Tutorial: Modellierung eines parallelen Hybridantriebs (Part I)

Gerne wird in letzter Zeit das Thema Modellierung verwendet, vor allem in den News. Doch wie modelliert man denn, wie ist das Vorgehen und worauf muss man achten, dass wird der Öffentlichkeit nur selten erklärt. Oft scheint es auch so, als ob dies den Wissenschaftlern selbst oft nicht mehr interessiert, wenn man z.B. Klimamodellierung anschaut.

Die Grundprämisse ist eigentlich relativ einleuchtend und simpel:

Das Modell soll die Realität so genau wie möglich und so komplex wie nötig abbilden.

Wichtig ist hierbei das Wort “REALITÄT”, d.h. es muss vergleichbar oder zumindest validierbar sein.

Als Beispiel Problem mit aktuellem Bezug möchte ich einen Hybridantriebsstrang modellieren, hierbei habe ich mich für den parallen Hybridantrieb entschieden. Er hat gewisse Vorteile und Nachteile.

Vorteile:

• Elektromotor und Verbrennungsmotor können auf einer Welle sitzen
• Einsatz von Doppelschichtkondensatoren anstatt Batterien
• Einsatz von traditionellen Getrieben möglich (Wirkungsgrad optimierung)
• kleiner, stark-spezialisierter Diesel-/Benzinmotor möglich
• Downsizing-Potential groß!

Nachteile:

• Möglicherweise mehrere Elektromotoren (Getriebe) notwendig
• Robustheit?
• Steuerung

Und wie sieht jetzt dieser Antriebsstrang aus? Auf der folgenden Abbildung ist das Konzept einmal dargestellt.

Man sieht, dass Verbrennungsmotor, E-Motor und der Eingang des Getriebes auf der selben Welle platziert wurden. Der E-Motor kann dabei mit drehen, ohne das er Energie aufnimmt oder abgibt. Das Getriebe überträgt Drehmoment und Drehzahl auf die Achsen und diese dann auf das Rad. Der E-Motor ist über eine Leistungselektronik an den Doppelschichtkondensator (Energiespeicher) angeschlossen. Das Getriebe kann in verschiedenen Versionen angefertigt werden, je nach Präferenz. Möglichkeiten sind hier eine Elektromotor/-generator-Kombo zur Drehzahlgestaltung, ein Ketten- oder Band-CVT oder eine herkömmliche Kupplungsautomatikschaltung (DSG oder einfach).

Bevor wir zur Modellierung übergehen, noch ein paar Worte zum Prinzip dieser Anordnung. Rein elektrisches Fahren ist hier nicht gewollt, stattdessen stehen Verbrauchsoptimierung und Wirkungsgradverbesserung im Vordergrund. Der Grundgedanke ist, dass Beschleunigungsabschnitte die größten Leistungsanforderungen an den Verbrennungsmotor stellen und somit der Motor größer dimensioniert werden muss, obwohl diese Abschnitte an der Gesamtfahrtzeit meist nur einen Anteil von ein paar Prozent haben.

Ein exemplarischer Fahrzyklus aus zwei Beschleunigungen und zwei Bremsungen sähe dann wie folgt aus:

Man sieht, dass das Fahrzeug eine notwendige Maximalleistung von 100 kW hätte, der Verbrennungsmotor allerdings nur 15 kW Dauerleistung abgeben muss. Dies ist kein reales Beispiel, sondern eine ideale Konzeptstudie. Man sieht, dass die Leistungsanforderungen durch Beschleunigung und Bremsen durch den elektrischen Teil des Antriebsstranges abgefangen werden. Man kann auch bemerken, dass die Größten Leistungssprünge bei Beschleunigung und Bremsen auftreten. Es sollte also, zum Ausgleich dieser Sprünge, ein Leistungsspeicher verfügbar sein, der schnell hohe Leistungen abgeben und aufnehmen kann: Ein DLC (Doppelschichtkondensator).

Jetzt da das Prinzip erklärt und hoffentlich verstanden ist, können wir zur eigentlichen Modelbildung übergehen. Mehr dazu in Part II.