Institut für Fahrzeugtechnik Technische Universität Braunschweig Direktor: Prof. Dr.-Ing. F. Küçükay
Master-Fachlabor im Sommersemester 2020
Recherche und Aufbau eines BEV mit 2-Ganggetriebe in MATLAB/Simulink
Betreuer: Mingfei Li, M.Sc.
Letzter Abgabetermin: 20.07.2020; 11:00 Uhr
Aufgabenstellung
Im Zuge der stetig wachsenden Elektromobilität und der damit einhergehenden Elektrifizie- rung sollen im Rahmen dieses Fachlabors aktuelle Antriebsstrangkonzepte von Elektrofahr- zeugen recherchiert und modelliert werden. Dafür steht die Entwicklungsumgebung MATLAB/Simulink zur Verfügung. Ein Augenmerk wird auf die Auswirkung eines Zweigang- getriebes gelegt.
Das Simulationsmodell in Simulink 2017a soll per E-Mail abgegeben werden. Die schriftli- che Ausarbeitung ist bitte für alle vier Teilaufgaben als wissenschaftlicher Bericht in PDF abzugeben. Achten Sie bitte auf eine verständliche und ordentliche Ausarbeitung. Alle Quel- len, Hilfsmittel und Lösungswege müssen dokumentiert werden. Bei allen Aufgaben sind Skizzen, Diagramme und Tabellen als Hilfsmittel zur schriftlichen Arbeit empfohlen. Weiter- hin muss der wissenschaftliche Bericht folgende Punkte enthalten:
– Deckblatt mit Name und Matrikelnummer der Studenten
– Eidesstattliche Erklärung mit Datum und Unterschrift der Studenten Hinweis: Der Bericht soll in digitaler Form per E-Mail abgegeben werden.
1
Recherche- und Verständnisaufgaben
1.1
1.2 1.3
1.4
1.5
2
Beschreiben Sie bitte die Vorteile von Elektrofahrzeugen gegenüber den konventionell rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen im Hinblick auf die kundenrele- vanten Kriterien Fahrkomfort, Fahrleistung und Energieverbrauch.
Welche primären Nachteile weisen aktuelle Elektrofahrzeuge gegenüber rein verbren- nungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen auf. Beschreiben Sie diese bitte kurz.
Welche gesonderte Funktion (Betriebsmodus) ermöglichen Elektrofahrzeuge im Ver- gleich zu konventionell rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen, um eine signifikante Senkung des Energiebedarfs zu erreichen? Beschreiben Sie bitte diese.
Beschreiben Sie bitte die drei gängigen Antriebsstrangkonfigurationen in batteriebe- triebenen Elektrofahrzeugen und skizzieren Sie diese. Verwenden Sie für Ihre Skizzen die im Anhang befindlichen Vorlage und Symbole für die jeweiligen Antriebsstrang- komponenten. Hinweis: Nutzen Sie bitte die gegebenen Symbole auf Seite 5.
Welche spezifischen Vor- und Nachteile weisen die unterschiedlichen Antriebsstrang- konfigurationen aus Aufgabe 1.4 auf?
Grundlegende Anwendung von MATLAB
Im Folgenden soll der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs mit Zentralantrieb betrachtet werden. Die fahrzeugspezifischen Grundparameter für das Basisfahrzeug sind in Tabelle 1 aufgeführt.
2.1 Skizzieren Sie bitte für zwei gängige Typen elektrischer Maschinen (kurz EM), die in Elektrofahrzeugen Anwendung finden, ein zugehöriges M-n-Diagramm mit den gege- benen EM-Daten. Kennzeichnen Sie für jede EM das Muscheldiagramm. Erläutern Sie bitte die Unterschiede. Hinweis: Berücksichtigen Sie bitte die Unterschiede der Be- rechnung von dem Wirkungsgrad im Zug- und Schubbbetrieb.
2.2 Stellen Sie bitte die Lieferkennfelder (M-v-Diagramm in MATLAB) für einen Fahrzeug- antrieb anhand der Fahrzeugdaten und EM-Daten in der Tabelle 1 mit jeweils einem Einganggetriebe (i2) und Zweiganggetriebe (i1 und i2) dar. Markieren Sie bitte die Punk- te „Höchstgeschwindigkeit“ und „Steigfähigkeit“ in den Kennfeldern.
2.3 Berechnen Sie bitte das Raddrehmoment bei einer Kraftschlussgrenze (μ = 1,1) für das leere Fahrzeug jeweils mit Vorderradantrieb, Hinterradantrieb und Allradantrieb. Die Gewichtsverteilung wird in der Abbildung 1 dargestellt. Nehmen Sie bitte eine ideale Kraftverteilung an. Vergleichen Sie bitte die Ergebnisse.
ii
2.4 Berechnen Sie bitte die 0 – 100 km/h Beschleunigungszeit des Fahrzeugs mit Hinter- radantrieb und jeweils einem Einganggetriebe (i2) und Zweiganggetriebe (i1 und i2) an- hand des realisierbaren max. Raddrehmoments.
Tabelle 1: Fahrzeugparameter
Fahrzeugparameter
Wert
Einheit
Fahrzeugleermasse
1350
kg
Fahrzeugantrieb
Zentralantrieb
–
Zulässiges Gesamtgewicht
1850
kg
Rollwiderstandsbeiwert
0,008
–
Stirnfläche
2,2
m2
Luftwiderstandsbeiwert
0,30
–
Dynamischer Radradius
0,31
m
Drehmassenzuschlagsfaktor
1,05
–
Reibwiderstand
40
N
Achsgetriebeübersetzung
4
–
Getriebeübersetzung i1
2,5
–
Getriebeübersetzung i2
1,8
–
Getriebewirkungsgrad (konstant)
0,95
–
Achsgetriebewirkungsgrad (konstant)
0,95
–
z x
y
Schwerpunkt
m
1,3
0,5 m
Abbildung 1: Radstand und Schwerpunkthöhe des Fahrzeugs
2.5 Wie hoch ist die Zugkraft in folgenden Fällen?
Das Fahrzeug soll in der Ebene mit Leergewicht eine Geschwindigkeit von 180 km/h erreichen.
Das Fahrzeug soll mit dem zulässigen Gesamtgewicht auf einer Fahrbahn- steigung von 10 % eine Geschwindigkeit von 50 km/h fahren.
Das Fahrzeug soll mit einer Beschleunigung von -1,5 m/s2 bei 80 km/h in der Ebene durch Rekuperation verzögert werden.
1,3
2,6
iii
2.6 Berechnen Sie bitte für die drei Fälle in Aufgabe 2.5 die Radleistung und ermitteln Sie bitte die Raddrehzahl sowie das Raddrehmoment. Berechnen Sie bitte die entspre- chende Drehzahl sowie das Drehmoment von der EM. Stellen Sie bitte die Betriebs- punkte in den EM-Kennfeldern jeweils mit Einganggetriebe und Zweiganggetriebe dar. Hinweis: Berücksichtigen Sie bitte die Unterschiede der Anwendung vom Wirkungs- grad im Zug- und Schubbetrieb.
2.7 Für das Fahrzeug mit Zweiganggetriebe ist eine Schaltkennlinie erforderlich. Definieren Sie bitte nur eine Schaltkennlinie für Hoch- und Rückschalten anhand von der Effizienz der EM mit dem ersten und zweiten Gang. Hinweis: Analysieren Sie bitte die Effizienz der EM für die möglichen Betriebspunkte in dem Lieferkennfeld in dem Lieferkennfeld.
3 Modellierung der Längsdynamik eines Elektrofahrzeugs
Zur Simulation von Antriebssträngen stehen prinzipiell die „Vorwärts“- und die „Rückwärts“- Simulation zur Verfügung. Bei dieser Modellierung des Elektrofahrzeugs, um Energiever- bräuchen nachzubilden, wird die Rückwärtssimulation verwendet.
3.1 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Zyklus“, welches den Soll-Geschwindigkeitsverlauf anhand der Simulationszeit ausgibt.
3.2 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Rad“, das anhand des Geschwindigkeitsverlaufs die Raddrehzahl und das Raddrehmoment berechnet und aus dem Subsystem ausgibt.
3.3 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Differential“, das als Eingänge die in Aufgabe 3.2 berechneten Größen hat und diese Größen mit der Achsgetriebeübersetzung. Hin- weis: Berücksichtigen Sie die Unterschiede des Leistungsflusses im Zug- und Schub- betrieb.
3.4 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Getriebe“. Es bekommt als Eingänge die in Aufgabe 3.3 berechnete Drehzahl sowie das Drehmoment und berechnet mit der Getriebeüber- setzung und dem Getriebewirkungsgrad die Drehzahl und das Drehmoment am Ge- triebe. Nutzen Sie bitte beim Zweiganggetriebe die Schaltkennlinie als Lookup-Tabelle, um den eingelegten Gang zu bestimmen. Der Schaltvorgang und die Schaltzeit werden vernachlässigt. Hinweis: Berücksichtigen Sie bitte die Unterschiede des Leistungsflus- ses im Zug- und Schubbetrieb.
3.5 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Elektromotor“, das die Drehzahl und das Drehmo- ment vom Getriebe übergeben bekommt und den Wirkungsgrad des Elektromotors be- rechnet. Hinweis: Berechnen Sie bitte den Wirkungsgrad über die Drehmomentverlus- te für den Zug- und Schubbetrieb.
iv
3.6 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Nebenverbraucher. Diese sollen eine konstante Leistung von 200 W aufweisen (mittlerer Wirkungsgrad: 95 %). Hinweis: Nebenver- braucher werden während der Rekuperation auch benutzt.
3.7 Erstellen Sie bitte ein Subsystem „Batterie“. Die Batterie hat einen konstanten Wir- kungsgrad von 95 % für den Lade- und Entladevorgang. Ausgabeparameter der Batte- rie sind neben dem Energiebedarf auch der Batterieladezustand. (Hinweis: Definition der Schubphase: P≤0, Zugphase P>0). Berücksichtigen Sie die Leistungselektronik mit einem konstanten Wirkungsgrad von 97 %. Hinweis: Ein positives Drehmoment am Elektromotor verringert den Ladezustand der Batterie, ein negatives Drehmoment re- kuperiert Energie. Berücksichtigen Sie die Unterschiede des Leistungsflusses im Zug- und Schubbetrieb.
Hinweis: Nutzen Sie bitte für die Beschreibung und Darstellung des Modells in Ihrem wis- senschaftlichen Bericht schematische Darstellungen der einzelnen Blöcke. Vermeiden Sie bitte Screenshots der Simulink-Blöcke als Darstellung!
4 Simulation und Analyse
4.1 Ermitteln Sie bitte den Gesamtenergiebedarf des Elektrofahrzeugs jeweils mit Ein- ganggetriebe und Zweiganggetriebe im WLTP. Welchen Anteil zeigen die Fahrwider- stände, Antriebsstrangverluste und Nebenverbraucher am Gesamtenergiebedarf? Dis- kutieren Sie bitte die Ergebnisse. Hinweis: Die Einheit soll [kWh/100km] sein.
4.2 Vergleichen Sie bitte den Energiebedarf in Aufgabe 4.1 von BEV mit Einganggetriebe und Zweiganggetriebe. Stellen Sie bitte die Betriebspunkte in WLTP in dem EM- Kennfelder dar. Erläutern Sie bitte die Unterschiede.
4.3 Welche Einsparung des Energiebedarfs kann durch die Möglichkeit der Rekuperation für beide erreicht werden? Welcher Anteil der potentiell rekuperierbaren Energie kann zurückgewonnen werden? Hinweis: Histogramm.
4.4 Wie groß sind die Reichweiten von dem Elektrofahrzeug jeweils mit Einganggetriebe und Zweiganggetriebe im WLTP? (Batteriekapazität: 45 kWh)
4.5 Im Winter wird die Leistung der Nebenverbraucher bis 3 kW erhöht. Welchen Einfluss haben die Nebenverbraucher im Winterbetrieb auf den Energiebedarf und die Reich- weite?
4.6 Wie lange könnte das Elektrofahrzeug jeweils mit Einganggetriebe und Zweigangge- triebe mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von 80 km/h auf der Autobahn fahren? Wie wirkt sich eine Verdopplung bzw. Halbierung der Fahrzeuggeschwindigkeit aus?
v
4.7 Wie beurteilen Sie den Einsatz eines Zweiganggetriebes im Hinblick auf Fahrleistung, Energieverbrauch und Aufwand?
Literaturempfehlung
[1] Tschöke, H,: Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs: Basiswissen, Wiesbaden : Springer Vieweg, 2015
[2] Hofmann, P.: Hybridfahrzeuge : ein alternatives Antriebssystem für die Zukunft Wien [u.a.] : Springer, 2014
[3] Ulrich, S.: Programmieren mit MATLAB : Programmiersprache, Grafische Benutzer- oberflächen, Anwendungen, München : Hanser, 2015
[4] Reif, K.: Kraftfahrzeug – Hybridantriebe (Grundlagen, Komponenten, Systeme, An- wendungen), Springer Verlag, 2012
vi
Symbole für Antriebsstrangkomponenten
Vorlage zu Aufgabe 1.4
vii
Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere eidesstattlich durch eigenhändige Unterschrift, dass ich den Bericht selbstän- dig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Alle Stel- len, die wörtlich oder sinngemäß aus Veröffentlichungen entnommen sind, habe ich als sol- che kenntlich gemacht.
Ich weiß, dass bei Abgabe einer falschen Versicherung die Prüfung als nicht bestanden zu gelten hat.
Datum Unterschrift
Geheimhaltungserklärung
Im Rahmen des Laborversuchs wird ein BEV mit 2-Ganggetriebe in MATLAB/Simulink am Institut für Fahrzeugtechnik modelliert. Die Inhalte sind vertraulich zu behandeln.
Es ist untersagt, die zur Verfügung gestellten Daten, sowie Ergebnisse weder komplett noch auszugsweise öffentlich zugänglich zu archivieren oder darin enthaltene Informationen wei- terzugeben.
Mit der Unterschrift wird erklärt, den geforderten Datenschutz zu gewährleisten.
Braunschweig, den ______________________________
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