikt mittels geeigneter Betriebsstra-tegie-Maßnahmen entschärft werden. Die vorliegende Arbeit entwickelt hierzu einen ganzheitlichen Systemansatz zur Auswahl effizienter Topologien sowie zur Umsetzung und Applikation von reichweitensteigernden Funktionen. In die-sem Kontext werden die für eine Objektivierung notwendigen Qualitätsmerk-male beschrieben und analysiert. Mit Hilfe eines mathematischen Lösungsver-fahrens kann unter Einbeziehung dieser Qualitätsmerkmale im Sinne einer Optimierung das Spannungsfeld bestehend aus Reichweiten-, Dynamik- sowie Komfortansprüchen analysiert werden. Die über die vorgestellte Funktionsar-chitektur umsetzbaren Betriebsstrategie-Maßnahmen werden in repräsentati-ven Zyklen validiert und hinsichtlich ihres Beitrags zum Einsparpotential in Bezug auf den Energiebedarf quantifiziert. Hierüber kann eine Empfehlung für die Umsetzung und Applikation einer ganzheitlichen Betriebsstrategie aus Gesamt-fahrzeugsicht gegeben werden.

Eine modulare Funktionsarchitektur zur Umsetzung einer ...

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